FRP－鋼復合管混凝土軸壓短柱試驗及應用研究

賴用滿，魏 洋，李國芬，曹 興

(1.南京市公路建設處，南京 210008;2.南京林業大學土木工程學院，南京 210037;3.江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇蘇州 215011)

鋼管混凝土結構［1－2］作為一項比較成熟的技術以其獨特的力學特點在現代土木工程中的應用日益廣泛，但也存在一些缺點如結構自重大、耗鋼量大、耐腐性差等。FRP(Fiber reinforced polymer)纖維增強復合材料制成的筒體內填混凝土形成了FRP管混凝土結構［3－6］同樣具有鋼管混凝土類似的力學原理，即都是核心混凝土處于三向受壓狀態，顯著提高混凝土結構的承載力，但這一結構也存在一些缺點如剪切強度低，結構剛度低，裂縫或變形控制設計，同時由于FRP的脆性使得結構的延性低等。基于以上兩種結構的優點和不足國內有學者提出了FRP－鋼復合管混凝土結構［7］，通過“復合”思想使兩種結構有機結合，發揮兩者特長。即在鋼管內填充混凝土，外部纏繞FRP材料而形成的組合結構，從而使鋼管內的核心混凝土處于FRP和鋼管的雙重約束之下，以提高其軸向承載能力，目前主要的橫截面形式分為圓形和方形 (如圖1所示)。FRP－鋼復合管混凝土結構具備FRP管混凝土和鋼管混凝土兩種結構的優點，同時一定程度地解決FRP管混凝土和鋼管混凝土的缺陷與不足，將FRP纏繞粘貼于鋼管外表面，可以替代一部分鋼管，減小鋼管的厚度，降低用鋼量，降低厚鋼管的加工難度，并為鋼管提供耐久性保護，FRP管混凝土和鋼管混凝土具有承載力高、延性好及耐久性好等特點。

圖1 FRP-鋼復合管混凝土結構橫截面示意圖Fig.1 Cross-section of FRP-steel composite tube concrete structures

目前對圓截面FRP－鋼復合管混凝土軸壓力學性能進行相關的試驗研究 取得了一定的理論成果，但已有的研究成果多采用CFRP一種材料，缺乏一定的對比性。本文研究了 CFRP和BFRP兩種不同類型及層數下的軸壓短柱對比試驗，通過試驗初步探討了不同參數下的圓形FRP－鋼復合管混凝土軸壓短柱的受力性能，為實際工程的應用提供一點的指導意義。

1 試驗概況

1.1 試件的設計

本次試驗一共有5個試件，1個對比柱，4個不同纖維類型或層數的FRP－鋼復合管混凝土短柱，FRP選用碳纖維 (CFRP)和玄武巖纖維(BFRP)兩種，各試件參數見表1。試驗中采用的混凝土強度等級為C30，選用的鋼管為圓形無縫鋼管，外徑D為133mm，高度均為400mm，鋼材屈服強度平均值364.9MPa，極限強度平均值503.6MPa，混凝土采用C30混凝土，混凝土的抗壓強度由相同條件成型養護的邊長為150mm的立方體試塊測得，其實測立方體強度平均值為46.6MPa。纖維采用纖維布形式，試件所用碳纖維為日本東麗20碳纖維 (CFRP)，厚度0.111mm，實測強度4 067MPa，彈性模量239.8GPa，極限應變1.7%，玄武巖纖維 (BFRP)為浙江石金玄武巖纖維有限公司生產，厚度 0.111mm，強度2 370MPa，彈性模量91.4GPa，極限應變2.6%。

表1 各試件參數Tab.1 Parameters of specimens

1.2 試件制作

鋼管在工廠按設計圖紙預制完成，為了避免在混凝土澆注的時候底部出現跑漿，在鋼管的一端焊接一塊5mm厚的矩形薄鋼板，另一端澆筑混凝土，澆筑混凝土時應保持鋼管豎直 分層澆筑振搗 完成后在自然條件下養護28d。

粘貼纖維布前鋼管混凝土外表面難免會生銹以及澆筑混凝土時溢出的混凝土，這些都會嚴重影響纖維的粘貼效果，所以在粘貼纖維之前必須對鋼管外表面的進行打磨處理。纖維布環向粘貼，粘貼前用拌制好的慧魚膠浸透纖維布，確保纖維布與試件完全粘合，搭接長度15cm，搭接方式如圖2所示。纖維布粘貼完成后用塑料薄膜包裹養護24h。

為了準確地測量各試件的應變，在每個試件鋼管外壁和纖維外側中截面處沿周長布置環向和縱向電阻應變片各2個。應變片粘貼示意圖如圖3所示，制作好的成型試件如圖4所示。

圖2 FRP粘貼搭接方式Fig.2 Lap-splice of FRP

圖3 應變片的粘貼位置示意圖Fig.3 Strain gauges layout

圖4 成型試件Fig.4 Specimens

1.3 試驗加載方案

本次試驗加載儀器采用3 000 kN微機控制電液伺服巖石試驗機 采用平板鉸加載 有關應變和位移的試驗數據由TDS303靜態電阻應變采集系統進行數據采集。試驗時在試件兩邊對稱布置2個外置位移計，并在垂直布置試驗機配套使用的位移計1個。同時對試件進行了比較精確的幾何和物理對中，以確保軸心受壓。

在彈性范圍內，進行幾次預加載，預壓至極限荷載的20%左右，一般設為200kN，以100kN/min的速率加載。預壓過程中用應變片讀值進行物理對中，反復3次，消除間隙影響，在保證彈性階段各截面中部對應應變值比較接近時，進行正式加載。

正式加載階段為了避免有空隙對試驗造成干擾，初荷載設為5kN。本次試驗采用連續加載制，正式加載先采用荷載控制，速率采用50kN/min，接近鋼管屈服時，即荷載－位移曲線斜率明顯減小時。當鋼管屈服后，改用變形控制，0.3mm/min，接近破壞時，慢速加載，0.1mm/min。

2 試驗現象與結果分析

2.1 試驗現象

對比柱C－0試件，即為鋼管混凝土短柱的軸壓破壞特征;C－B1及C－B2試件，加載初期外觀無明顯變化，BFRP雖沒有明顯的破壞跡象但有明顯的響聲，隨著荷載的增加，中部膨脹越來越明顯，BFRP斷裂的響聲也更大。當荷載接近最大荷載時 試件中下部的 斷裂脫落加劇 同時鋼管屈曲加大，直至試件破壞;C－C1及C－C2試件，加載初期處于彈性階段，試件外觀無明顯變化。隨著荷載的不斷增加，CFRP有零星的斷裂聲，試件的中部開始出現局部凸曲。當荷載達到極限荷載時，可聽到CFRP的暴裂聲，中部的CFRP完全斷裂，此時鋼管的塑性變形明顯，隨著上部和下部的CFRP也不斷的斷裂，試件的最終承載力與鋼管混凝土軸壓短柱大致吻合，構件保持一定的殘余承載力。典型試件破壞過程如圖5所示 (CC1)，分別經歷纖維斷裂和鋼管屈曲等過程。

2.2 試驗結果對比分析

通過對試驗獲取的大量數據處理后，得到荷載－位移關系曲線，并對曲線進行分析對比。由圖6可看出不論是CFRP還是BFRP，在彈性變形階段，其荷載－位移關系幾乎相同，這是因為在此階段由混凝土和鋼管承受壓力，纖維基本不受力，此時纖維對荷載變形關系影響很小。當進入彈塑性變形階段，FRP的類型和層數對試件軸壓短柱承載力的貢獻越來越明顯。從圖中可以看出，在相同FRP層數的情況下，CFRP和BFRP對比，前者約束的鋼管混凝土峰值荷載較大，后者對增強試件的延性提高效果明顯，這是由于前者的彈性模量較大、極限應變較小，而后者正好相反。

圖5 典型試件破壞過程 (C－C1)Fig.5 Typical failure process of specimens(C-C1)

圖6 相同層數不同類型FRP增強效果對比分析Fig.6 Strengthening effect of different types of FRP with same layers of FRP

圖7 FRP對各試件極限承載力提高的對比分析Fig.7 Contrast analysis of ultimate loading capacity enhancement effect of FRP

表2 各試件極限承載力的對比分析Tab.2 Contrast analysis of ultimate loading capacity of specimens

由圖7和表2給出FRP對各試件承載力提高的對比分析，隨著FRP的層數增加，極限荷載隨之增加，CFRP的提高效果明顯好于BFRP。相對于對比試件B－0，試件C－B1、C－B2、C－C1、C－C2與鋼管混凝土對比柱C－0相比分別提高了2.2%、20.6%、25.8%和34.8%，可以看出在承載力提高方面，1層CFRP相當于兩層BFRP的效果。

3 FRP－鋼復合管混凝土抗震橋墩的試點工程應用

針對近年來橋墩在地震中的破壞特點，橋墩的抗震設計理念越來越受到研究人員的重視，同時某些特殊場合下，橋墩的截面受到限制，為此南京市公路建設處及南京林業大學等有關單位在南京繞越高速公路東北段的程橋樞紐匝道B匝道、C匝橋兩個橋墩 (B匝道的14#墩、C匝道7#墩)，進行FRP－鋼復合管混凝土橋墩的設計與應用，程橋樞紐B匝道、C匝道跨越寧連高速，其中，B匝道的14#墩、C匝道7#墩位處寧連高速的中央分隔帶，尺寸大小受到嚴重限制，特別采用了新型FRP－鋼復合管混凝土橋墩結構，以達到減小截面尺寸、縮短施工工期的目的。

經計算設計，該橋墩采用圓截面設計形式，4#墩高度5.671m，7#墩高度6.409m，兩橋墩除高度不同外，其余結構形式及采用均相同，橋墩整體構造如圖8(a)所示。鋼管選用Q235－C鋼板，外徑1.6m，厚度 t=10mm，FRP選用厚度為0.167mm的300g/m2碳纖維 (CFRP)，橋墩底部2.5m范圍橫向采用2層碳纖維環向復合，底部

范圍以外采用 層碳纖維環向復合 混凝土采用C30混凝土。橋墩與樁基礎不設承臺而直接連接，橋墩柱腳埋入樁基礎頂部深度為1.1m，通過樁基縱筋與鋼管焊接連接，并采用直徑10mm環向鋼筋加強，如圖8(b)所示。FRP外側涂抹兩層灰色復合材料專用涂料，具有抗紫外線功能，同時其外觀如同混凝土自然顏色，美觀大方。目前該橋墩正在建設中，相信在實踐應用中能達到預期的良好效果。

圖8 FRP－鋼復合管混凝土橋墩在工程實踐中的應用Fig.8 FRP－steel composite tube concrete piers in engineering practice

4 結論

通過對4個不同纖維類型和層數的FRP－鋼復合管混凝土短柱和1個對比短柱的軸壓試驗，分析了各試件的荷載－位移關系曲線，了解該結構在不同設計參數下的受力特性，并簡要介紹了FRP－鋼復合管混凝土橋墩在工程實踐中的應用情況。在本次試驗參數的范圍內，根據試驗結果可以得到如下結論:

(1)FRP－鋼復合管混凝土的破壞過程基本都從試件中部處開始發生FRP斷裂，然后逐漸沿周向擴展，FRP逐漸喪失對鋼管的約束力，隨后構件保持一定的殘余承載力。

(2)無論是CFRP還是BFRP對復合管混凝土試件，隨著FRP的層數增加，極限荷載隨之增加。

(3)在相同FRP層數的情況下，CFRP－鋼復合管試件和BFRP－鋼復合管試件對比，CFRP－鋼復合管試件的混凝土峰值荷載較大，后者的延性提高效果明顯，這是由于前者的彈性模量較大、極限應變較小，而后者正好相反。

目前基于本次試驗的指導思想，FRP－鋼復合管混凝土橋墩試點工程正在南京繞越高速公路東北段的匝道橋建設中，相信在實踐應用中能達到預期的良好效果。

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