CFRP圓鋼管混凝土短柱偏壓試驗(yàn)研究

吳凌霄， 周金枝， 冷 鋆， 龍宇華

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

鋼管混凝土是建筑結(jié)構(gòu)中最基本的承重結(jié)構(gòu)之一，在近幾十年的工程實(shí)踐中一直被廣泛使用，有著良好的建筑效果。然而，隨著越來越高的承載力需求，為提高構(gòu)件的承載力，最常見的做法就是選用更高強(qiáng)度的混凝土和鋼管來替換，或提升鋼材的含量，但這些方法往往會(huì)帶來更高的工程施工難度和更低的經(jīng)濟(jì)效益。因此，需要一種新型結(jié)構(gòu)來改善這個(gè)局面。

碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)是一種具有輕質(zhì)高強(qiáng)、易于操作和日益低廉的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料。王慶利[1-3]提出CFRP鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，這是一種在鋼管內(nèi)部澆灌混凝土，在鋼管外表面包裹CFRP的新型組合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是在鋼管混凝土的基礎(chǔ)上用碳纖維布替代部分鋼材和鋼管一起約束混凝土。由于碳纖維布擁有低于鋼材的泊松比，高于鋼材的強(qiáng)度和相似的彈性模量，因而可以和鋼管協(xié)同工作對混凝土提供更大的緊箍力。和鋼管混凝土一樣，CFRP鋼管混凝土同樣可以利用三向受壓混凝土強(qiáng)度高這一優(yōu)點(diǎn)，并有著更高的承載力。

近年來，國內(nèi)外已有許多學(xué)者[4-6]對CFRP鋼管混凝土柱開展了軸壓性能、受彎性能、穩(wěn)定性能和抗震性能等方面的試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬、理論分析等的相關(guān)研究工作，其中武漢大學(xué)劉蘭[7]針對三種FRP鋼管混凝土短柱進(jìn)行了軸心受壓的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬;大連海事大學(xué)顧威[8]針對CFRP鋼管混凝土中長柱進(jìn)行了軸心受壓的試驗(yàn)研究和理論分析;沈陽建筑大學(xué)王慶利[9]針對圓截面CFRP鋼管混凝土柱進(jìn)行了受彎性能的試驗(yàn)研究。相關(guān)研究主要集中在軸壓和受彎的力學(xué)性能上，然而在實(shí)際工程里，柱經(jīng)常會(huì)同時(shí)受到壓力和彎矩的作用，所以在既有的CFRP鋼管混凝土短柱軸壓的基礎(chǔ)上尚應(yīng)研究偏壓構(gòu)件的力學(xué)性能。目前針對CFRP圓截面鋼管混凝土短柱的偏壓試驗(yàn)研究較少，研究方向主要集中在長細(xì)比和偏心距對其極限承載力上[10]，本試驗(yàn)在此基礎(chǔ)上為探討不同強(qiáng)度混凝土、不同含鋼率和不同CFRP層數(shù)對CFRP圓截面鋼管混凝土偏壓短柱極限承載力的影響，對11根環(huán)向全包裹CFRP圓鋼管混凝土短柱進(jìn)行偏壓試驗(yàn)和分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件采用Q235圓截面鋼管，外徑為165 mm，內(nèi)徑分別為160.75 mm，161.5 mm和162.5 mm，長度為500 mm。鋼管兩端均加有一正方形截面鋼板，邊長為380 mm，厚度為10 mm，材料與鋼管相同。本次試驗(yàn)的主要參數(shù)為偏心距：0，20，40，60 mm；CFRP層數(shù)：0，1，2，3；鋼管壁厚：2.5，3.5，4.25 mm和混凝土強(qiáng)度：C40，C50，C60。試件具體參數(shù)如表1所示。

表1 試件參數(shù)

對比偏心距：CF-1、CF-2、CF-3、CF-4; 對比混凝土強(qiáng)度：CF-2、CF-5、CF-6; 對比含鋼率：CF-2、CF-7、CF-8; 對比CFRP層數(shù)：CF-2、CF-9、CF-10、CF-11。

1.2 試件制作

1.2.1試件所用材料性能本次試驗(yàn)采用自密實(shí)混凝土，原料選用525號(hào)硅酸鹽水泥、自來水，硅砂為細(xì)骨料，最大粒徑為20 mm的石灰?guī)r為粗骨料，另添加適量粉煤灰、高效減水劑和S95礦粉，具體配合比和混凝土參數(shù)如表2和表3所示。試驗(yàn)采用無縫鋼管和單向碳纖維布，其主要性能如表4和表5所示。

表2 混凝土配合比 kg

表3 混凝土參數(shù)

表4 鋼材參數(shù)

表5 碳纖維布參數(shù)

1.2.2試件的制作首先將鋼管和兩端蓋板按設(shè)計(jì)尺寸加工，將其中一端蓋板與鋼管焊接，保證兩者的軸心對齊，另一端蓋板于混凝土養(yǎng)護(hù)完成后再焊接。將混凝土從豎立的鋼管頂端倒入，倒入時(shí)使用振搗棒振搗至密實(shí)，為防止因混凝土在養(yǎng)護(hù)時(shí)出現(xiàn)收縮而導(dǎo)致鋼管內(nèi)頂部混凝土部分缺失，在澆筑混凝土?xí)r將混凝土略高出于鋼管，待其硬化后再進(jìn)行打磨找平。試件養(yǎng)護(hù)采用28天自然養(yǎng)護(hù)。

混凝土養(yǎng)護(hù)完成后用角磨機(jī)和砂紙對鋼管表面進(jìn)行除銹除污處理，將樹脂和固化劑按2∶1的重量比混合在一起，攪拌3 min直至混合均勻，用配制好的浸漬膠將事先裁剪好的碳纖維布(搭接長度為10 mm)粘貼在鋼管表面，本次試驗(yàn)粘貼方式采用環(huán)向全包裹，粘貼時(shí)先用滾筒刷將浸漬膠在需要粘貼CFRP的鋼管表面部位涂抹一遍，再將CFRP包裹在鋼管表面，在纖維布表面再涂抹一遍膠水，使膠水浸透纖維布。粘貼完成后在試件表面覆蓋一層塑料膜，養(yǎng)護(hù)一周后拆除。

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)在湖北工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)大廳的5 MN微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，為達(dá)到偏心加載的效果，在試件兩端放置模具刀鉸，試驗(yàn)中移動(dòng)模具位置即可改變偏心距，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)兩端鉸接的邊界條件。為保證試驗(yàn)過程中試件和加載板有較好的接觸，在加載前對兩端鋼板打磨找平處理。正式加載前，為了確保試件的布置妥當(dāng)和儀器的正常使用，以10%的極限承載力理論計(jì)算值的荷載對試件進(jìn)行2次預(yù)加載。試驗(yàn)采用分級(jí)加載制，正式加載時(shí)，試驗(yàn)初期每級(jí)以極限承載力理論計(jì)算值1/10的荷載大小進(jìn)行加載，儀器讀數(shù)在每級(jí)加載后采集，每級(jí)荷載進(jìn)行3 min的持載，當(dāng)荷載加載至極限承載力理論計(jì)算值的60%后，每級(jí)加載值調(diào)整為極限承載力理論計(jì)算值的1/15。當(dāng)荷載加載至臨近極限承載狀態(tài)時(shí)，適量減緩加載速度，連續(xù)記錄讀數(shù)，直到荷載不再增長降至極限承載力理論計(jì)算值的80%時(shí)，此時(shí)試件鼓曲嚴(yán)重不宜繼續(xù)受載，停止試驗(yàn)。

圖 1 試驗(yàn)裝置

1.4 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)中，通過與試驗(yàn)機(jī)配套的力傳感器記錄試件的承載過程；將4個(gè)環(huán)向應(yīng)變片和4個(gè)縱向應(yīng)變片分別粘貼于鋼管的中截面對稱分布4點(diǎn)處，用來測量鋼管的環(huán)向和縱向應(yīng)變;將4個(gè)環(huán)向應(yīng)變片粘貼于CFRP管的中截面對稱分布4點(diǎn)處，用來測量CFRP的環(huán)向應(yīng)變;將兩個(gè)縱向位移計(jì)對稱布置于試件的受拉受壓兩側(cè)，用來測量試件的縱向位移;將3個(gè)側(cè)向位移計(jì)布置于試件受拉側(cè)沿高度方向四等分點(diǎn)處，用來測量試件的側(cè)向撓度。具體布置如圖2所示。

圖 2 試件布置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞形態(tài)

試驗(yàn)初期階段，試件沒有明顯的變化；當(dāng)荷載達(dá)到約極限承載力預(yù)估值的70% 時(shí),斷斷續(xù)續(xù)可以聽到一些輕微的黏膠開裂的聲音；當(dāng)荷載達(dá)到約極限承載力預(yù)估值的90%時(shí)，試件中截面受壓區(qū)向外凸曲，凸曲處的CFRP開始斷裂，由于CFRP提供了一部分緊箍力，此時(shí)試件變形并不顯著；當(dāng)荷載近乎達(dá)到極限承載力預(yù)估值時(shí)，此時(shí)鋼管受壓側(cè)中截面處凸曲明顯，凸曲處四周CFRP斷裂，試件變形明顯加大；當(dāng)荷載不再增長并降到約極限承載力預(yù)估值的80%時(shí)，鋼管受壓側(cè)中截面處凸曲嚴(yán)重，試件受壓側(cè)中部及中上部CFRP完全斷裂，試件已明顯彎曲，為保證試驗(yàn)安全，不宜繼續(xù)加載，試驗(yàn)結(jié)束。

以上現(xiàn)象表明，偏壓短柱在到達(dá)極限承載力后仍然可以保持一定的承載能力，屬于典型的延性破壞。試件受壓側(cè)中截面處鋼管嚴(yán)重凸曲使得凸曲處周圍大量CFRP發(fā)生斷裂，而受拉側(cè)并無明顯變化。

圖 3 試件破壞圖

2.2 極限承載力

試件的極限承載力試驗(yàn)值和極限承載力計(jì)算值如下表所示，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果之比的平均值為1.01，標(biāo)準(zhǔn)差為0.026，試驗(yàn)值與理論值較為吻合。

表6 各試件的承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

2.2.1偏心率的影響為方便計(jì)算，本組試件的核心混凝土半徑rc取80 mm，偏心率e=e0/rc。由表6可知，試件極限承載力隨著偏心率的增加有了明顯的下降。與偏心率為0的1號(hào)軸壓短柱相比，偏心率e=0.25,0.5,0.75的偏壓試件極限承載力分別降低了12.4%，31.3%，38.6%，對比相鄰試件，偏心率為0.5的試件較于0.25的極限承載力降低了21.6%，偏心率為0.75的試件較于0.5的極限承載力降低了10.6%，說明雖然試件極限承載力隨著偏心率的增長而降低，但下降幅度也在逐漸減少。

2.2.2混凝土強(qiáng)度的影響由表6可知，隨著試件混凝土強(qiáng)度的提高，偏壓短柱的極限承載力有所提升。C50和C60的試件較于C40極限承載力提升了11.6%和18.6%，而C60較于C50只提高了6.2%,這表明雖然混凝土強(qiáng)度的提升可以提高偏壓短柱的極限承載力，但提升幅度有限。

2.2.3含鋼率的影響由公式α=AS/AC(式中α為含鋼率，AS為鋼管橫截面積，AC為混凝土橫截面面積)和表6可知，含鋼率為0.09和0.11的偏壓試件較于0.06的極限承載力提高了25.8%和33.6%，含鋼率為0.11的偏壓試件較于0.09的極限承載力提高了6.2%，說明隨著含鋼率的增長，偏壓短柱的極限承載力能得到一定的提升，提升幅度大于混凝土強(qiáng)度。

2.2.4 CFRP層數(shù)的影響由表6可知，包裹CFRP1,2,3層的偏壓試件較于沒有包裹CFRP試件的極限承載力分別提升了19.9%，37.3%，62.9%，對比相鄰試件，2層試件較于1層提高了14.5%，3層試件較于2層提高了18.6%，隨著碳纖維布層數(shù)的增加，CFRP鋼管混凝土的極限承載力有著較大幅度地增長，且在3層以內(nèi)每層的漲幅都較為穩(wěn)定。

2.3 荷載-中截面撓度曲線

荷載-中截面撓度曲線描述了由加載之初到加載結(jié)束試件承載力與中截面撓度變化的全過程。對于CFRP圓鋼管混凝土偏壓短柱來說，在試驗(yàn)之初的彈性階段，撓度只有少量增加，曲線呈線性增長，各組曲線的發(fā)展趨勢基本吻合；隨后曲線進(jìn)入彈塑性階段，變形開始加速，撓度的增長速度顯著提升；達(dá)到極限荷載后，曲線進(jìn)入下降階段，撓度開始大幅度增加，此時(shí)荷載緩慢下降，說明試件仍然保持一定的承載能力，屬于延性破壞。

(a)偏心率的影響

(b)混凝土強(qiáng)度的影響

(c)(3)含鋼率的影響

(d)CFRP層數(shù)的影響圖 4 荷載-中截面撓度曲線

3 結(jié)論

1)CFRP圓鋼管混凝土偏壓短柱達(dá)到極限承載力后在經(jīng)歷較大變形的同時(shí)可以保持相當(dāng)?shù)某休d能力，屬于延性破壞。試件的荷載-中截面撓度曲線可劃分為彈性階段、彈塑性階段和下降階段。

2)通過對比各組數(shù)據(jù)可知，隨著偏心率增加，CFRP圓鋼管混凝土短柱的極限承載力明顯降低,偏心率為0.25,0.5,0.75的試件分別降低了12.4%，31.3%，38.6%；混凝土強(qiáng)度、含鋼率和CFRP層數(shù)的提高都可以在一定程度上提升偏壓柱的極限承載力，其中CFRP層數(shù)的提升效果最佳，在3層內(nèi)每層的提升可以平均提高約17.7%的極限承載力；含鋼率為0.09和0.11的試件分別提高了25.8%和33.6%，相對CFRP而言對試件極限承載力的提升較小；混凝土強(qiáng)度為C50和C60的試件分別提高了11.6%和18.6%，提升效果不佳。