GFRP約束混凝土短柱力學性能及工程應用

崔玉奇 姜景山 戈宇 張九漢 高樂 徐凱 孟鵬飛 張超

【摘 要】GFRP約束混凝土短柱是在預先制成的GFRP管內澆灌混凝土形成的一種復合結構短柱，具有耐腐蝕、抗疲勞性好、施工方便、經濟效益好等優點。文章介紹了GFRP約束混凝土短柱的優點及其工作原理。從抗震性能和軸壓性能兩個方面闡述GFRP約束混凝土短柱力學性能的研究現狀，并結合GFRP約束混凝土短柱的工程應用，提出其未來研究的方向。

【關鍵詞】GFRP管;抗震性能;軸壓性能;工程應用

【中圖分類號】TU398.9 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0102-03

0 引言

縱觀我國目前的建筑結構形式，鋼筋混凝土結構得到廣泛應用，雖然鋼筋混凝土具有剛度大、整體性好、承載力高等優點，但是鋼筋的銹蝕和混凝土的開裂一直是困擾工程建設的大問題。GFRP混凝土柱不僅具備上述結構的優點，而且還能克服上述結構的缺點。自GFRP管混凝土誕生之日起，就吸引了廣大科學家的關注。近年來，隨著科學家對于其研究的深入，GFRP混凝土柱在高層建筑、橋梁結構、地下工程等工程中得到廣泛應用。

1 GFRP約束混凝土柱的基本原理及結構特點

1.1 基本原理

混凝土是一種脆性結構，受壓容易開裂。GFRP管是一種薄壁結構，受力容易彎曲。將混凝土澆灌進預先設計好的GFRP管中，由于澆灌了混凝土，GFRP管的彎曲受到了阻礙，因此可以延緩或者阻止GFRP管彎曲，而混凝土受到外圍GFRP管的約束，使其在受力狀態下處于三向受力，并且其開裂受到約束，使混凝土需要相對于原來更大的力才會開裂，提升了混凝土柱的延展性和承載力。

1.2 結構特點

（1）承載力高、抗震性能好。在GFRP管內灌注混凝土，使GFRP管的局部穩定性得到提高，同時GFRP管使混凝土在受力后開裂得到阻礙，使其需要在更高的作用力下才會開裂，提高了混凝土的核心承載力，使其表現出良好的抗震性能。

（2）耐腐蝕性好。GFRP管化學性能穩定，不會與酸堿鹽發生反應，能夠有效抵抗氯離子的腐蝕，可以代替不銹鋼材料，并且在惡劣環境下也能保持良好的工作性能，適合在沿海、地下潮濕環境中使用[1]。

（3）電性能好。GFRP材料是電磁中性，具有優良的絕緣性，能夠用來制作絕緣體，在高頻電的刺激下依然能夠保持良好的絕緣性，如今已被廣泛地應用于雷達天線罩之類的產品生產中。

（4）經濟效益好、施工方便。GFRP材料相對于其他纖維復合材料，價格便宜、取材便利。同時，GFRP管可作為施工過程中澆筑混凝土的模板，能節省模板費用，加快施工速度，也可以根據工程的需求，預先定制，節省施工時間，降低人工成本。

（5）防火性好。GFRP是一種電磁中性材料，具有傳熱慢、瞬時耐高溫等特點，使其在發生火災時可以減緩火勢的增大，使人們有更多的時間自救，也減緩了建筑物的坍塌速度，為摩天大樓之類的建筑的消防問題找到了解決辦法[2]。

（6）質量輕、比強度高。相對于普通鋼材，GFRP的質量輕，甚至比鋁還輕，但是其機械強度接近于碳素鋼，使其能夠成為結構受力構件，同時GFRP的比強度高，其比重為1.4～2.0，而鋼材的比重接近其4倍。

（7）可設計性好。GFRP材料可以根據工程的使用環境、荷載要求等，改變原料的數量比例等，設計出在特定方面專用的產品。

2 GFRP約束混凝土柱力學性能的研究

2.1 GFRP約束混凝土柱抗震性能研究現狀

顧冬生對于5根高軸壓比GFRP短柱進行試驗，探求GFRP加固高軸壓比鋼筋混凝土短柱的抗震性能。試驗結果表明，GFRP加固高軸壓比鋼筋混凝土短柱的延展性更好和承載量更大，相對于普通混凝土柱試件，具有較好的抗壓性能[3]。

Saadatmanesh通過FRP加固矩形截面鋼筋混凝土橋墩滯回性能試驗探求其抗震性能，試驗結果表明，加固后的試件的延展性和耗能能力得到了提升，其核心承載力得到了提高，具有良好的抗震能力[4]。

卓衛東和范立礎通過擬靜力和地震模擬振動臺模型試驗探求GFRP管-混凝土組合橋墩的抗震性能，其模擬的數據是1.28%。實驗結果表明，GFRP管-混凝土組合橋墩具有良好的抗震性能，相對于普通混凝土橋墩，其在地震中損壞的概率大大降低[5]。

Shao和Mirmiran在低周反復加載的情況下，探求GFRP管的纖維鋪設層數和加鋼筋是否對GFRP約束混凝土抗震性能有影響，實驗結果表明，纖維鋪設層數沿縱向較少時，GFRP約束混凝土柱發生脆性破壞的可能性較低，纖維鋪設層數沿縱向較多時，GFRP約束混凝土柱發生脆性破壞的可能性較高，同時GFRP管混凝土柱鋪設適量的鋼筋能夠有效地改善其抗震性能[6]。

從上述實驗看出，GFRP管能夠有效地提高混凝土柱的抗震性能，并且其衍生出的其他GFRP管混凝土結構也能有效地提高混凝土柱的抗震性能，目前對于GFRP約束混凝土的短柱的抗震性能的實驗研究已經較為充足，但是對于長柱及衍生出的其他GFRP再生混凝土柱及鋼骨混凝土柱的抗震性能的研究還是較少的，需要學者們進一步實驗，探求更多有關GFRP管混凝土柱中的實驗參數對于其抗震性能的影響。

2.2 GFRP約束混凝土軸壓性能的研究現狀

王清湘等人在2009年通過有無GFRP套管鋼筋混凝土短柱軸壓性能的對比試驗，探求GFRP管的受力方式，混凝土強度等對于GFRP套管鋼筋混凝土組合短柱軸壓力學性能的影響，試驗表明，混凝土的強度和變形能力在配置GFRP管后得到很大的提升[7]。

楊俊杰等人在2014年通過GFRP約束混凝土柱承載力軸壓性能試驗得出纖維鋪設角度混凝土強度對GFRP約束混凝土柱極限承載力和延展性的影響。試驗結果表明，隨著纖維鋪設角度的增加，混凝土柱的承載力和極限應變減小，隨著混凝土強度的增高，混凝土柱的承載力增加，但是極限應變力有所下降[8]。

宋志剛等人為了將GFRP約束混凝土更好地應用到實際施工中，對于其承載力進行研究，通過ABAQUS模擬分析，探求其壁厚、混凝土強度、鋼骨剛度及其截面面積對于柱的軸壓性能的影響，通過控制其他變量一致，改變要研究的變量，通過有限元軟件讀取其極限承載力，探求相關變量對于GFRP管混凝土軸壓性能的影響。實驗結果表明，壁厚、混凝土強度、鋼骨強度及其截面面積的增加能夠使軸壓性能提高[9]。

張東興等人為了探求GFRP管增強混凝土柱的力學性能，在單軸壓力的情況下進行了試驗研究，試驗結果表明，受GFRP管的約束，混凝土柱的強度和韌性得到了較大提升，從而證實了GFRP管約束混凝土的可行性[10]。

周樂等人為了研究FRP管的纖維纏繞角度、管厚對GFRP約束混凝土軸壓性能的影響，進行了4根FRP管約束混凝土柱軸壓性能試驗，試驗結果表明，FRP約束混凝土柱的軸壓性能隨著FRP管的纖維纏繞角度增大而減小，隨著FRP管纖維纏繞角度的減小而增大，同時隨著FRP管直徑的增大，FRP約束混凝土的軸壓性能增強[11]。

上述實驗主要探求各種實驗參數對混凝土柱軸壓性能的影響，并總結得出規律。考慮到組合柱通常處于偏心受壓的情況，對于在該種情況下的實驗研究還需加強，同時考慮到GFRP管的特點，學者也可以依據GFRP管的特點，在具體的情況下開展實驗研究，使GFRP管的優點得到充分利用。

3 工程應用

鑒于GFRP管混凝土柱的價格相對于其他纖維復合混凝土短柱的價格便宜，自面世以來，它得到廣泛應用?？紤]到GFRP材料的防火性、承載力高及耐腐蝕等特點，它在下列工程中起到了很大的作用。

（1）高層建筑結構。GFRP約束混凝土柱由于抗震強、承載力高等特點，所以在高層建筑中得到推廣，其優化了高強度混凝土柱的脆性問題，在一定程度上解決了高層建筑的胖柱問題，同時解決了鋼管混凝土的銹蝕問題，極大地提高了混凝土柱的使用壽命。

（2）橋梁工程結構。橋梁工程跨度大，GFRP約束混凝土短柱彈性性能好，很好地滿足了大跨度結構的需求。同時，對于橋梁入水部分特別是要浸泡在海水中部分，GFRP作為一種耐腐蝕材料能夠延長工程的使用壽命。

（3）地下工程。由于地下環境潮濕，所以鋼筋容易生銹，使鋼筋混凝土柱的使用壽命大打折扣，導致工程質量降低，并且提高了日常維護成本，而GFRP材料優秀的耐腐蝕性能夠在惡劣的環境中保持良好的工作性能，能延長地下工程的使用壽命，同時GFRP材料便宜，為建設單位節約了成本。

（4）防護工程。混凝土是一種脆性結構，在防護工程遭受爆炸和沖撞時極易開裂，因此普通混凝土不滿足防護工程的防護要求，以前主要采用增強混凝土的強度和鋼纖維混凝土增強防護工事的防護強度，而混凝土的脆性會隨著強度的增大而增大，鋼纖維會造成混凝土結塊，對于提升防護工事的防護性起不了太大的作用。如今，應用GFRP混凝土可以杜絕上述問題，并且能夠提升防護工事的強度。

4 應用前景與展望

隨著綠色環保的建筑概念深入人心，以及我國建筑節能標準的不斷提高，GFRP管將更多地被應用到建筑中，節約建筑成本。GFRP管在原材料、生產工藝的開發過程中能減少污染，并且可以將GFRP以其他形式應用于建筑中，充分利用GFRP材料的優點[11]。目前，實驗研究主要集中于對短柱的研究，而實際應用中長柱才是主體，所以要加強對長柱狀態下GFRP約束混凝土力學性能的研究。

為了節約經濟成本，最大限度地發揮GFRP管的優勢，人們需要在設計使用GFRP約束混凝土柱的時候，找到GFRP管最佳的徑厚比，防止管壁太薄，導致GFRP管的約束能力不夠，也要防止管壁太厚，導致材料的力學性能不能得到充分發揮[12]。

5 結語

GFRP管混凝土是由GFRP管和混凝土組合的結構，隨著人們對于耐火性和抗震性能及經濟效益的追求，人們可以基于現有的材料組合出類似GFRP鋼骨混凝土柱的其他新結構，綜合各種材料的優點。隨著各種新型材料的面世，會涌現更多具有良好力學性能的組合材料。

大量的實驗和工程應用表明，GFRP管能提高混凝土的性能，兩者的結合既保留了雙方了優點，又解決了兩者的問題?；炷磷柚沽薌FRP管薄壁結構局部發生彎曲，而核心混凝土又因為GFRP管的約束提高了核心承載力，但是目前的研究還局限在低周反復荷載和短柱領域，未來需要學者做更多的實驗予以補充和完善。

參 考 文 獻

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[4]H Saadatmanesh，M R Ehsani，L Jin.Seismic ret-rofitting of rectangular bridge columns with composite straps[J].ACI Structural，2002，99（1）：72-80.

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