軸壓下GFRP管混凝土鋼管組合柱的尺寸效應(yīng)*

李 文， 孟 瑞， 那 昱(. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 6338； . 上海送變電工程公司 (變電、土建)施工分公司， 上海 0035)

李 文1， 孟 瑞1， 那 昱2
(1. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318； 2. 上海送變電工程公司 (變電、土建)施工分公司， 上海 200235)

1 試驗概況

1.1 試驗概述及目的

1.2 材料性能

所選材料是否符合工程試驗要求對于試驗?zāi)芊耥樌M行有著重要影響，并且部分材料還要進行材料試驗，試驗所用材料的性能參數(shù)如表1～3所示.

表1 鋼材材料設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters for steel material

表2 GFRP管材料參數(shù)Tab.2 Material parameters for GFRP tube MPa

表3 混凝土配合比Tab.3 Mix ratio of concrete (kg·m-3)

1.3 試件設(shè)計及制作

試件參數(shù)設(shè)計及現(xiàn)場制作[6]如表4和圖1所示.

1.4 測點布置

測點布置示意圖如圖2所示.圖2a中H表示環(huán)向，Z表示縱向，圖2b為測點布置立面示意圖，圖2c為測點示意圖.

表4 試件參數(shù)設(shè)計Tab.4 Parameter design for specimens

圖1 混凝土攪拌及試件澆筑Fig.1 Concrete mixing and specimen casting

圖2 測點布置Fig.2 Arrangement of measuring points

1.5 測量設(shè)置

試件受壓時，為了測定試件能夠產(chǎn)生的最大軸向與環(huán)向變形，在試件上布置百分表，用于測定試件軸心受壓時所產(chǎn)生的位移，試件底部放置兩個百分表用于測定軸向位移.試驗中應(yīng)變片的數(shù)據(jù)通過DH3818靜態(tài)電阻應(yīng)變測量儀記錄.試件百分表布置與靜態(tài)電阻應(yīng)變箱的實物圖如圖3所示.

圖3 測量設(shè)置Fig.3 Arrangement of measurement

1.6 試驗加載

加載設(shè)備為YAW-5000微機控制電液伺服壓力試驗機，試驗機最大量程為5 000 kN.試驗加載方式為力控制加載，根據(jù)試件承載力不同分別采用1.5、2.0和2.5 kN/s的速率進行加載，具體加載方案為：采用分級加載方式，在預(yù)估極限承載力的70%之前，每一級荷載按照其預(yù)估極限承載力的10%加載，之后依次累加；當(dāng)達(dá)到極限承載力的70%之后，按照預(yù)估值的20%進行加載，每一級荷載都持荷約90 s，并記錄試驗數(shù)據(jù)，當(dāng)試件破壞時，停止數(shù)據(jù)記錄，即停止試驗.

2 試驗分析

2.1 試驗現(xiàn)象

8根試件試驗現(xiàn)象較為相似，以Ⅰ-1試件為例，其試驗現(xiàn)象為：試驗初始，先對試件進行預(yù)加載，試驗機上下承壓板與試件緊密接觸，待持荷穩(wěn)定后進行正式加載.在加載過程中，當(dāng)加載至63.3、126.6、189.9、253.2以及316.5 kN時，試件之上并無異常現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)變和軸向位移穩(wěn)步增長，壓力試驗機顯示荷載增長速率穩(wěn)定，此時試件處于正常的工作狀態(tài).當(dāng)加載至379.8 kN時，試件出現(xiàn)輕微的響聲，鋼管上1號應(yīng)變片讀數(shù)消失，截面1-1的7號應(yīng)變片讀數(shù)消失；當(dāng)加載至443 kN時，試件再次出現(xiàn)輕微聲響，鋼管上4號和6號應(yīng)變片讀數(shù)消失，F(xiàn)RP管截面3-3上的4號應(yīng)變片讀數(shù)消失；當(dāng)加載至506 kN時，試件出現(xiàn)較大響聲，并無明顯現(xiàn)象，但是試件在持荷時不穩(wěn)定；當(dāng)加載至538 kN時，承壓板頂部有混凝土輕微掉落；當(dāng)加載至569 kN時，試件在持荷時不穩(wěn)定，出現(xiàn)較大聲響，并發(fā)現(xiàn)FRP管上邊緣有輕微泛白；當(dāng)加載至601 kN時，混凝土出現(xiàn)輕微掉落，持荷時壓力試驗機采集到的荷載曲線先高后低最后保持穩(wěn)定，鋼管上5號應(yīng)變片讀數(shù)消失，應(yīng)變電阻箱上各個測點的應(yīng)變讀數(shù)均有較大變化.此時撤去架設(shè)在試件上的百分表以防止試件破壞時損壞儀器.繼續(xù)加載直至試件破壞.最終由壓力試驗機測得試件破壞荷載為626 kN.試件破壞模式為上端部FRP管受拉撕裂破壞，破壞截面混凝土部分被壓碎，試件加載以及破壞圖片如圖4所示.

圖4 Ι-1試件加載及破壞Fig.4 Loading and failure of Ι-1 specimen

圖5 Ⅰ組荷載應(yīng)變曲線Fig.5 Load-strain curves in group Ⅰ

圖6 Ⅱ組荷載應(yīng)變曲線Fig.6 Load-strain curves in group Ⅱ

由圖5、6可知，各個試件的曲線增長趨勢都較為接近，在加載初期應(yīng)變增長量較小，軸向應(yīng)變增長略高于環(huán)向應(yīng)變增長；隨著荷載的增加，試件產(chǎn)生較大的環(huán)向變形，具體表現(xiàn)為隨著試件尺寸增大，試件抵抗變形的能力減弱，表現(xiàn)出尺寸效應(yīng)[7].但是由于FRP管的約束作用，導(dǎo)致后期曲線的增速放緩，說明增加管壁厚度可以提高試件承載力、增強試件力學(xué)性能和減少尺寸效應(yīng)的影響.

2.3 極限承載力及應(yīng)力值變化

Ⅰ組和Ⅱ組試件極限承載力及應(yīng)力值如表5、6所示.由表5可知，在幾何相似的條件下，極限應(yīng)力并沒有因尺寸的增加而提高到相應(yīng)程度，而是隨著試件尺寸的增加，提高的幅度在減小[8].Ⅰ-C30-0.50-600-4.8試件的極限荷載為Ⅰ-C30-0.48-450-4.5試件的1.29倍，極限應(yīng)力值降低百分比為68%；Ⅰ-C30-0.46-750-4.0試件的極限荷載為Ⅰ-C30-0.48-450-4.5試件的1.95倍，極限應(yīng)力值降低百分比為61%.由表6可知，Ⅱ-C40-0.50-600-4.8試件的極限荷載為Ⅱ-C40-0.48-450-4.5試件的1.21倍，極限應(yīng)力值降低百分比為64%；Ⅱ-C40-0.46-750-4.0試件的極限荷載為Ⅱ-C40-0.48-450-4.5試件的1.71倍，極限應(yīng)力值降低百分比為53%.由此可知，試件承載能力并沒有因尺寸增大而提高到相應(yīng)程度.對于試件而言，隨著尺寸的增加，試件的極限承載力提升不超過2倍，但極限應(yīng)力值卻隨尺寸增大降低到約60%，表現(xiàn)出尺寸效應(yīng).無論是對Ⅰ組試件還是Ⅱ組試件而言，在承載能力的變化上均出現(xiàn)了明顯的尺寸效應(yīng)[9-10].

表5 Ⅰ組承載力及應(yīng)力值Tab.5 Bearing capacity and stress value in group Ⅰ

表6 Ⅱ組承載力及應(yīng)力值Tab.6 Bearing capacity and stress value in group Ⅱ

3 結(jié) 論

3) 在幾何相似性的基礎(chǔ)上，隨著截面尺寸增加，試件的承載能力提升不超過2倍，但極限應(yīng)力卻降低約60%，說明小尺寸試件與大尺寸試件的承載能力間并不存在明顯的關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)出尺寸效應(yīng).

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(責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Size effect of GFRP-concrete-steel tubular composite
columns under axial compression

LI Wen1, MENG Rui1, NA Yu2

(1. School of Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2. Power Transformation and Civil Engineering Branch Company, Shanghai Power Transmission and Transformation Engineering Company, Shanghai 200235, China)

In order to study the influence of size effect on the mechanical properties of GFRP-concrete-steel tubular composite columns, the mechanical properties of 8 specimens with different specimen sizes and different concrete strength grades under axial compression were tested and studied with the static loading method under the condition of satisfying the geometrical similarity. In addition, the failure phenomenon, load-strain curve, ultimate bearing capacity and stress value change of 8 specimens of composite columns were analyzed and compared. The results show that with increasing the specimen size, the deformation resistance of specimens decreases, and the size effect is obvious. With increasing the thickness of GFRP tube, the bearing capacity of specimens gets improved, the mechanical properties of specimens get enhanced, and the effect of size effect reduces.

GFRP-concrete-steel tubular composite column; size effect; compression specimen; axial compression; static loading; experimental study; load-strain curve; ultimate bearing capacity

2016-11-21.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51308028)； 黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃項目(12543023).

李 文(1969-)，男，河北唐山人，教授，碩士，主要從事組合結(jié)構(gòu)等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.20

TU 378.2

A

1000-1646(2017)04-0464-05

*本文已于2017-06-21 21∶19在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170621.2119.002.html