CFRP圓鋼管混凝土中長柱軸壓承載力研究

鐘楚珩，冷 鋆，周金枝,，吳凌霄，付甜甜，周亞棟

(1.湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢430068; 2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，湖北 武漢430034)

0 引 言

近年來，隨著我國工程技術領域的不斷革新，對應用在橋梁、廠房和高層建筑上鋼管混凝土極限承載力的研究不斷涌現。目前，鋼管混凝土多應用于廠房、橋梁承重柱與拱肋，例如，廣州丫髻沙大橋是一座中承式鋼管混凝土拱橋，由6根鋼管混凝土組成。隨著鋼管混凝土日益普遍地應用于工程中，由于腐蝕、設計或施工考慮不周等情況導致安全事故發生的概率正日益遞增，使得對其結構承載能力修復加固的相關研究成為近年來的熱門。自20世紀以來，土木工程界國內外研究和應用的熱點就是如何利用各類纖維增強復合材料對鋼管混凝土進行加固修復。而使用CFRP纖維材料對鋼管混凝土構件進行加固與修復的工程實踐案例還是較少的。CFRP鋼管混凝土這類結構很好地權衡了施工和經濟的利弊，在增強鋼管混凝土極限承載力的同時，更能夠節省造價，具備優良的經濟效益。

目前，雖然已有對CFRP鋼管混凝土結構的相關探討，但大多集中在CFRP鋼管混凝土短柱與長柱的研究，針對中長柱的完整研究仍舊較少。如劉蘭等[1]提出了CFRP與鋼管混凝土結構，通過對FRP與鋼管混凝土短柱與中長柱的軸心受壓試驗，推導出了其極限承載力的適用設計公式；蔣治鑫等[2]對CFRP鋼管約束混凝土短柱進行了系統研究，并使用ABAQUS，仿真模擬得出了CFRP鋼管混凝土短柱軸心作用下的荷載-應變曲線與應力云圖，試驗與理論結果相吻合；顧威等[3]對CFRP鋼管混凝土短柱進行了軸壓試驗，分析了該類結構的等效緊箍力；侯敏等[4]對碳纖維布加固混凝土梁彎曲性能進行了試驗分析，提出了抗彎加固梁的極限承載力計算公式。

本文所研究的CFRP圓鋼管混凝土中長柱是一種新型組合結構，不僅可用于破損、陳舊的橋梁柱體加固與修復，更滿足現代化城市高聳、大跨、重載開發的需求，尤其適用于地震頻發區域的建筑。CFRP圓鋼管混凝土中長柱是通過制作圓鋼管中長柱，內部澆灌混凝土并且在鋼管外表面環向包裹CFRP，在發揮鋼管混凝土良好彈塑性的同時，利用CFRP高強的抗拉性能增強鋼管混凝土的軸向抗壓能力，以此加強鋼管混凝土的極限承載力，提高構件的抗彎剛度與延性，并防止其在較大側向撓度的情況下發生局部屈曲[5-8]。

本文的研究目的旨在探索CFRP圓鋼管混凝土中長柱極限承載力影響因素的同時，對研究該類構件極限承載力的試驗方法進行總結，分析這種新型CFRP—圓鋼管—混凝土組合結構的力學性能與其在工程應用中的可行性。因此本文對10個不同的CFRP圓鋼管混凝土中長柱進行了軸壓試驗，對試驗相關數據進行處理，分析CFRP圓鋼管混凝土中長柱的受力過程和破壞形態，探討試樣CFRP環向應變與荷載的變化關系以及試樣CFRP跨中側向荷載與位移的變化關系。

1 CFRP圓鋼管混凝土中長柱試驗

1.1 試驗試樣

本試驗共設計了10個試樣，其中有1個為短柱試樣，用來提供短柱承載力試驗值。試樣采用無縫鋼管，圓形截面，鋼材型號為Q235，其截面尺寸為D×t=165 mm×2.5 mm、165 mm×3.5 mm和165 mm×4.25 mm；內澆混凝土柱為圓柱體，直徑160 mm，柱長500 mm，1 000 mm和1 333 mm；同時上下端各加一蓋板，為正方形截面，邊長為385 mm，厚度為10 mm，材料為Q235鋼；核心混凝土采用自密實混凝土，設計強度為 C40，C50和 C60；CFRP層數：0，1，2和3。試樣具體參數如表1所示。

表1 試樣參數1）

1.2 試驗材料性能

試驗各材料的力學性能指標通過材料材性實驗確定?；炷亮⒎襟w強度和彈性模量分別由同條件下成型養護的立方試件和棱柱體實驗得到；鋼材強度與彈性模量由拉伸實驗確定，將試件所用鋼材加工成標準試件后，按照國家標準GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸實驗方法》的有關規定進行拉伸實驗。CFRP的拉伸強度和彈性模量等性能指標由拉伸實驗確定，參照現行國家標準GB/T 3354—1999《定向纖維增強塑性拉伸性能實驗方法》進行拉伸實驗。

本實驗采用自密實微膨脹混凝土，選用原料為425號普通硅酸鹽水泥；細骨料：天然河沙；粗骨料：天然砂石，最大粒徑為20 mm；水：自來水；另外添加外加劑：粉煤灰、減水劑、S95礦粉。混凝土配合比見表2?；炷恋牧W性能見表3。

表2 混凝土配合比（每立方米混凝土各材料的質量） kg/m3

表3 混凝土參數

試樣所用鋼材的力學性能見表4，試樣所用碳纖維布的性能指標見表5。

表4 鋼管參數

表5 CFRP參數

本試驗采用的應變片有兩種：貼在鋼管面上的縱向與環向應變片，貼在碳纖維布上的環向應變片。其技術參數見表6。

表6 應變片技術參數

制作完成后的CFRP圓鋼管混凝土中長柱試樣如圖1所示。

圖1 CFRP圓鋼管混凝土中長柱

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設備

試驗設備為500 t微機控制電液伺服壓力試驗機，在該試驗機上進行軸壓試驗。試驗加載與測量裝置示意圖如圖2所示，實際加載圖如圖3所示。在構件1/4等分點與底板處分別設置了5個位移計，用于測量側向位移與縱向位移；在鋼管外壁中截面處，沿周長平均布設縱向及環向電阻應變片共4對，測量鋼管外中截面處的應變；粘貼CFRP后在中截面處再設置4個應變片。采用18通道，采樣頻率為50 Hz的動靜態數據采集器DH3817F采集試驗數據。從試樣開始加載時進行數據采集，此時試驗機壓力表指針開始轉動，試驗過程中數據采集不間斷，直到試樣發生破壞停止采集。對比靜態應變采集器，動靜態數據采集器的優勢明顯，可以實時在線監測，同時具有警報、打印等功能，不再需要人工錄入數據，在軟件中便可繪制出圖形，節約人力成本，而且可以減少由于人工錄入所導致的錯誤，從而提高試驗過程中的整體工作效率[9-10]。

圖2 試驗加載與測量裝置示意圖

圖3 實際加載圖

1.3.2 試驗過程

試驗開始前，需對上下表面進行校準、找平，防止發生偏心受壓的情況。找平的方法為：在表面鋪上細砂后水平找平，為避免邊緣凹凸不平，再用鋼片塞入四角實現表面基本平整[11-12]。試驗時采用分級加載制，在彈性范圍內，每級荷載為預估極限荷載的1/10，當鋼管屈服后每級荷載約為預估極限荷載的1/15，每級荷載持荷約2 min后測量數據，接近破壞時慢速連續加載，每級荷載約為預估極限荷載的1/20，直至試驗機壓力表指針開始回零，此時荷載達到最大值[13-15]。本文將極限荷載定義為試樣所能承受的最大荷載。此時CFRP發生脆性破壞，并發出較大破裂聲響，繼續加載將發生彈塑性失穩破壞，為保證試驗人員安全，試驗終止。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象和破壞過程分析

1）試樣CM0-2.5

試樣CM0-2.5為對照試件，0層CFRP，試樣高度1 000 mm，長細比為24，鋼管壁厚2.5 mm，混凝土強度為C40。加載初始階段，試樣處于線彈性階段，鋼管應變變化較小，外形無明顯變化，此時混凝土起主導作用開始受壓；隨著荷載逐級增加，應變逐漸增大，中側位移亦增大；當荷載達到930 kN時，試樣進入塑性階段，此時混凝土已抗壓至破壞，鋼管開始受拉，荷載與應變增加速率減慢；荷載達到990 kN時，塑性發展明顯，鋼管逐漸屈服；荷載達1 052 kN時，荷載應變發展呈直線增加趨勢，跨中側向位移增速變大，鋼管表面膨脹明顯；荷載增至1 101 kN時，試樣達到極限承載力，此時荷載不再繼續增加，開始下降，試樣破壞失穩，可觀察到鋼管表面發生明顯屈曲，試驗結束，其跨中側向位移數據見表7，該試樣破壞形態如圖4所示。

圖4 CFRP圓鋼管混凝土中長柱試樣破壞圖

2）試樣 CM1-2.5

試樣CM1-2.5為CFRP圓鋼管混凝土中長柱，外層環向粘貼一層CFRP，試樣高度1 000 mm，長細比為24，鋼管壁厚2.5 mm，混凝土強度為C40。加載初始階段，與CM0-2.5相似，鋼管與混凝土均處于線彈性階段，CFRP與圓鋼管的變形均較小，兩者應變變化基本一致，動態觀察試驗數據，可知鋼管的應變變化稍快于碳纖維布；當荷載達到1 350 kN時，試樣進入彈塑性階段，此時混凝土已抗壓至破壞，鋼管受拉逐漸屈服，CFRP起主導作用開始受拉，可聽到CFRP部分脫粘的聲響；荷載達到1 443 kN時，試樣進入塑性階段，此時CFRP發出的聲響越來越頻繁，應變增速變大；荷載加至1 569 kN時，試樣達極限承載力，跨中側向位移增速變大，此時可聽到CFRP發出清脆響亮的破裂聲，此時CFRP已破壞，荷載值下降，無法繼續持荷；繼續加載，鋼管持續受拉進入塑性變形階段，此時碳纖維布破壞處的鋼管膨脹明顯，加載至試樣喪失承載力時，試樣破壞失穩，試驗停止，其最大應變與跨中側向位移數據見表7，該試樣破壞形態如圖4所示。

表7 極限承載力

3）試樣CS1-4.25與CL1-4.25

試樣CS1-4.25與CL1-4.25，其鋼管與碳纖維布的應變和位移變化現象均與試樣CM1-2.5相似，其最大應變與跨中側向位移數據見表7。試樣CS1-4.25的高度僅為試樣CM1-2.5的一半，但其達到極限承載力所需的時間更久，鋼管彎曲程度較小，破壞現象不明顯；試樣CL1-4.25的長度為試樣CM1-2.5的1.33倍，但其達到極限承載力所需的時間更短，鋼管彎曲程度較大，破壞現象更明顯。以上試樣破壞形態如圖4所示。

4）其余試樣

試樣 CM2-2.5、CM3-2.5、CM1-3.5、CM1-3.5-5、CM1-3.5-6與CM1-4.25，其鋼管與碳纖維布的應變和位移變化現象均與試樣CM1-2.5相似，其最大應變與跨中側向位移數據見表7。由于試樣CM3-2.5比試樣CM2-2.5多一層CFRP，則達到極限承載力所需的時間更久，其鋼管彎曲程度相對試樣CM2-2.5較小。而試樣CM1-3.5、CM1-3.5-5、CM1-3.5-6與CM1-4.25的加載時間和鋼管彎曲程度基本一致，以上試樣破壞形態如圖4所示。

2.2 極限承載力的影響因素分析

2.2.1 混凝土強度的影響

如圖5為不同混凝土強度試樣的碳纖維布跨中環向荷載—應變圖，由圖可知，加載前期斜率較大，應變增量較??；當加載達到試樣屈服強度時，斜率變的平緩，此時荷載少量增加但應變增加迅速；荷載加至極限承載力時，斜率變大，荷載迅速下落，同時應變增大。同理，如圖6為不同混凝土強度試樣的碳纖維布跨中側向荷載—位移圖，可以看出加載初期荷載—位移的變化類似荷載—應變，當構件達到極限承載力時，位移變速陡增，但荷載迅速下落?？芍跗贑FRP隨著鋼管一起處于彈性階段，受力較為均勻，此時混凝土主導抗壓；待鋼管開始屈服時，CFRP開始受拉，此時混凝土已抗壓至破壞；當試樣達到極限承載力時，CFRP發生脆性破壞，發出較大破裂聲響；繼續加載，由于CFRP已經發生破壞，鋼管繼續受拉進入塑性變形，承載力下降，變形繼續增加，直至破壞失穩。從圖5可以看出，增加混凝土強度，CFRP圓鋼管混凝土中長柱的碳纖維布跨中最大應變呈下降趨勢。從圖6可以看出，增加混凝土強度，CFRP圓鋼管混凝土中長柱的碳纖維布跨中側向位移呈遞增趨勢。

圖5 不同混凝土強度試樣的CFRP跨中環向荷載-應變圖

圖6 不同混凝土強度試樣的CFRP跨中側向荷載-位移圖

由表7和圖5、圖6可得出，C50的單層CFRP圓鋼管混凝土中長柱較C40的極限承載力提升11.5%，C60較 C50提升 3.95%，C60較 C40提升 15.9%。表明隨著混凝土強度的提升，CFRP圓鋼管混凝土中長柱的極限承載力呈明顯上升趨勢，而提升幅度有限，相較于CFRP層數的提升是較小的。

2.2.2 CFRP層數的影響

如圖7與圖8，其荷載-應變與荷載-位移變化現象與混凝土組相同。從圖7可知，增加CFRP層數后，碳纖維布跨中最大應變有大有小，無法準確預測其趨勢，其現象與混凝土強度對比組類似。從圖8知，增加CFRP層數，CFRP圓鋼管混凝土中長柱的碳纖維布跨中側向位移呈遞增趨勢。

圖7 不同CFRP層數試樣的CFRP跨中環向荷載-應變圖

圖8 不同CFRP層數試樣的CFRP跨中側向荷載-位移圖

由表7和圖7、圖8可得出，相較0層的圓鋼管混凝土中長柱，包裹1層CFRP的極限承載力提升了42.5%，2層較1層可提高18.9%，3層較2層可提高11.2%。這表明，加1層CFRP可大幅提高圓鋼管混凝土中長柱的承載力，而層數達到2層及以上時，承載力的增加幅度銳減。這說明單層碳纖維布對圓鋼管混凝土中長柱極限承載力的提升效果明顯，多層的提升效果則有限。

2.2.3 鋼管壁厚的影響

如圖9與圖10，其荷載-應變與荷載-位移變化現象與CFRP層數組相同。由圖9可知，增加鋼管壁厚，CFRP圓鋼管混凝土中長柱的碳纖維布跨中最大應變有大有小，無法準確預測其趨勢，其現象與混凝土強度對比組類似。從圖10可知，增加鋼管壁厚，CFRP圓鋼管混凝土中長柱的碳纖維布跨中側向位移有大有小，亦無法準確預測其趨勢。

圖9 不同鋼管壁厚試樣的CFRP跨中環向荷載-應變圖

由表7和圖9、圖10可得出，3.5 mm壁厚的單層CFRP圓鋼管混凝土中長柱較2.5 mm的極限承載力提升8.53%，4.25 mm較3.5 mm提升9.28%，4.25 mm較2.5 mm提升18.6%。表明隨著鋼管壁厚的增大，CFRP圓鋼管混凝土中長柱的極限承載力逐漸增加，增長總量小于混凝土強度與CFRP層數的影響。

2.2.4 長細比的影響

如圖11與圖12，其荷載-應變與荷載-位移變化現象與鋼管壁厚組相同。由圖11可知，增加長細比后，CFRP圓鋼管混凝土中長柱的碳纖維布跨中最大應變呈增加趨勢。由圖12可知，增加長細比后，CFRP圓鋼管混凝土中長柱的碳纖維布跨中側向位移呈遞減趨勢。

由表7和圖11、圖12可得出，長細比為24的單層CFRP圓鋼管混凝土中長柱較12的極限承載力降低 7.3%，32較 24降低 12.3%，32較 12降低18.7%。表明降低長細比對CFRP圓鋼管混凝土中長柱的極限承載力的提升影響在以上3種中屬最小。

圖11 不同長細比試樣的CFRP跨中環向荷載-應變圖

圖12 不同長細比試樣的CFRP跨中側向荷載-位移圖

3 結束語

本文對CFRP圓鋼管混凝土中長柱軸壓試驗進行了詳細說明，介紹了試樣的各項參數、試驗裝置、試驗方法并對試驗結果進行分析，得到以下結論：

1）通過進行CFRP圓鋼管混凝土中長柱軸壓試驗，可知當CFRP發生脆性破壞時，CFRP圓鋼管混凝土中長柱達到承載力極限，繼續施加荷載后鋼管發生明顯彎曲，最后試樣發生彈塑性失穩破壞。

2）通過試驗數據可以發現，影響CFRP圓鋼管混凝土中長柱極限承載力的因素主要為混凝土強度、鋼管壁厚、CFRP層數和長細比，其中CFRP層數影響最大，其次為混凝土強度與鋼管壁厚，長細比的影響最小。

3）混凝土強度從C40提升到C50與C60后，構件的極限承載力分別提升11.5%與15.9%；鋼管壁厚從2.5 mm提升至3.5 mm與4.25 mm后，構件的極限承載力分別提升8.53%與18.6%；CFRP層數從0層提升至1、2和3層后，構件的極限承載力分別提升42.5%、69.4%與88.4%；長細比從12提升至24與36后，構件的極限承載力分別降低7.3%與18.7%。

4）由試驗數據表明，適當提高混凝土強度等級可以增大中長柱的極限承載力；適當加大鋼管的壁厚，可以增大中長柱的極限承載力；增加CFRP的層數，可以增大中長柱的極限承載力，同時其延性也隨之提升，其中提升最為顯著的是增加1層CFRP，2層其次；適當降低構件的長細比，可以增大構件的極限承載力。因此從工程經濟的角度來看，增加CFRP層數來提高鋼管混凝土的極限承載力是經濟適用的。