GFRP 管混凝土柱不同長細比軸壓力學性能研究

張鑫鑫

(山西勤豐基礎工程有限公司，山西晉城 048000)

1 概述

GFRP管混凝土柱是一種新型的組合結構，在實際工程中，軸心受壓構件是極少遇到的，通常遇到的也是長細比較大的長柱，對于長柱由于荷載作用位置的不準確，材料的不均勻等原因造成了具有初始偏心距，在縱向作用下產生側向彎曲及附加彎矩，進一步加大了初始偏心距，降低了構件的承載力。

本文通過對6根不同長細比的GFRP管混凝土柱進行研究，分析了不同長細比對其軸壓性能的影響。

2 試驗概況

2.1 試驗設計

該試驗選用了6根不同長細比的試件，GFRP管的內徑均為200 mm，管壁厚度為5 mm，混凝土內均勻配置612鋼筋。箍筋為φ6.5@100。試件編號見表1。

表1 試件編號

2.2 加載裝置及測點布置

試驗在5 000 kN壓力機上進行，6根試件均為全截面受壓。

在1/2，1/4柱高截面處分別均勻粘貼4組應變片(橫向、縱向)，用于測量試件1/2，1/4高度處的軸向與環向應變。同時，在試件的彎曲方向沿柱子的四等分點，布置3個量程為10 cm的位移計，用于測量試件的側向彎曲撓度。

該試驗在正式加載前必須進行預加載，其目的是保證在正式加載時試件處在軸心受壓狀態下。在試件上下兩端各放置球形鉸，以保證試件兩端鉸支。當試件破壞后，由于球形鉸的存在，試件會倒，我們用繩子將其固定。

該試驗采用分級加載，根據壓力機所連電腦得出的曲線，試件在彈性階段，每級荷載為預估荷載的1/10。進入彈塑性階段后，每級荷載為預估荷載的1/20，持載2 min～3 min。圖1為加載裝置及測點布置示意圖。

圖1 加載裝置及測點布置示意圖

2.3 試驗現象及破壞形態

Z1:試件加載至1 700 kN時發現GFRP管泛白，加載至2 200 kN時在1應變片處發現白色螺旋條紋，繼續加載至2 730 kN時聽到了輕微的噼啪響聲，當加載至2 912 kN時聽到雷霆般的響聲之后試件破壞。在2 730 kN～2 912 kN這個過程中一直伴隨有連續的響聲。試件破壞后，GFRP管沿其纏繞方向拉斷，但在距試件兩端各15 cm處GFRP管沒有破壞。

Z2:加載至1 900 kN時，在柱中截面處出現白色螺旋條紋，加載至2 300 kN時白色螺旋條紋明顯增多，繼續加載至2 600 kN時聽到連續噼啪聲直至試件破壞(2 760 kN)，卸載后白色裂紋繼續向兩端延伸。破壞后裂縫貫穿整個試件，且在距柱底20 cm處GFRP管破孔，混凝土外漏，GFRP管對混凝土的約束作用非常明顯。

Z4:加載至1 579 kN時距柱底25 cm左右處發現白色橫向條紋，約長0.75周長，柱中截面處有白色螺旋條紋，加載至1 900 kN時，白色螺旋條紋增多，1 937 kN時聽到噼啪響聲直至2 298 kN時試件破壞。破壞后該試件的側向彎曲比Z2明顯，但也不是很大。在柱底端GFRP管完全破開一個孔洞，里面混凝土被壓碎。

Z5:加載至1 050 kN時發現試件有比較明顯撓度彎曲，加載至1 650 kN發現試件1/2高度處白色條紋明顯，加載至1 933 kN時聽到了輕微的響聲直至2 162 kN時試件破壞。該試件破壞后撓度彎曲極其明顯，且只有1/2柱高截面附近處的GFRP管發生了破壞，其他地方基本完好無損，且遠沒有達到混凝土抗壓強度。

Z6破壞形態與Z5相似，在這里不一一介紹。對于試件Z5，Z6而言，根據其破壞過程及破壞形態可知，其破壞為明顯的失穩破壞，撓曲變形非常明顯。試件破壞時，GFRP管在撓度最大處發生破壞，其他地方管壁基本沒有任何破壞，且管內應力明顯小于其強度，GFRP套管對混凝土的約束作用不明顯。試件破壞形態如圖2所示。

圖2 不同長細比試件破壞形態

3 試驗結果分析

3.1 各試件極限承載力及極限壓應變

表2給出了不同長細比試件的極限承載力與極限壓應變。

表2 極限承載力與極限壓應變

3.2 軸力—軸向應力應變分析

圖3為試件軸力—軸向應變曲線圖。根據此圖可知:

1)隨著GFRP管混凝土柱長細比的增加，其承載力有明顯的下降。將試件Z1為對比柱，Z2～Z6試件的承載力分別下降了7.94%，10.74%，23.35%，27.89%，37.79%。造成這種現象的主要原因是:GFRP管隨著長細比的增加，約束效果越來越差。因此，從長細比來分析，要想充分發揮GFRP管的約束能力，長細比不能過大，而應當在一個適當的范圍之內。

2)隨著長細比的增加，其變形能力也有了明顯的下降。組合試件Z1，Z2，Z3有明顯的屈服階段，且為雙線性曲線，但沒有下降階段。對于試件Z4，Z5，Z6彈性階段明顯小于前3個試件，但出現了明顯的下降階段。

3.3 不同長細比下軸力—撓度曲線分析

通過試驗可知隨著荷載的增加，試件的上下部變形基本對稱。對于長細比較大的試件，當達到極限荷載時，側向撓度明顯增大，并導致附加彎矩的增加，從而使試件承載力及極限壓應變迅速下降。因此對于長柱而言，初始缺陷引起的側向撓度對試件的軸壓承載力與變形都有很大的影響。

圖3 軸力—軸向應變曲線圖

4 結語

本文通過對GFRP管混凝土柱不同長細比的試驗研究，得出以下兩點結論:

1)對于不同長細比的長柱而言，隨著長細比的增加，試件的極限承載力下降，GFRP管的環向拉應變也隨著降低，這就表明GFRP套管對混凝土柱的約束作用隨試件長細比的增加而降低。

2)由于組合試件長細比的增加，其初始缺陷對軸壓力學性能的影響越加明顯。當試件長細比達到一定大小時，試件在破壞時，管壁基本完好無損，其破壞形態為失穩破壞。

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