碳纖維部分包裹圓鋼管混凝土長柱軸壓性能試驗研究

王偉，潘福婷，王穎

（1.合肥供水集團有限公司，安徽 合肥 230011；2.安徽新華學院城市建設學院，安徽 合肥 230088）

0 前言

碳纖維增強聚合物（carbon fiber reinforced polymer，以下簡稱CFRP）是一種纖維狀微晶石墨復合材料，以高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等優異性能極大程度地提高了構件的極限強度和延性，在加固工程中得到廣泛的應用[1～3]。另一方面，在高層建筑和高聳建筑中應用較多的鋼管混凝土柱，經常由于外鋼管的局部屈曲和腐蝕問題而導致構件的承載力下降[4～6]。在鋼管混凝土構件外層包裹CFRP材料，可以提高鋼管混凝土構件的承載力和耐久性[7～9]。

近年來，已有學者對CFRP包裹鋼管混凝土柱受力性能開展了一系列研究工作，王蘇巖等[10]研究了CFRP包裹的高強混凝土方柱的抗震性能，分析了不同加固方式對高強混凝土柱的位移延性、剛度退化和耗能能力的影響。段向攀等[11]對FRP-混凝土-鋼雙壁空心管柱進行了軸壓性能試驗，研究了空心率、徑厚比和FRP層數對混凝土峰值應力和應變的影響。Yu等[12]對FRP約束的鋼管混凝土柱進行了循環軸壓試驗，提出了循環軸壓荷載作用下的混凝土在約束下的應力—應變模型。以上針對CFRP約束的鋼管混凝土構件的研究，主要采用碳纖維全包裹的形式。針對部分包裹的鋼管混凝土柱，沈奇罕等[13]對CFRP部分包裹的圓鋼管混凝土短柱的偏壓性能進行了研究。王靜峰等[14]研究了CFRP間隔包裹帶脫空缺陷圓鋼管混凝土短柱的偏壓受力性能。試驗結果均表明，CFRP材料的包裹約束作用對鋼管混凝土短柱的承載力提高有顯著的作用。

以上研究主要針對組合短柱的力學性能分析，對于CFRP部分包裹的鋼管混凝土長柱的研究較少。本文將針對CFRP部分包裹的圓鋼管混凝土長柱的軸壓性能進行試驗研究，分析組合長柱在軸壓作用下的承載力、初始剛度、側向撓度以及關鍵部位的應力分布，得出構件的軸壓受力機理和破壞模態。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本試驗中設計的試件探討柱長細比、CFRP包裹層數和CFRP包裹間距對碳纖維部分包裹鋼管混凝土中長柱軸壓性能的影響規律，采用正交試驗設計法設計了9個構件的尺寸，研究三水平三因素對長柱軸壓承載力的影響以及敏感程度，對應的正交設計因素見表1，試件參數和構造詳見表2和圖1。

圖1 試件示意圖

因素水平表 表1

1.2 材料特性

所有外鋼管均選用名義屈服強度為345MPa的無縫圓鋼管，試驗前根據單向拉伸試驗實測了試件制作所用鋼材的力學性能參數，見表3所示。試件表面處理與纖維布粘貼按照《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》（CE?CS146:2003）[15]中相關規定進行，CFRP材料的力學性能指標見表4。C30的高自密實性的商品混凝土（SCC）的材性通過相同養護條件下制作的標準試塊進行材性試驗得到，實驗測得立方體抗壓強度為 31.2MPa，彈性模量為3.052×104N/mm2，根據 ACI規范[16]將其軸心抗壓強度標準值定為0.67fcu。

1.3 試驗加載裝置及量測

試驗在合肥工業大學結構工程實驗室500t液壓萬能試驗機上進行。試驗現場裝置及示意圖詳見圖2，試件兩端均采用50mm的刀鉸與鋼管焊接，同時保證鋼板與試件截面的幾何中心對齊，向柱端施加豎向荷載。在試件相互垂直的兩個平面內沿組合長柱高度方向等間距布置三個線性位移傳感器，以測量側向撓度。同時在試件的下端布置一個線性位移傳感器以測量試件的縱向壓縮量，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共布置了58個環向應變片，記錄應變量，得出應力分布，如圖4所示。

圖2 實驗加載裝置及其示意圖

圖3 位移計布置圖

圖4 應變片布置圖

試件設計參數 表2

鋼材特性 表3

CFRP材料特性 表4

正式加載前進行預加載，向柱頂端施加預計極限荷載的10%，保持2min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1/20，持荷4min后記錄數據，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。

2 試驗現象

對試驗進行全過程觀測，加載初期荷載較小，側向撓度變化較小，試件處于彈性階段，長柱的軸向變形隨著荷載的增大呈線性增長。當荷載達到極限荷載的60%～70%時，側向撓度隨荷載的增大開始明顯增加，鋼管壁上粘貼的膠層逐漸開裂剝落，并伴有輕微的“噼啪”聲音；當達到極限荷載的95%左右時，“噼啪”的聲音越來越密集，聲音越來越大，CFRP條帶邊緣有斷裂的現象出現；達到極限荷載后，試件承載力開始下降，而變形則迅速增大；加載停止后，試件的側向撓度有一定的回彈。

試驗結束后，剝除外層CFRP纖維，鋼管為彎曲破壞，剖開外鋼管后發現，核心混凝土破壞模式和外鋼管一致，發生彎曲破壞，如圖5所示，試驗加載后的軸壓長柱試件見圖6所示。

圖5 CFRP部分包裹鋼管混凝土長柱的失效模式

圖6 試驗加載后的軸壓長柱試件

3 試驗結果分析

3.1 軸壓荷載-軸向變形（N-δ）曲線

圖7所示為組合長柱的軸壓荷載—軸向變形（N-δ）曲線。在加載初期，試件處于彈性階段，承載力保持直線上升，直至接近極限荷載，然后隨著長柱的屈曲和柱中段的核心混凝土破碎，曲線急速下降。

3.1.1 長細比λ的影響

圖7（a）所示為不同柱長細比的組合長柱的軸壓荷載—軸向變形（N-δ）曲線。相比于長細比為65.7的試件AL13，長細比為34.3和51.4的長柱極限承載力分別增加了25.4%和7.1%。結果表明，長細比越小，組合長柱的極限承載力越大。

圖7 參數影響下長柱的軸壓荷載-縱向應變（N-δ）曲線

3.1.2 CFRP包裹層數n的影響

圖7（b）所示為不同CFRP包裹層數的組合長柱的軸壓荷載—軸向變形（N-δ）曲線。相比于未包裹CFRP纖維布的試件AL21，包裹層數分別為1、3和5層的試件AL22、AL12和AL23的極限承載力分別高2.8%、4.2%和6.0%。結果表明，FRP包裹層數對于組合長柱的極限抗壓強度影響不大，因為套箍約束的方式很難充分利用FRP的優良拉伸性能。此外，由于長柱的整體屈曲破壞，FRP層數對長柱的軸向初始剛度影響不明顯。

3.1.3 CFRP包裹間距a的影響

圖7（c）所示為不同CFRP包裹間距的組合長柱的軸壓荷載—軸向變形（N-δ）曲線。相比于未包裹CFRP纖維布的試件AL21，包裹間距分別為0、30、50和100mm的試件AL31、AL32、AL12和AL33的極限承載力分別提高了8.1%、4.2%、2.4%和1.0%。試驗結果表明，減小CFRP的包裹間距可以增大組合長柱的軸壓承載力，對初始剛度的影響較小。

3.2 柱高（H）-橫向撓度（μ）曲線

圖8所示為軸壓荷載作用下CFRP部分包裹鋼管混凝土長柱的柱高（H）—橫向撓度（μ）曲線。計算了不同軸向荷載作用下的撓度曲線，曲線呈半正弦波的形式。

圖8 長柱的柱高-橫向撓度（H-μ）曲線

圖9顯示了CFRP層數和CFRP間距對組合長柱柱高（H）—橫向撓度（μ）曲線的影響。結果表明，隨著CFRP層數的增加和CFRP間距的減小，長柱的橫向撓度相應增大。

圖9 參數影響下長柱的柱高-橫向撓度（H-μ）曲線

從試驗結果可以得出，部分包裹CFRP的約束作用可以提高鋼管混凝土長柱的極限承載力，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。

4 結論

本文對CFRP部分包裹的圓鋼管混凝土長柱的軸壓性能進行了試驗研究。基于上述研究結果，可以得出以下結論。

①在軸壓荷載作用下，組合長柱試件在受力過程中大致可以分為三個階段：彈性階段、彈塑性階段和下降階段。所有試件的破壞模式屬于延性破壞，即在達到極限荷載后，可以經歷較大變形，并保持一定的承載力。

②組合長柱的失效模式主要包括整體屈曲、CFRP纖維布的局部拉伸斷裂。大部分CFRP纖維布的拉伸應變不超過極限應變。結果表明，細長組合柱的軸向承載能力受CFRP條的約束作用影響不大。

③隨著柱長細比的增加，組合長柱的軸壓承載能力逐漸減小；CFRP包裹間距的增加會引發組合長柱的軸壓承載能力逐漸減小，橫向撓度逐漸減小；而當CFRP包裹層數增大時，其軸壓承載增大，橫向撓度逐漸增大。CFRP參數的變化對組合長柱軸向剛度的影響不大。試驗結果表明，采用合理的部分包裹辦法也可以得到增強承載力的效果。CFRP部分包裹的鋼管混凝土長柱的軸壓荷載(N)—縱向壓縮應變(δ)曲線從峰值突然下降是由于長柱的整體屈曲。