FRP約束鋼管組合柱軸壓性能研究

馬 蘭

(青海民族大學(xué) 西寧 810007)

0 引言

FRP材料，即纖維增強(qiáng)塑料，被廣泛應(yīng)用為建筑原材料，得到了越來越多的推廣[1]。其中，F(xiàn)RP與混凝土組合制備的混凝土柱有著良好的力學(xué)性能，加之鋼管組合，更能發(fā)揮各材料性能優(yōu)勢(shì)，得到性能優(yōu)越的組合結(jié)構(gòu)。Teng等[2]最先提出了包含內(nèi)層鋼管、中層填充混凝土、外層FRP管的組合結(jié)構(gòu)形式，認(rèn)為該組合柱具有施工簡(jiǎn)易、耐腐蝕性好、質(zhì)輕、高強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)需要承載較大軸壓時(shí)，該組合結(jié)構(gòu)有著優(yōu)良的軸壓性能，并且經(jīng)濟(jì)適用，可推廣應(yīng)用于大跨度橋梁工程等場(chǎng)景。

隨著我國(guó)基建設(shè)施的快速增長(zhǎng)，天然建材資源使用量不斷加大，過量開采也引起了許多環(huán)境問題。此外，伴隨著快速建設(shè)的同時(shí)，也有著大量的老舊建筑物拆除工程，產(chǎn)生了大量固態(tài)廢棄物，每年產(chǎn)量超過3億噸[3]，其中半數(shù)以上為拆除混凝土塊[4]。以一線城市廣州市為例，每年拆除的固態(tài)建筑垃圾就在4000萬(wàn)噸以上，而其綜合利用率僅為2.5%以下，即百萬(wàn)噸以下，其中引起的建筑垃圾處理或堆放處置費(fèi)用巨大，并引起了諸多環(huán)境問題[5]。因此，尋找一種能夠有效利用廢棄混凝土塊的方法，既能減少天然建材的消耗，也能有效消耗難以處置的建筑垃圾，有著巨大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效應(yīng)。已有學(xué)者針對(duì)再生骨料混凝土進(jìn)行了探索性研究，但應(yīng)原材料性能的局限，多用于路基回填等對(duì)混凝土強(qiáng)度要求不高的場(chǎng)景[6]。

本研究在FRP約束鋼管組合混凝土柱的基礎(chǔ)上，引入再生骨料混凝土材料，提出了一種新的復(fù)合組成結(jié)構(gòu)形式，包含內(nèi)層鋼管、中層填充再生混凝土以及最外層的FRP管，其截面形式如圖1，有著以下優(yōu)勢(shì)：

(1)中層填充的再生混凝土同時(shí)收到內(nèi)層鋼管和外層FRP管的約束作用，在三自由度受壓的條件下，可提升其抗壓、抗剪以及抗變形的能力；(2)內(nèi)層鋼管在外層FRP管和中間層再生混凝土的保護(hù)下，能夠有效避免產(chǎn)生銹蝕問題，提升了鋼管的耐久性能；(3)中層再生混凝土可通過降低內(nèi)層鋼管屈曲作用的途徑，保證內(nèi)層鋼管和外層FRP管的整體穩(wěn)定性能。

圖1 組合柱截面示意圖

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

1.1 原材料和試驗(yàn)方案

將無(wú)縫長(zhǎng)鋼管切割，得到本試驗(yàn)所需內(nèi)層鋼管，鋼管壁厚度為3.6mm，外徑75mm，所選鋼管內(nèi)外壁均有輕微銹蝕，其性能指標(biāo)見表1。

表1 內(nèi)層鋼管性能指標(biāo)

本文所選外層FRP管為玻纖布和粘結(jié)材料通過現(xiàn)場(chǎng)濕粘法制備，F(xiàn)RP玻璃纖維布的性能指標(biāo)見表2。粘結(jié)材料為新型環(huán)氧樹脂膠，將其和固化劑等比例混合。外層FRP管制備過程中的所有玻璃纖維布沿柱體環(huán)向布置，現(xiàn)場(chǎng)濕粘法制備的外層FRP管搭接長(zhǎng)度為160mm。為了能夠清楚展現(xiàn)組合柱在軸壓試驗(yàn)中的破壞形式，同時(shí)避免柱體端頭在其過程中產(chǎn)生破壞，采用同樣手法在組合柱上下兩個(gè)端頭覆蓋一層40cm寬度的FRP布。

表2 FRP玻璃纖維布性能指標(biāo)

對(duì)比試驗(yàn)中共制備了7組FRP約束鋼管組合柱試件，組合柱試件的高度為300mm，外徑為150mm。試件制備模具有兩個(gè)部分，分別為內(nèi)層鋼管和外層PVC管，外層PVC管沿縱向切割為兩部分并可箍緊，以達(dá)到重復(fù)使用的目的，其外徑為158mm。

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)有8組試件，包括7組FRP約束鋼管組合柱試件和1組無(wú)內(nèi)層鋼管的實(shí)心FRP約束混凝土柱用以作對(duì)比。各組試件的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示，其中，nG代表再生骨料替代率為n%、Y代指該組合柱有內(nèi)層鋼管、N代指無(wú)內(nèi)層鋼管、nF代表外層FRP覆蓋層數(shù)為n層。

表3 FRP玻璃纖維布性能指標(biāo)

中層填充的混凝土按照C35普通混凝土配合比為制備，水∶水泥∶砂∶石=216∶401∶617∶1175。不同組試件的再生粗骨料替代方案為等體積替換普通混凝土原材料中的粗骨料，替換比例范圍為25%～100%，二者的粒徑范圍均為5～20mm，其力學(xué)指標(biāo)如表4所示。

1.2 試驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

選取每組試件內(nèi)層鋼管的中部，在其外表面對(duì)向分別粘貼2組縱橫雙向應(yīng)變片組，每組雙向應(yīng)變片組的距離為10mm；同理，選取外層FRP管的中部外表面，等距粘貼3組縱橫雙向應(yīng)變片組，每組雙向應(yīng)變片組的距離為20mm，需要注意的是，外層FRP管粘貼的其中一組應(yīng)變片要設(shè)置于FRP玻璃纖維布的搭接部分。為保證應(yīng)變片組的牢固，需要利用砂紙對(duì)內(nèi)層鋼管和外層FRP管的外表面進(jìn)行仔細(xì)打磨。通過讀取各組應(yīng)變片組的數(shù)據(jù)，可以得到內(nèi)層鋼管和外層FRP管外表面的縱向和橫向應(yīng)變變化情況。

同時(shí)在各組試件的外表面中部對(duì)向沿縱向安裝了一對(duì)線性差動(dòng)位移計(jì)，用以檢測(cè)每組組合柱的軸向變形情況。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

開始加載時(shí)，F(xiàn)RP管起初并不提供約束力，組合柱試件承載力會(huì)逐漸上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)未受FRP管約束的中層混凝土屈服強(qiáng)度后，此時(shí)的FRP管開始提供約束力。隨著加載過程的繼續(xù)，當(dāng)接近混凝土極限荷載時(shí)，組合柱試件中部的FRP管玻璃纖維顏色逐漸轉(zhuǎn)為白色，伴隨著玻璃纖維的斷裂發(fā)出“滋滋”的聲音。隨著玻璃纖維斷裂量的不斷累積，組合柱試件中部開始產(chǎn)生鼓起。直到到達(dá)組合柱試件的極限荷載后，玻璃纖維驟然集中成片斷裂剝落，伴隨著爆響聲，組合柱試件承載力開始下降，中層混凝土破碎，直到加載試驗(yàn)結(jié)束。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將加載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果匯總于表5中，其中P0為組合柱試件的極限承載力；將與中層混凝土同樣材料的立方體試件極限強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)的中層混凝土環(huán)形面積相乘，得到P1，將其作為中層混凝土的承載力；取與組合柱內(nèi)層鋼管同樣材質(zhì)與尺寸的鋼管進(jìn)行承載力測(cè)試，得到鋼管的極限承載力P2，數(shù)值為312.5kN。假設(shè)組合柱外層FRP管不提供約束力，并且與中層混凝土以及內(nèi)層鋼管間均無(wú)相互作用，那么組合柱試件的極限承載力P0理論上應(yīng)為中層混凝土承載力P1與鋼管極限承載力P2的和，即P0=P1+P2。

表5 組合柱加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

每組組合柱試件極限承載力處對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)闃O限應(yīng)變P1，P0為FRP約束鋼管普通混凝土組合柱試件(即試件編號(hào)為0GY2F試件組)的峰值應(yīng)變，數(shù)值為0.0157，二者的比值P1/P0則可表征各組FRP約束鋼管再生混凝土組合柱試件的延性。

3.1 再生骨料替代率的影響分析

為研究再生骨料替代率對(duì)FRP約束鋼管組合柱軸壓性能的影響，可對(duì)試件編號(hào)為0GY2F、25GY2、50GY2F、75GY2F以及100GY2F的試件組加以分析，上述試件均設(shè)有同等規(guī)格的內(nèi)層鋼管及相同層數(shù)的外層FRP管。分析各組試件的組合柱試件極限承載力P0與中層混凝土承載力P1及鋼管極限承載力P2之和的比值變化情況，如圖2所示。隨著再生骨料替代率的逐步提升，中層再生混凝土的強(qiáng)度隨之下降，但P0/(P1+P2)的值卻隨之呈現(xiàn)出整體增長(zhǎng)的趨勢(shì)(再生料摻量為75%時(shí)略有降低，可忽略不計(jì))，這一變化規(guī)律表明了組合柱中的內(nèi)中外層間相互作用關(guān)系和外層FRP管的約束作用正逐步增強(qiáng)，并且其增強(qiáng)的數(shù)值大于再生混凝土強(qiáng)度下降的數(shù)值。當(dāng)混凝土骨料完全被再生骨料替代后，組合柱的總體承載力P0已經(jīng)達(dá)到中層混凝土承載力P1與鋼管極限承載力P2的1.35倍。

從組合柱峰值應(yīng)變變化趨勢(shì)角度分析FRP約束鋼管再生混凝土組合柱試件的延性，如圖3所示。整體上來說，摻加了再生骨料的組合柱試件延性要優(yōu)于未摻加再生骨料的0GY2F。在再生骨料替代率為25%時(shí)，25GY2F的P1/P0比值，相較于組別50GY2F和75GY2F更高，也就是從承載能力和變形特性兩方面綜合來看，25GY2F均為最佳選擇。單分析組合柱的延性特性，更高再生料替代率的50GY2F和75GY2F并未見有明顯提升，反而略有降低?？偨Y(jié)起來，利用再生骨料等體積替換天然骨料的方案，對(duì)FRP約束鋼管再生混凝土組合柱綜合性能來說，并非最佳選擇。

圖2 再生料摻量對(duì)承載力的影響規(guī)律 圖3 再生料摻量對(duì)延性的影響規(guī)律

3.2 外層FRP管層數(shù)的影響分析

為分析外層FRP管層數(shù)對(duì)FRP約束鋼管組合柱軸壓性能的影響，可對(duì)試件編號(hào)為50GY1F、50GY2F以及50GY3F的試件組加以分析，上述試件均設(shè)有同等規(guī)格的內(nèi)層鋼管及相同再生料替代率的中層再生混凝土，如圖4所示。分析各組試件的組合柱試件極限承載力P0與中層混凝土承載力P1及鋼管極限承載力P2之和的比值變化情況，如圖4所示?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，隨著組合柱外層FRP管層數(shù)從1層增長(zhǎng)到3層，P0/(P1+P2)的值呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，最高可達(dá)到內(nèi)層鋼管和中層混凝土承載力之和的1.58倍，這說明了外層FRP管對(duì)組合柱有著明顯的約束作用，可以明顯地提升其整體承載能力。

圖4 FRP管層數(shù)對(duì)承載力的影響規(guī)律 圖5 FRP管層數(shù)對(duì)延性的影響規(guī)律

同樣地，從組合柱峰值應(yīng)變變化趨勢(shì)角度分析FRP約束鋼管再生混凝土組合柱試件的延性，如圖5所示?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，隨著組合柱外層FRP管層數(shù)從1層增長(zhǎng)到3層，組合柱的P1/P0比值呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，其中當(dāng)外層FRP管層數(shù)為1層時(shí)，其約束作用并不明顯，P1/P0比值僅為0.60。但當(dāng)外層FRP管層數(shù)提升到3層時(shí)，P1/P0比值達(dá)到了1.31，此時(shí)的再生骨料替代率為50%，但組合柱的延性特性發(fā)揮已接近再生骨料替代率為100%的100GY2F。

3.3 內(nèi)層鋼管的影響分析

為分析內(nèi)層鋼管存在與否對(duì)組合柱承載能力和延性特性的影響，可對(duì)試件編號(hào)為50GY2F和50GN2F的試件組加以分析，上述試件均設(shè)有同等規(guī)格的外層FRP管及相同再生料替代率的中層再生混凝土。試件編號(hào)為50GY2F的P0/(P1+P2)值是1.33，而試件編號(hào)為50GN2F的P0/(P1+P2)值是1.11，這說明內(nèi)層鋼管的存在，可以顯著提升FRP約束鋼管組合柱的極限承載能力。與之不同的是，二者的P1/P0比值基本處于同一水平，這說明了內(nèi)層鋼管存在與否，對(duì)組合柱的延性特性無(wú)明顯影響。

4 結(jié)論

本文通過替換一定比例天然骨料、改變外層FRP管層數(shù)等方式，制備了8組FRP約束鋼管組合柱試件，進(jìn)行單調(diào)軸壓試驗(yàn)測(cè)試，主要結(jié)論如下：

(1)隨再生骨料替代率提升，組合柱中的內(nèi)中外層間相互作用關(guān)系和外層FRP管的約束作用逐步增強(qiáng)。

(2)從承載能力和變形特性兩方面綜合來看，25%的再生料替代率為最佳選擇。

(3)利用再生骨料等體積替換天然骨料的方案，對(duì)FRP約束鋼管再生混凝土組合柱綜合性能來說，并非最佳選擇。

(4)外層FRP管對(duì)組合柱有著明顯的約束作用，可以明顯地提升其整體承載能力。

(5)內(nèi)層鋼管的存在，可以顯著提升FRP約束鋼管組合柱的極限承載能力，對(duì)組合柱的延性特性無(wú)明顯影響。