FRP 約束鋼管混凝土柱的研究現狀綜述

鄭育文 謝志紅 甘思斌 黎佳和 韋嘉偉

（廣州航海學院航務工程學院）

0 引言

鋼管混凝土柱（簡稱CFST）是指在鋼管中填充混凝土形成鋼管和混凝土共同承受外荷載的結構構件[1]。自1879 年最先用于Severn 鐵路橋的橋墩，又于1897 年被John Lally 提出用于建筑房屋的承重柱，鋼管混凝土以其承載力高、延性好、抗震性能優異、施工便捷等優點，同時又能滿足現代工程結構向大跨度、超高層發展的需要，被迅速開發研究并廣泛應用于高層建筑、工業廠房和橋梁等重要建筑結構工程。據不完全統計，我國自20 世紀80 年代至今已有較多的高層及超高層建筑和橋梁采用鋼管混凝土柱作為承重柱[2]。

然而，鋼管與混凝土材料泊松比不一致造成鋼管在混凝土裂縫未完全開展階段中提供的環向約束作用較小、薄壁鋼管易發生局部屈曲導致承載力下降過快等問題使得鋼管混凝土柱力學性能仍然存在提升空間[3]。此外，鋼管混凝土在長期使用的過程中，面臨由于地震、火災、碰撞、腐蝕等不利外界因素或自身結構使用功能改變導致承載力不足的問題[4-6]。以上問題可通過對鋼管混凝土柱進行約束/加固解決。

過往研究表明，使用外部約束修復或加固混凝土結構可以有效地恢復混凝土結構的承載力和延性[7]。近年來，纖維增強復合材料（簡稱FRP）逐漸被廣泛應用于結構加固中，FRP 包裹加固混凝土柱技術是目前FRP 材料在土木工程結構應用最為普遍的技術之一。與外加鋼筋混凝土套、外加鋼構套、外加鋼板等傳統加固方法相比，FRP 具有優于建筑鋼材的輕質高強、耐腐蝕、抗疲勞等優異材料性能[8]，同時加固過程中不需要大型的機械設備，施工便捷快速，加固之后基本不需要后期維護，結構的正常功能使用基本不受影響。本文基于將FRP 應用于鋼管混凝土柱以改善其存在的力學性能問題和加固需求，對目前國內外FRP 約束鋼管混凝土柱的研究現狀進行了綜述。

1 鋼管混凝土柱

目前，國內外對鋼管混凝土柱的研究已達相當規模，并建立了鋼管混凝土柱的數據庫[9]，用來分析鋼管混凝土柱的性能。

韓林海等[1]對鋼管混凝土柱進行了系統的試驗研究和理論分析，研究結果表明：①鋼管混凝土短柱（長徑比L/D≤4）具有良好的承載能力和變形能力，圓形短柱在不同約束效應指標（衡量鋼管和混凝土的相互作用）下主要表現為腰鼓狀破壞和剪切型破壞，方形短柱則更多表現為局部屈曲破壞；②鋼管混凝土的軸向載荷-應變曲線在低約束下表現出應變軟化行為，在強約束下表現出應變硬化行為。此外，其他國內外學者針對鋼管截面形狀、強度、徑厚比和混凝土的類型、強度等變量先后對鋼管混凝土柱的軸壓性能進行了研究，值得注意的是部分研究表明鋼管混凝土存在鋼材、混凝土泊松比不同造成初始階段鋼管環向約束作用相對較低、薄壁鋼管易發生局部屈曲導致承載力下降過快等問題。

韓林海[4-5]、王慶利[6]等先后對鋼管混凝土在經受火災、長期荷載、腐蝕等不利因素的作用后的軸壓性能進行試驗研究，結果表明鋼管混凝土柱的承載力和剛度均有一定程度的削弱。Wang 等[10]通過側面沖擊具有軸向載荷的CFST 構件的試驗研究，發現試件的負載持續時間明顯減少。

從上述文獻中的結果可以總結得出：鋼管混凝土柱具有承載力高、延性好、抗震能力強等優越的力學性能，但由于存在初始階段鋼管環向約束作用較低、鋼管易發生局部屈曲等需要進一步改善的力學性能問題，且外界和時間等不利因素對力學性能發生削弱的鋼管混凝土加固或修復也需要進一步考慮。

2 FRP 約束鋼管混凝土柱

針對鋼管混凝土存在的力學性能問題和需加固問題，可采用外部約束對鋼管混凝土柱進行改善，采用FRP 進行約束就是其中一種較為有效并且便捷的形式。

Xiao 等[11-12]最先提出將FRP 應用于鋼管混凝土柱的概念，并將其命名為約束鋼管混凝土柱（簡稱CCFT）。通過CFRP 全約束鋼管混凝土柱的單調軸壓加載試驗[11]和CFRP 局部約束鋼管混凝土柱潛在塑性鉸區域（柱端）的側向往復加載試驗[12]，發現CCFT 具有更顯著的軸向載荷能力和變形能力，鋼管向外的局部屈曲因為外部FRP 的作用受到了良好的抑制和延緩。

在Xiao 的初步研究后，Tao 等[13]和王慶利等[14]先后通過試驗對CFRP 約束鋼管混凝土柱短柱的截面形狀、FRP 層數等進行了研究，結果可歸納為：①FRP 能較好的與鋼管協同工作，限制鋼管和混凝土的橫向變形，并且FRP 對方柱的約束效果要明顯比圓柱差；②兩種截面形狀的約束鋼管混凝土短柱均發生強度破壞，但FRP最終斷裂位置有所區別，圓柱的CFRP 沿中高部圓周隨機斷裂，而方柱的CFRP 主要在角部斷裂；③所有約束鋼管混凝土柱的荷載-撓度曲線分為彈性段、彈塑性和下降段三個階段；④FRP 的層數對約束鋼管混凝土柱承載力的提升效果明顯，但延性隨FRP 層數的增多反而可能降低（過大的FRP 約束使得FRP 容易受到鋼管屈曲的影響出現提前破壞）。張倚天等[15]發現在提高約束鋼管混凝土柱的承載力和延性上CFRP 均要優于GFRP 和BFRP。此外，Zhang 等[16]建立了FRP 約束鋼管混凝土面向設計的應力-應變模型。

相對于FRP 全約束鋼管混凝土柱的研究，FRP 條帶局部約束鋼管混凝土柱的研究非常少。已有少數研究中，Prabhu 等[17-18]用CFRP 條帶水平間隔約束鋼管混凝土柱，研究了條帶層數、條帶間距對鋼管混凝土柱承載力、破壞模式的影響，試驗結果表明，CFRP 條帶有效地延緩了柱的局部屈曲，柱的承載力隨層數的增加、間距的減小而增加。該研究對FRP 條帶水平間隔約束鋼管混凝土的約束機理分析并不深入，也未能夠提出適用的約束混凝土應力-應變模型和設計方法。

3 結語與展望

FRP 能夠適用于鋼管混凝土柱的性能提升和加固改造，通過FRP 約束能夠限制混凝土和鋼管的橫向變形，延緩鋼管的局部屈曲，極大地恢復或提升鋼管混凝土柱的承載力和延性，但是FRP 約束太大時，FRP 容易受到鋼管屈曲的影響提前破壞，而FRP 條帶局部約束形式能減輕或避免提前破壞的問題。同時，FRP 全約束形式導致混凝土壓碎后荷載提升剛度過大（該部分荷載對應的變形一般已超過正常使用極限狀態，此時應變強化的剛度不宜過大），采用FRP 條帶局部約束也能減少全約束形式出現的性能過余問題。目前對FRP 條帶局部約束鋼管混凝土柱的研究非常少，需要進行更多的試驗研究加以完善，并提出適用于FRP 條帶局部約束鋼管混凝土柱的設計模型。