碳纖維布部分包裹圓鋼管混凝土短柱軸壓性能試驗研究

黃春曉，王 偉，王 穎，潘福婷

(1.建筑結構安徽省普通高校重點實驗室(安徽新華學院)，安徽 合肥 230088；2.安徽新華學院土木與環境工程學院，安徽 合肥 230009；3.安徽給排水設計研究院有限公司，安徽 合肥 230011)

1 引言

碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced plastic/polymer，CFRP)由于其重量輕、抗拉強度高、施工方便等優點，可以極大程度地提高構件的極限強度和延性，在加固工程中得到廣泛的應用[1-2]。鋼管混凝土柱在高層和高聳建筑中應用較多，但是由于外鋼管的局部屈曲和腐蝕問題，會導致構件的承載力下降，進而降低結構的耐久性[3-4]。在鋼管混凝土柱外層包裹CFRP材料，使核心混凝土處于外鋼管和CFRP材料的雙重約束之下，可以提高鋼管混凝土柱的受壓承載力和耐久性[5-6]。

目前，已有學者對CFRP包裹鋼管混凝土構件開展了研究工作。Park等[7]通過試驗研究了軸壓荷載作用下CFRP約束鋼管混凝土的受力性能。Yu等[8]研究了CFRP全包裹鋼管混凝土柱在循環軸壓荷載作用下的受力性能。陶忠等[9]對CFRP全包裹的耐火鋼管混凝土柱和梁的軸壓性能及彎曲性能進行了試驗研究。試驗結果均表明，CFRP材料的包裹作用對鋼管混凝土構件的承載力有顯著的提高。

以上研究主要針對CFRP全包裹的鋼管混凝土構件，對于CFRP部分包裹的鋼管混凝土柱的軸壓性能研究較少。本文對CFRP部分包裹的圓鋼管混凝土短柱進行軸壓試驗，分析鋼管強度、CFRP包裹層數和CFRP包裹間距等參數對試件軸壓性能的影響。并在試驗的基礎上，提出CFRP部分包裹圓鋼管混凝土短柱軸壓承載力的計算公式。

2 試驗概況

2.1 試件設計

本文設計了8根CFRP部分包裹的圓鋼管混凝土短柱，試驗參數分別為鋼管強度、CFRP包裹層數和CFRP包裹間距，如表1所示。鋼管外徑均為140mm，厚度為6mm，高度為450mm。試驗中采用的CFRP材料為單向承載力抗拉纖維布，寬度均為50mm。試件示意圖見圖1。

圖1 試件示意圖

表1 試件設計參數

2.2 材料特性

外鋼管選用名義屈服強度為235MPa和345MPa的無縫圓鋼管，其力學性能見表2。CFRP材料的力學性能指標見表3。核心混凝土選用高性能和高自密實性的商品混凝土(SCC)，其標準立方體抗壓強度試驗值為31.2N/mm2，彈性模量為30521.3 N/mm2，根據ACI規范將其軸心抗壓強度標準值定為0.67fcu。

表2 鋼材特性

表3 CFRP材料特性

2.3 試驗裝置和加載制度

試驗均在合肥工業大學結構工程實驗室進行。先將一塊50mm厚的鋼板焊接到圓鋼管的底部，再將自密實混凝土澆注到鋼管中并在實驗室中進行養護。一個星期養護期結束后，將另一個50mm厚鋼板焊接到圓鋼管混凝土柱的另一端，以確保施加均勻的軸向荷載。試驗現場裝置如圖2所示，使用500t液壓萬能試驗機向柱端施加豎向荷載。

圖2 試驗加載示意圖

在柱頂、柱底和跨中布置三個線性位移傳感器，如圖3所示。在鋼管壁和FRP纖維布上應力較大和變形較大的部位布置環向應變片，記錄應變量，得出應力分布，如圖4所示。

圖3 位移計布置圖

圖4 應變片布置圖

正式加載前進行預加載，向柱端施加預計極限荷載的10%，保持2分鐘后將荷載增加到60%，保證試件和底座緊密接觸，儀器與裝置正常工作。正式加載為分級加載，每級荷載為預計極限荷載的5%，持載4分鐘測量數據，直到試件破壞，繼續加載至施加軸力下降至極限荷載的80%，試驗結束。

3 試驗結果

3.1 試驗現象

試驗表明，由于核心混凝土的填充作用，阻止了外鋼管向內屈曲，組合短柱的主要破壞模式為向外屈曲。然而，鋼管向外屈曲的部位主要發生在未包裹CFRP纖維布的部位，此外，在包裹區域出現了膠體剝落和CFRP纖維布嚴重斷裂的現象。

這些現象表明，CFRP纖維的拉伸性能在組合短柱的軸壓試驗中得到了充分利用。試驗結束后，剝除外層CFRP纖維，剖開外鋼管后發現，核心混凝土表面發生褶皺鼓曲，并伴有部分壓潰的現象，破壞模式和外鋼管保持一致，如圖5所示。

圖5 CFRP約束鋼管混凝土短柱的失效模式

3.2 試驗結果分析

圖6所示為CFRP部分包裹的鋼管混凝土短柱的軸壓荷載-軸向變形(N-δ)曲線。在加載初期，試件處于彈性階段，當荷載達到極限強度時，由于外鋼管的局部屈曲和CFRP纖維布的斷裂，曲線突然下降。

3.2.1 鋼材屈服強度

圖6(a)所示為鋼材屈服強度對組合短柱的軸壓性能的影響。試件AS11的極限承載力比AS12低15.6%，而對初始剛度的影響不大。試驗結果表明，鋼材屈服強度越大，組合短柱的極限承載力越大。

圖6 短柱的軸壓荷載-縱向應變(N-δ)曲線

3.2.2 CFRP包裹層數

圖7(b)所示為CFRP包裹層數對組合短柱的軸壓性能的影響。相比于未包裹CFRP纖維布的試件AS21，包裹層數分別為1、3和5層的試件AS22、AS12和AS23的極限承載力分別高6.3%、13.4%和20.6%。試驗結果表明，隨著CFRP纖維布包裹層數的增加，組合短柱的極限承載力逐漸增大，對初始剛度的影響不大。

圖7 短柱不同截面高度處鋼管的N-δ曲線

3.2.3 CFRP包裹間距

圖6(c)所示為CFRP包裹間距對組合短柱的軸壓性能的影響。相比于未包裹CFRP纖維布的試件AS21，包裹間距分別為0、30、50和100mm的試件AS31、AS32、AS12和AS33的極限承載力分別提高了26.1%、18.7%、13.4%和5.1%。試驗結果表明，隨著包裹間距的增大，組合短柱的極限承載力逐漸減小，對初始剛度的影響不大。

從試驗結果可以得出，CFRP的約束作用明顯提高了鋼管混凝土短柱的極限承載力，而對初始剛度的影響不大。此外，當CFRP碳纖維布突然斷裂的時候，所有試件的N-δ曲線出現了明顯的下降。所以，軸壓荷載作用下，CFRP約束圓鋼管混凝土短柱的延性比沒有CFRP約束的組合短柱低。

3.3 鋼管荷載-應力曲線

采用文獻11給出的鋼管應力-應變分析方法，得出短柱的軸向荷載和鋼管應力的關系曲線。圖7所示為軸心荷載作用下部分約束鋼管混凝土短柱不同截面高度處鋼管的N-δ曲線，中部CFRP碳纖維布率先斷裂，而兩端基本未發生斷裂，靠近短柱中部非包裹區鋼管先屈曲，包裹間距越大，鋼管越易屈曲。結果表明，鋼管底部和頂部的縱向應變基本對稱，隨著荷載的增大，CFRP碳纖維布出現破裂現象，拉伸應變可以達到極限應變，說明CFRP纖維布在組合短柱中充分增強了抗拉性能。

4 組合短柱的極限強度

目前，由于對CFRP部分包裹的鋼管混凝土組合柱的研究較少，本文采用統一理論的方法，提出軸壓荷載作用下CFRP部分包裹的圓鋼管混凝土組合短柱的簡化計算公式。

4.1 統一理論方法

不同于EC4[10]給出的簡單的疊加方法，Han推薦的統一理論方法將鋼管混凝土構件中的鋼管和核心混凝土作為一種組合材料。利用鋼管混凝土柱的整體幾何特性和復合力學參數來計算軸向抗壓性能。對于軸壓荷載作用下的圓鋼管混凝土短柱，簡化的設計方法如下：

N=Ascfscy

(1)

fscy=(1.14+1.02ξ)fck

(2)

其中，N為軸壓荷載作用下鋼管混凝土短柱的軸向抗壓，fscy指試件的統一強度，Asc指鋼管混凝土短柱的截面面積。

4.2 CFRP部分包裹鋼管混凝土短柱簡化經驗公式

基于軸壓荷載作用下普通的鋼管混凝土短柱的統一理論計算方法，本文提出了一種軸壓荷載作用下CFRP約束的鋼管混凝土短柱的簡化設計方法。該方法是一種考慮了混凝土強度、鋼材強度、CFRP極限強度和CFRP包裹層數的簡化模型。

當軸壓荷載施加在這種組合短柱的橫截面上時，核心混凝土和外鋼管會向外擴展。與此同時，CFRP材料在橫向受到的張力提供的約束效應開始抵抗橫向擴展。因此，在包裹區域，CFRP材料可以防止鋼管的外擴。在CFRP帶到達極限強度后，會發生突然的斷裂。根據CFRP約束鋼管混凝土短柱的試驗結果，簡化計算方法如下：

Nu,scf=Ascfscf

(3)

fscf=(1.14+1.02ξ+0.265αf-0.046ξf-0.902αf2 -0.024ξf2+0.732αfξf)fck

(4)

ξf=AfrpPf/(Acfck)

(5)

αf=b/(a+b)

(6)

其中，fscf指CFRP約束鋼管混凝土短柱的標準強度；Pf指CFRP布的標準強度；Asc和Afrp分別指組合柱和CFRP布的截面面積；ξf指CFRP布給鋼管混凝土柱的約束系數；αf指沿著組合柱高度方向的包裹比；b是纖維條的寬度，a是CFRP的包裹間距。

將計算承載力和試驗結果進行比較，見表4。結果表明，計算所得結果(Nu,c)和試驗結果(Nu,t)吻合良好。

表4 試驗和計算結果對比表

5 結論

5.1 CFRP約束圓鋼管混凝土短柱的失效模式主要包括：鋼管壁局部屈曲，CFRP纖維布的斷裂和核心混凝土壓碎。組合短柱的外凸曲主要位于未包裹區，表明CFRP纖維布的約束可以顯著的防止組合短柱的薄壁鋼管向外凸曲。

5.2 隨著鋼材強度和CFRP包裹層數的增加，CFRP部分包裹圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載能力逐漸增大，而當CFRP包裹間距增大時，其軸壓承載降低。CFRP參數的變化對組合短柱軸向剛度的影響不大。試驗結果表明，軸壓荷載作用下與CFRP全包裹的圓鋼管混凝土短柱相比，采用合理的部分包裹辦法也可以得到明顯的增強承載力的效果。CFRP部分包裹的鋼管混凝土短柱的軸壓荷載(N)-縱向壓縮應變(δ)曲線從峰值突然下降是由于CFRP碳纖維布的破裂和整體屈曲。隨著CFRP的斷裂，試件N-δ曲線出現突然下降。研究表明，其下降幅度與CFRP體積約束率有關。

5.3 在統一理論的基礎上，提出了軸壓荷載作用下CFRP約束圓鋼管混凝土短柱的簡化計算經驗公式，并通過試驗結果進行了驗證。簡化計算公式可以為CFRP應用于鋼管混凝土結構提供一種有效的設計方法。