FRP-高強混凝土-帶肋高強鋼管雙壁空心柱抗震性能試驗研究

梁圣達 盧宇澄

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院）

0 引言

纖維增強復(fù)合材料（FRP）-混凝土-鋼雙壁空心柱[1]（Hybrid FRP-Concrete-Steel Double-Skin Tubular Columns，簡稱DSTCs）由外部FRP管、內(nèi)部鋼管以及夾層填充的混凝土組合而成，是一種新形式的FRP組合柱。此組合柱質(zhì)量較輕（空心），運輸方便，可預(yù)制施工。目前針對DSTCs的研究較豐富[2-10]。研究發(fā)現(xiàn)，DSTCs中混凝土同時受到外FRP管和內(nèi)鋼管的約束，且內(nèi)鋼管的向外屈曲被夾層混凝土和FRP管同時抑制，故其具有較高的承載力和延性。但內(nèi)鋼管的向內(nèi)屈曲嚴重制約了其受力性能，使其在達到峰值荷載之后承載力迅速下降，鋼管不能充分發(fā)揮其強度。

基于此，有學(xué)者[11]提出將加勁肋焊接在內(nèi)鋼管外壁，形成R-DSTCs（Hybrid FRP-Concrete-Steel Double-Skin Tubular Columns with a Rib-Stiffened Steel Inner Tube，簡稱R-DSTCs）。研究[11-13]表明，R-DSTCs內(nèi)鋼管中的加勁肋能夠有效延緩鋼管的向內(nèi)屈曲，從而提高DSTCs的承載力和延性。但截止目前，對FRP-混凝土-帶肋鋼管雙壁空心柱的研究非常少，并且僅停留在軸壓力學(xué)性能的研究，對其抗震性能的研究暫處于空缺狀態(tài)，目前亟需對FRP-混凝土-帶肋鋼管雙壁空心柱進行抗震性能研究。同時，在DSTCs中使用高強材料更能發(fā)揮DSTCs結(jié)構(gòu)形式的特點?；谝陨媳尘?，對使用Q690高強鋼管和C60高強混凝土的R-DSTCs進行抗震性能試驗研究，并探究鋼管上帶肋的數(shù)量對試件抗震性能的影響。

1 試驗方案

1.1 試件設(shè)計

本研究對2個R-DSTCs試件和1個DSTCs試件（對照組）進行抗震性能試驗，試驗參數(shù)為內(nèi)鋼管帶加勁肋的數(shù)量。試件詳細參數(shù)見表1。試件編號的命名規(guī)則如下：第一個英文字母“R”代表加勁肋（Rib-Stiffener），緊跟其后的數(shù)字“0”、“4”、“8”代表加勁肋的數(shù)量分別為0、4個、8個。試件橫截面見圖1。

表1 試件詳情

圖1 試件橫截面

1.2 材料力學(xué)性能

試驗所用FRP管為玻璃FRP預(yù)制管（GFRP管），纏繞角度為±80°；試驗所用鋼管為Q690冷彎高強鋼管；試驗所用混凝土為C60高強商品混凝土。由GFRP弧形試件拉伸試驗[14]得到GFRP管的彈性模量為35.4GPa，極限斷裂應(yīng)變?yōu)?.25%。鋼管的彈性模量為205.7GPa，屈服強度為802.0MPa，屈服應(yīng)變?yōu)?.0059（BS18-1987[15]）?；炷翗藴蕡A柱體抗壓強度為61.2MPa，彈性模量為33.1GPa，極限軸向應(yīng)變?yōu)?.0027，泊松比為0.18（ASTM C469/469M[16]）。

1.3 加載方案及測量方案

本試驗采用全程位移加載，加載變量為位移角（試件水平位移與計算高度的比值），從1%的位移角開始加載，隨后加載等級提高到2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%的位移角，每個加載等級循環(huán)三圈[17]。當(dāng)試件承載力下降到80%，或試件出現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象時，加載結(jié)束。試件的加載裝置見圖2。本試驗采用三個線性位移計分別對試件加載端的橫向位移、試件底座可能發(fā)生的橫向和豎向位移進行測量。

圖2 試件加載

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象及破壞模態(tài)

當(dāng)試件加載等級達到2%的位移角時，試件外FRP管的W面和E面在距離底座20mm的區(qū)域內(nèi)首先發(fā)生開裂（水平裂縫）現(xiàn)象；隨著施加位移增加，試件外FRP管的W面和E面在距離底座50～400mm區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)若干條裂縫。裂縫隨著位移的增加而擴大，并陸續(xù)沿著試件的圓周方向貫通。當(dāng)加載等級達到7%～8%的位移角時，內(nèi)鋼管發(fā)生局部屈曲和斷裂，試件破壞，承載力驟降。所有試件的破壞模態(tài)均為內(nèi)鋼管發(fā)生局部屈曲和斷裂，外FRP管并未發(fā)生環(huán)向斷裂現(xiàn)象（見圖3）。

圖3 試件破壞模態(tài)

2.2 滯回曲線

圖4（a）、（b）、（c）展示了每個試件的水平荷載-水平位移滯回曲線以及骨架包絡(luò)線。可以看出，所有試件的滯回環(huán)都較為飽滿，沒有明顯的捏縮效應(yīng)發(fā)生，表明試件具有良好的耗能能力。加載開始，試件處于彈性階段，加載剛度和卸載剛度幾乎一致，同一個加載等級下的三個往復(fù)加載曲線幾乎重合。隨著施加位移的提升，試件的剛度不斷降低，殘余變形增大，同一加載等級的三個往復(fù)加載曲線逐漸分離，強度隨著循環(huán)圈數(shù)的增加而不斷退化。當(dāng)加載等級達到6%～7%的位移角時，試件在正向和負向均達到峰值荷載；隨后，試件在7%～8%的位移角加載等級下發(fā)生內(nèi)鋼管局部屈曲和斷裂現(xiàn)象，荷載和剛度驟降，試件破壞。

2.3 骨架曲線

圖4（d）展示了三個試件的骨架曲線。從圖中可以看出，試件的骨架曲線在正向和負向不對稱，這是由于試件在制作過程中的初始缺陷（不對稱）引起的。三個試件的骨架曲線趨勢基本相同。在加載的初始階段，試件基本處于線彈性階段；當(dāng)加載等級達到2%的位移角時，鋼管屈服，進入彈塑性階段。當(dāng)試件達到峰值荷載之后，內(nèi)鋼管發(fā)生局部屈曲和斷裂，承載力驟降，試件破壞。

圖4 滯回曲線和骨架曲線

對比三個試件的骨架曲線可以看出：鋼管上的加勁肋提高了試件的整體剛度。對比三個試件的峰值荷載（見表2）可以看出：試件R8的峰值荷載較試件R0和R4分別提高了28%和12%，表明內(nèi)鋼管上的加勁肋顯著增強了試件的承載能力。這可能由以下兩個原因造成：①增加鋼管上帶肋的數(shù)量可以增大含鋼率；②鋼管上的加勁肋能夠增大鋼管與混凝土之間的接觸面積，進而增強它們的相互作用。

2.4 剛度退化

圖5展示了試件在加載中的剛度退化。可以看到，試件的剛度隨著加載等級的提高而不斷退化。加勁肋增大了試件的剛度，且三個試件的剛度退化規(guī)律相差不大。

圖5 剛度退化

2.5 延性系數(shù)

三個試件的延性系數(shù)為5.7～6.3（見表2），遠高于一般鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)要求，表明R-DSTCs試件具有良好的延性。

表2 試驗結(jié)果

2.6 耗能能力

本研究對水平荷載-位移滯回曲線在每個加載等級下的三圈滯回環(huán)面積進行相加，得到試件的累計耗能。從圖6可以看出，每個試件的累計耗能均隨著加載等級的提升而不斷增加。加載初始階段三個試件的累計耗能曲線幾乎重合，在位移角達到3%時，三個試件的累計耗能曲線逐漸分離，試件R4和R8的累計耗能明顯高于試件R0，表明試件的耗能能力隨著鋼管上帶肋數(shù)量的增加而增強。

圖6 累積耗能

3 結(jié)語

通過對2個R-DSTCs試件和1個DSTCs試件（對照組）進行擬靜力試驗，探究了R-DSTCs的抗震性能，具體結(jié)果如下：

⑴所有試件的最終破壞模態(tài)都表現(xiàn)為內(nèi)鋼管發(fā)生屈曲和斷裂，外FRP管在加載過程中雖出現(xiàn)水平裂縫，但未發(fā)生環(huán)向斷裂。

⑵R-DSTCs具有良好的承載能力和變形性能。增加鋼管上帶肋的數(shù)量，能夠提高鋼管與混凝土之間的相互作用力，并且延緩鋼管的向內(nèi)屈曲，使R-DSTCs的承載力、剛度和耗能能力提升。試件R8的側(cè)向承載力比R0和R4分別提高28%和12%。