FRP-混凝土-鋼新型組合柱的研究進展

盛 黎

(浙江樹人大學城建學院,浙江 杭州 310015)

FRP-混凝土-鋼新型組合柱的研究進展

盛 黎

(浙江樹人大學城建學院,浙江 杭州 310015)

FRP作為一種輕質高強、抗腐蝕和耐疲勞的新型結構材料,在混凝土結構修復加固中得到廣泛應用。近年來,國內外學者為了更好地發揮傳統材料的優點,將FRP與混凝土和鋼材進行組合,提出了FRP約束鋼管混凝土柱、FRP約束鋼骨混凝土柱和FRP-混凝土-鋼混合雙管柱等多種新型組合柱。在此，圍繞這三類新型組合柱的研究現狀進行介紹,為FRP-混凝土-鋼組合柱在工程領域的進一步研究和應用提供參考。

FRP約束鋼管混凝土；FRP約束鋼骨混凝土；FRP-混凝土-鋼混合雙管；組合柱

FRP(Fiber Reinforeed Polymer/Plastic,纖維增強復合型料)作為一種在土木工程中被廣泛應用的新型結構材料,具有耐腐蝕、抗疲勞、比強度和彈性模量高等諸多優點,通過FRP與混凝土和鋼材的組合,能充分發揮三種材料各自的優點,形成新型組合構件。由于柱是結構體系中的主要受力構件,因此大量的研究工作都圍繞新型組合柱展開,主要包括以下三種：1)FRP約束鋼管混凝土柱(圖1a);2)FRP 約束鋼骨混凝土柱(圖1b)；3) FRP-混凝土-鋼混合雙管柱(圖1c)。本文將對這3種新型組合柱的研究現狀進行綜述,以便為FRP-混凝土-鋼組合柱的進一步研究和應用提供參考。

圖1 FRP新型組合柱

1 FRP約束鋼管混凝土柱的研究現狀

2003年,Xiao等[1]人率先嘗試使用CFRP(Carbon fiber reinforcecl polymer/plastic,碳纖維增強復合材料)在容易出現塑性鉸的部位附加橫向約束以控制鋼管的局部屈曲和更有效地約束混凝土。2005年,Xiao[2]對FRP約束混凝土柱作了分類闡述,特別強調采用FRP約束鋼管混凝土柱這類新型組合柱形式,有利于發揮FRP和鋼管對混凝土雙重約束的優勢。

1.1 FRP約束鋼管混凝土柱的軸壓性能研究

2005年,陶忠等[3-4]試驗研究了CFRP布約束鋼管混凝土柱的軸壓性能,結果表明CFRP約束鋼管混凝土柱不但能同時發揮CFRP和鋼管對混凝土的雙重約束作用,而且能提高試件的承載力和延性；同時還比較了鋼管截面形狀對CFRP約束效果的影響,在充分考慮CFRP和鋼管對混凝土的雙重約束效應后,推導得到CFRP約束鋼管混凝土柱極限軸壓承載力簡化公式,計算值與試驗值吻合良好。2006年,Teng等[5]對FRP約束徑厚比為60的鋼管混凝土柱進行軸壓試驗,結果表明在FRP約束下既能有效控制鋼管的局部失穩,又能顯著增強柱子的軸壓強度,并基于試驗結果給出了此類柱抗壓強度的理論計算模型。在文獻[6]中Teng等人進一步研究徑厚比為100的FRP約束鋼管混凝土柱軸壓性能,發現鋼管的局部失穩現象被推遲,抗壓強度明顯提高。Teng等[7]采用FRP約束混凝土柱應力-應變關系分析法[8],考慮由鋼管和FRP共同提供側向約束應力,以及側向應變的影響,推導出了包括主動約束模型、側向應變方程和總約束應力三個部分的應力-應變計算模型。M.C. Sundarraja等[9]研究了CFRP包裹層數對鋼管混凝土柱性能的影響,結果表明包裹3層CFRP布的鋼管混凝土柱的抗壓強度和延性遠高于包裹1層和2層CFRP布的鋼管混凝土柱,而且CFRP布的間距不宜過大,否則容易引起未被CFRP包裹的鋼管區域發生側向屈曲,從而導致承載能力未明顯提高。

王慶利[10]等早在2003年提出采用CFRP-鋼復合管約束混凝土柱的設想(圖2),旨在彌補CFRP管塑性差、鋼管易腐蝕的劣勢,同時節省用鋼量并減輕自重。隨后,王慶利、顧威[11-12]等人的研究表明在CFRP-鋼復合管的約束下,CFRP-鋼復合管約束混凝土短柱的軸壓承載力較鋼管混凝土柱明顯提高,并且隨著CFRP筒約束指標的提高而線性增長。王慶利[13]對圓CFRP-鋼管約束混凝土中、長柱的研究表明,長細比小的柱子發生強度破壞, 長細比大的柱子會發生穩定破壞,并將試件的荷載-撓度曲線分成彈性段、彈塑性段和軟化段三個階段,應用纖維模型法模擬了圓CFRP-鋼管混凝土軸壓構件的荷載-中截面撓度曲線,計算結果與試驗結果吻合良好。根據文獻[11]的試驗結果,2006年,顧威[14]采用極限平衡法推導出軸壓短柱在鋼管屈服和碳纖維斷裂兩種極限狀態下構件承載力的計算公式。2007年,于峰[15]等人研究認為FRP約束鋼管混凝土柱的承載力主要取決于非約束混凝土強度以及鋼管厚度,并根據彈性理論方法, 采用等效換算截面,以FRP對鋼管混凝土柱的約束效應系數ξf為參數提出了FRP約束鋼管混凝土柱承載力計算公式。同年,張常光[16]等采用雙剪統一強度理論,對CFRP-鋼管混凝土柱軸壓短柱進行承載力研究,分析了核心混凝土內摩擦角、中間主應力、鋼管厚徑比和CFRP粘貼層數對極限承載力的影響,提出了CFRP-鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力公式。2007年,王慶利[17]等人根據試驗結果[12],進一步分析了CFRP-鋼管混凝土軸壓短柱的受力全過程,將本構關系劃分為三個階段：彈性階段、彈塑性階段和下降階段,對應每個階段,采用試驗回歸,對已有的圓鋼管約束混凝土在軸壓力作用下的本構關系進行修正, 得出簡化表達式。隨后，為了深入了解圓CFRP-鋼管混凝土軸壓短柱的靜力性能,文獻[18]根據以上軸力作用下的應力-應變關系,采用纖維模型法模擬圓CFRP-鋼管混凝土軸壓短柱的荷載-變形關系,分析了鋼管約束效應系數和CFRP筒約束效應系數對圓CFRP-鋼管混凝土軸壓短柱力學性能的影響,計算值與試驗值吻合良好且偏于安全,同時將荷載—變形關系曲線進一步細分為四階段：彈性階段,彈塑性階段,塑性增強階段和軟化階段。

圖2 CFRP-鋼復合管約束混凝土柱

2007年,李國強[19]提出新型帶鏤空格子的鋼管外包FRP布內填混凝土柱的設想,通過軸壓試驗后發現新型混合柱具有鋼管混凝土柱和FRP約束混凝土柱共同的優點,具有高強度、延性大、費用低、抗腐蝕能力強等特點,軸向鏤空的強度較高,螺旋形鏤空的延性更好。

1.2FRP約束鋼管混凝土柱偏壓性能研究

2007年,王慶利[20]等人以文獻[21]的靜力試驗為基礎,對圓CFRP-鋼管偏壓作用下靜力性能展開理論分析,其結論是從加載之初直到最大承載力,沿截面高度的鋼管縱向應變分布符合平截面假定,在其他參數相同的情況下,側向撓度隨著偏心距或構件長度的增大而增大,在其他條件相同的情況下,同一載荷下的縱向應變隨著偏心距或試件長度的增大而增大,但達到屈服載荷時的縱向應變值卻十分接近。偏壓試驗表明CFRP-鋼管混凝土偏壓柱相對于鋼管混凝土偏壓柱的極限承載力有一定提高,且在彈性階段彈性模量略有增加,CFRP-鋼管混凝土偏壓柱的延性好于FRP筒內填混凝土偏壓柱。

2 FRP管約束型鋼混凝土柱的研究現狀

2009年,王連廣等[22-23]提出在GFRP管內設置型鋼,然后澆筑高強混凝土形成新型組合柱。這類組合柱一方面由于內部鋼骨受到周圍混凝土約束,能有效避免鋼骨局部屈曲的發生,提高組合柱的抗剪和抗震性能；另一方面由于混凝土能阻止GFRP(玻璃鋼)或(玻璃纖維復合材料)管這類薄壁構件發生局部屈曲,特別是在GFRP管的約束下,在外荷載作用時,核心混凝土的橫向變形受到限制,處于三向受力狀態,組合柱的抗壓強度和抗震性能均得到提高。

2.1 軸壓性能研究

王連廣等[22-23]通過對GFRP管鋼骨高強混凝土組合柱的軸壓試驗,發現組合柱承載力隨著GFRP管壁纖維纏繞角度減小和GFRP管壁厚度增加而增加,而且在荷載作用初期,GFRP管壁厚度對混凝土的約束作用均不明顯,當荷載達到極限荷載的70%以后,管壁較厚的GFRP管對混凝土的緊箍力相對較強。王連廣等[22-23]分別采用簡單疊加法和統一理論兩種計算方法, 建立組合柱軸心受壓承載力計算公式,并通過理論分析得出結論：隨著含骨率的增加,組合柱的承載能力和延性均增強。

2011年,KianKarimi等[24]研究了FRP布約束H型鋼混凝土柱的軸壓性能,提出了該類組合柱的簡化分析模型,并認為FRP布層數越多圓角半徑越大,組合柱的強度和延性均有明顯提高。隨后KianKarimi等[25]進一步研究不同長細比的FRP約束型鋼混凝土柱軸壓性能變化規律,結果表明短柱(長細比小于0.2)FRP的約束效果最好,隨著長細比增大,FRP約束效應越來越弱,長柱(長細比為0.9)的承載能力、極限應變和內核混凝土抗壓強度僅為短柱的59%、14%和51%。KianKarimi等[26]繼續研究了FRP管類型和摻入減縮劑對組合柱軸壓性能的影響,結果表明采用側向抗拉強度更高、破壞應變更小的FRP管抗拉強度和極限軸向應變分別提高約25%和20%,摻入減縮劑能使抗壓強度提高20%,軸向剛度提高22%,極限應變提高24%。KianKarimi等[27]通過進一步分析文獻[25]的試驗結果,認為隨著柱子直徑與FRP管厚度的比值、FRP管軸向剛度和型鋼與混凝土面積比的增大,組合柱的承載能力提高,隨著FRP管軸向剛度的提高,組合柱的長細比允許值也明顯增大。

2013年馮鵬[28]首次提出在FRP管內放置十字交叉型鋼,并在型鋼與FRP管空隙中填充砂漿(圖3)。通過對18個試樣的軸壓試驗,得出結論是柱子的承載能力提高44%～215%,延性提高了877%,并研究了十字交叉型鋼、長細比和外覆FRP層數對其產生的影響,推導出了應力-應變關系曲線和分段破壞模型。

圖3 FRP管約束十字交叉鋼骨砂漿柱

2.2 偏壓性能研究

2009年,王連廣等[29-30]通過8根GFRP管鋼骨高強混凝土組合柱偏心受壓試驗,表明組合柱承載力隨著GFRP管壁纖維纏繞角度減小和管壁厚度增加而提高,隨著長細比增大、偏心距增加而降低。通過試驗研究與理論分析,建立了GFRP管鋼骨高強混凝土偏心受壓組合柱承載力計算公式,理論計算結果與試驗結果吻合良好。采用纖維模型法編制了非線性分析程序,分析認為構件的承載力隨著混凝土強度、配骨率的增加而增大,隨著偏心率的增加而降低,且變化幅度相對明顯。

3 FRP-混凝土-鋼混合雙管柱的研究現狀

Teng等[31-32]于2003—2004年提出了內部鋼管,外部FRP管,中間填充混凝土的新型組合柱,被稱為FRP-混凝土-鋼雙壁空心管柱。外部FRP管主要用來約束混凝土和提高抗剪能力,當有需要時,中間中空部分也可填充混凝土,這類新型組合柱綜合了FRP、混凝土和鋼材三種材料的優勢,具有自重輕、耐腐蝕性好、延性好、無須進行防火防護等優點。

3.1 軸壓性能研究

Teng等[33]對6根FRP管-混凝土-鋼管雙管短柱進行軸壓試驗,發現纏繞1層FRP布的雙管柱軸壓強度未明顯提高,纏繞2層和3層FRP布的雙管柱軸壓承載力分別提高了27%和48%。余濤等[34-35]提出了一個能準確模擬各類約束混凝土的三維彈塑性-損傷本構模型,在此模型基礎上,余濤等[36]研究了FRP管硬度、鋼管硬度、管內空間大小等對該新型組合柱性能的影響,并對照試驗結果,提出了該組合柱在軸壓作用下應力-應變關系的計算模型。2008年,錢稼茹等[37]對雙管柱進行軸壓試驗后發現試件呈現三種破壞形態：1)FRP管纖維拉斷,鋼管未破壞；2)FRP管纖維拉斷,同時鋼管壓曲破壞;3)整體壓曲破壞。并針對這三種不同破壞類型,充分考慮了空心率、內層鋼管徑厚比、外層FRP管約束程度和加載方式的影響,推導出了應力-應變計算模型,計算值與試驗結果擬合良好。王娟[38]等應用薄壁圓筒的雙剪統一強度理論極限解,考慮材料中間主應力的影響和內圓鋼管的薄壁效應,提出了FRP管-混凝土-鋼管雙管短柱軸壓承載力計算公式,應用ANSYS軟件建立了組合柱在軸心壓力作用下的非線性有限元計算模型,得到了各構件極限承載力及應力-應變關系全過程曲線,并將有限元結果與理論公式計算結果、文獻試驗結果進行對比驗證,擬合良好；在此基礎上討論了荷載對構件縱向應力分布的影響以及鋼管厚徑、混凝土強度等對構件承載力的影響規律。2008年,Wong[39]等發現FRP管-混凝土-鋼管雙管柱雖然內部空心削弱了外部FRP的約束作用,但這種損失的約束作用完全可以由內部鋼管來補償,該組合構件中FRP對混凝土的約束效率與FRP約束實心混凝土柱基本相同,其應力-應變關系曲線也非常接近,此外該類雙管柱的受壓性能與空心率、鋼管徑厚比以及FRP管厚度有關。胡波和王建國[40]在平面應變條件下對FRP-混凝土-鋼混合雙管柱進行力學分析,考慮了混凝土和鋼管的彈塑性,提出了雙管約束混凝土應力-應變關系理論模型。

2006年,錢稼茹[41]等對3個FRP-混凝土-鋼雙壁空心管長柱進行了軸壓試驗,結果表明受壓側FRP出現剪切裂縫,受拉側無肉眼可見的裂縫,內鋼管彎曲,試件失穩破壞,隨著長細比增大,柱的承載力和變形能力下降,并提出了考慮長細比影響的雙壁空心管長柱的軸心受壓承載力計算式,計算結果與試驗結果吻合較好。

3.2 偏壓性能研究

余濤等[42]通過試驗研究了該組合構件在偏壓下的性能,研究結果表明在該空心構件中,FRP管對混凝土的約束作用與截面受力狀態有關,其中軸壓最大、純彎最小而偏壓居中。基于此，余濤等[42]提出了一個能夠適用于軸壓、偏壓、純彎的統一混凝土應力-應變關系模型,以用于該新型空心構件的設計。

3.3 往復荷載下組合柱的性能研究

2012年,余濤等[43]試驗研究了FRP-混凝土-鋼混合雙管柱在往復荷載作用下的軸壓性能,試驗表明,該雙管柱在往復荷載下表現出了較好的延性,而且其軸向應力-應變包絡線與單調荷載作用下雙管柱的應力-應變曲線基本一致。然后將試驗數據與單調荷載作用下雙管柱應力-應變模型和循環荷載下FRP約束混凝土應力-應變模型進行擬合,經過比較后發現，將兩類模型結合起來能夠更準確地預測試驗值。

錢稼茹和劉明學[44]通過9根FRP-混凝土-鋼雙壁空心管柱試件和4根混凝土-鋼空心管柱對比試件的低周反復荷載試驗,研究了FRP-混凝土-鋼雙壁空心管柱的抗震性能。結果表明,由于FRP的約束作用,雙壁空心管柱試件的承載能力大于混凝土-鋼空心管柱試件,變形能力和耗能能力也明顯大于對比試件。

4 結 語

FRP-混凝土-鋼新型組合柱的研究是一個較新的研究課題,仍需積累大量的試驗數據,為提出通用性的理論模型奠定基礎。對軸壓、偏壓和水平往復荷載作用下的構件破壞機理及參數分析都需要進一步開展研究,特別是針對實際工程中柱子在組合荷載作用下的力學性能和工程性能也有待開展和深入。

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Research Progress of the New Composite Column of the FRP-Concrete-Steel

SHENGLi

2016-10-14

盛 黎(1978—),女,浙江嘉興人,副教授,從事高性能材料方面研究。

TU323.1

A

1008-3707(2017)02-0007-05