一種新型組合結構柱的研究

黎洪秀

武漢理工大學交通學院 湖北 武漢 430063

鋼管混凝土柱作為一種經典形式的組合柱形式，誕生已有100多年的歷史，由于其在力學性能上得到學術界和工程界的認可且兼顧一定的景觀設計要求，已在土木工程領域廣泛使用[1-3]。

隨著科技的發展，在鋼管混凝土的基礎上，發展出了套管約束混凝土柱—即在梁柱節點處斷開，這樣在承受豎向荷載時，內部的混凝土承受軸壓，外面的套管僅為核心混凝土提供約束力，可以有效防止套管在節點處提前發生屈曲；同時，外部套管無需與梁進行連接，且可作為施工永久性模板，極大提高了施工效率。

然而，鋼套管約束混凝土柱存在著銹蝕問題，而FRP套管約束混凝土柱則有可能發生無預警性的脆性破壞，進而產生安全事故。本文提出將FRP和傳統的建筑材料（混凝土和鋼材）優化組合，形成FRP/鋼復合套管約束混凝土柱，并簡要闡明該結構特點、優越性及其適用領域，為研究和施工提供一定的理論指導和工程建議。

1. 鋼管約束混凝土結構

在國外，鋼管約束混凝土結構的優越力學性能早在1967年就由Gardner[4]發現。1985年，Tomii和Sakino等[5]首次提出了鋼管約束鋼筋混凝土柱（tubed column）的概念，以防止鋼筋混凝土框架短柱或邊柱發生剪切破壞。至今，已有大批學者對鋼管約束混凝土結構的靜力和抗震性能等方面進行了研究[6-7]。

在實際工程領域，鋼管約束混凝土結構，如超高層結構、橋梁結構及橋梁、房屋結構柱的加固和修復等，已開始得到大量的應用[8]。

然而，若鋼管約束混凝土柱承受荷載較大，必然要采用一定厚度的鋼管為核心混凝土提供足夠的約束力。外部鋼管的增厚，在自重增長的同時也加大了施工難度（厚鋼板不易彎折成鋼圓筒）；同等荷載條件下，若采用高強鋼管，造價又過高。另外，鋼管約束混凝土柱外部的鋼套管極易銹蝕，勢必會導致結構物的承載能力大幅度下降，不僅會帶來巨大的經濟損失，還會引起惡劣的社會影響。

2. FRP約束混凝土結構

纖維增強復合材料（FRP）是指由纖維和基體材料組成的一種新型材料。FRP具有高比模量、高比強度、良好的耐久性、自重輕和適用性廣等特點。在FRP約束混凝土結構中，FRP外部套管可為核心混凝土提供外部約束力，使核心混凝土處于三向受壓狀態，極大程度提高混凝土抗壓性能的同時也使混凝土具有了一定的延性[9]。已有大批學者對FRP約束混凝土結構進行了軸壓性能等方面的研究[10-11]。

目前，在土木工程領域中，FRP的應用主要集中在對已有結構的加固和在新建構件或結構對混凝土直接進行約束增強兩個方面。

然而，由于應用FRP材料成本較高，受制于初期造價，全面采用FRP材料作為外部套管無法在土木工程領域大面積推廣；其次，由于FRP材料無延性，導致其組合結構均為脆性破壞，這樣使得結構在無明顯預警現象的情況下承載能力突然下降，導致構件或結構破壞，對于結構的安全性有著極為不利的影響。

3. FRP/鋼復合管約束混凝土柱

3.1 可行性初步分析

GFRP和鋼材的泊松比都小于核心混凝土的泊松比，且兩種材料都可提供較高的環向剛度和強度，可為核心混凝土提供有效約束，增強混凝土強度的同時使其具有延性，為組合約束柱提供一定的安全儲備；GFRP材料為線彈性材料[12]，可在內部鋼材屈服的情況下提供額外的剛度，顯示為二次剛度，能有效減小組合柱的殘余變形，使其抗震性能得到進一步提升；另外，外部包覆的GFRP，可避免空氣與鋼管接觸，有效提高復合套管約束柱的耐久性。由此可見，GFRP/鋼復合套管約束混凝土柱可充分發揮兩者優勢，揚長避短。

3.2 其他問題和解決措施

研究GFRP/鋼復合管約束混凝土柱的關鍵問題有：GFRP、鋼管和核心混凝土三種材料之間的相互作用情況和各材料本構關系；GFRP/鋼復合套管的約束效應和鋼、GFRP與混凝土的截面配置率等。

根據作者設想，GFRP采用線彈性關系；假設GFRP套管與鋼套管之間不發生剝離，則可根據試驗所得GFRP的極限應變（約在18000）與鋼材極限應變之間的關系，將鋼材本構設置為理想彈塑性模型的模型（在GFRP極限應變時鋼材尚未進入強化階段[13]）；根據復合套管約束柱核心混凝土的受力特性，其核心混凝土擬借鑒已有鋼管約束混凝土結構的研究成果來確定。

參照現有鋼管約束混凝土柱的研究成果[13]，可將鋼管和混凝土之間的相互作用表示為鋼管的約束效應系數：

因此，鋼管和FRP對混凝土的總約束效應系數可表示為：

式(3)轉化成以下形式：

4. 結語

作者在鋼管約束混凝土柱和FRP約束混凝土柱的基礎上創新性提出FRP/鋼復合圓管約束混凝土柱，該復合管約束柱可充分發揮FRP高強度的特性，減小用鋼量、降低施工難度，并解決鋼管的腐蝕問題；此外，該復合管約束柱有著較好的延性。這些優點都有利于推動這種新型構件在工程上的應用，可見，此種構件具有良好的應用前景。