一種新型組合結(jié)構(gòu)柱的研究

黎洪秀

武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 湖北 武漢 430063

鋼管混凝土柱作為一種經(jīng)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(xué)性能上得到學(xué)術(shù)界和工程界的認(rèn)可且兼顧一定的景觀設(shè)計(jì)要求，已在土木工程領(lǐng)域廣泛使用[1-3]。

隨著科技的發(fā)展，在鋼管混凝土的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了套管約束混凝土柱—即在梁柱節(jié)點(diǎn)處斷開(kāi)，這樣在承受豎向荷載時(shí)，內(nèi)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(jié)點(diǎn)處提前發(fā)生屈曲；同時(shí)，外部套管無(wú)需與梁進(jìn)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(wèn)題，而FRP套管約束混凝土柱則有可能發(fā)生無(wú)預(yù)警性的脆性破壞，進(jìn)而產(chǎn)生安全事故。本文提出將FRP和傳統(tǒng)的建筑材料（混凝土和鋼材）優(yōu)化組合，形成FRP/鋼復(fù)合套管約束混凝土柱，并簡(jiǎn)要闡明該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、優(yōu)越性及其適用領(lǐng)域，為研究和施工提供一定的理論指導(dǎo)和工程建議。

1. 鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)

在國(guó)外，鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)越力學(xué)性能早在1967年就由Gardner[4]發(fā)現(xiàn)。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(fā)生剪切破壞。至今，已有大批學(xué)者對(duì)鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)的靜力和抗震性能等方面進(jìn)行了研究[6-7]。

在實(shí)際工程領(lǐng)域，鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)，如超高層結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)及橋梁、房屋結(jié)構(gòu)柱的加固和修復(fù)等，已開(kāi)始得到大量的應(yīng)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(zhǎng)的同時(shí)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(qiáng)鋼管，造價(jià)又過(guò)高。另外，鋼管約束混凝土柱外部的鋼套管極易銹蝕，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的承載能力大幅度下降，不僅會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)引起惡劣的社會(huì)影響。

2. FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)

纖維增強(qiáng)復(fù)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(qiáng)度、良好的耐久性、自重輕和適用性廣等特點(diǎn)。在FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)RP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(tài)，極大程度提高混凝土抗壓性能的同時(shí)也使混凝土具有了一定的延性[9]。已有大批學(xué)者對(duì)FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了軸壓性能等方面的研究[10-11]。

目前，在土木工程領(lǐng)域中，F(xiàn)RP的應(yīng)用主要集中在對(duì)已有結(jié)構(gòu)的加固和在新建構(gòu)件或結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土直接進(jìn)行約束增強(qiáng)兩個(gè)方面。

然而，由于應(yīng)用FRP材料成本較高，受制于初期造價(jià)，全面采用FRP材料作為外部套管無(wú)法在土木工程領(lǐng)域大面積推廣；其次，由于FRP材料無(wú)延性，導(dǎo)致其組合結(jié)構(gòu)均為脆性破壞，這樣使得結(jié)構(gòu)在無(wú)明顯預(yù)警現(xiàn)象的情況下承載能力突然下降，導(dǎo)致構(gòu)件或結(jié)構(gòu)破壞，對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全性有著極為不利的影響。

3. FRP/鋼復(fù)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(huán)向剛度和強(qiáng)度，可為核心混凝土提供有效約束，增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的同時(shí)使其具有延性，為組合約束柱提供一定的安全儲(chǔ)備；GFRP材料為線彈性材料[12]，可在內(nèi)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(jìn)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(fù)合套管約束柱的耐久性。由此可見(jiàn)，GFRP/鋼復(fù)合套管約束混凝土柱可充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。

3.2 其他問(wèn)題和解決措施

研究GFRP/鋼復(fù)合管約束混凝土柱的關(guān)鍵問(wèn)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(gòu)關(guān)系；GFRP/鋼復(fù)合套管的約束效應(yīng)和鋼、GFRP與混凝土的截面配置率等。

根據(jù)作者設(shè)想，GFRP采用線彈性關(guān)系；假設(shè)GFRP套管與鋼套管之間不發(fā)生剝離，則可根據(jù)試驗(yàn)所得GFRP的極限應(yīng)變（約在18000）與鋼材極限應(yīng)變之間的關(guān)系，將鋼材本構(gòu)設(shè)置為理想彈塑性模型的模型（在GFRP極限應(yīng)變時(shí)鋼材尚未進(jìn)入強(qiáng)化階段[13]）；根據(jù)復(fù)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(jié)構(gòu)的研究成果來(lái)確定。

參照現(xiàn)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(yīng)系數(shù)：

因此，鋼管和FRP對(duì)混凝土的總約束效應(yīng)系數(shù)可表示為：

式(3)轉(zhuǎn)化成以下形式：

4. 結(jié)語(yǔ)

作者在鋼管約束混凝土柱和FRP約束混凝土柱的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性提出FRP/鋼復(fù)合圓管約束混凝土柱，該復(fù)合管約束柱可充分發(fā)揮FRP高強(qiáng)度的特性，減小用鋼量、降低施工難度，并解決鋼管的腐蝕問(wèn)題；此外，該復(fù)合管約束柱有著較好的延性。這些優(yōu)點(diǎn)都有利于推動(dòng)這種新型構(gòu)件在工程上的應(yīng)用，可見(jiàn)，此種構(gòu)件具有良好的應(yīng)用前景。