SRPE 套管約束RC 柱偏壓力學性能試驗研究

段紅偉，高劍平,2，鄒恒之，曹忠民,2，劉 洪

（1. 華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013； 2. 華東交通大學土木工程國家級試驗教學示范中心，江西 南昌 330013；3. 安源管道實業股份有限公司，江西 萍鄉 337000）

在西部的強鹽堿地帶，鋼筋混凝土結構腐蝕十分嚴重，被迫反復修復或重建，經濟損失巨大[1-2]。 橋墩柱作為橋梁的主要豎向承重和抗側力構件，其耐久性將會直接影響橋梁的使用安全和壽命。 基于上述背景，本文作者提出新型材料組合結構“SRPE 套管約束RC 柱”。如圖1 所示，SRPE 管是由連續纏繞焊接成型的鋼絲網骨架與高密度聚乙烯（HDPE）塑料基體共擠成型的復合管[3-4]，有效阻斷外界各種腐蝕性離子對橋墩柱的侵蝕的同時，還可以較好地約束核心混凝土，提高墩柱的受力性能。

圖1 SRPE 管結構Fig.1 The structure of SRPE tubes

需要指出的是， 涂塑鋼管界面易發生分離，PVC 管不耐老化，低溫容易變脆，多數FRP 的樹脂基體耐腐蝕卻不耐光和高溫（60 ℃開始軟化）[5-6]，HDPE 管耐腐蝕但存在不耐壓、應力松弛、熱脹冷縮、蠕變[7-8]等缺點。 相比之下，SRPE 管可阻隔各類腐蝕性離子的侵蝕、耐紫外線、耐溫性強（-40～80 ℃），使用壽命達50～70 a，更能適應西部強鹽漬土/鹽湖區的惡劣環境。 本文在SRPE 套管約束混凝土柱/鋼筋混凝土柱軸壓力學性能研究[9-12]的基礎上，進行偏心受壓力學性能試驗研究，為該新型組合柱研究的進一步完善和工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 材料力學性能試驗

本次試驗所用的SRPE 套管由江西省萍鄉市安源管道實業股份有限公司生產提供，表1、表2 為本次試驗材料的基本力學性能參數。 表1 中μh為HDPE 的泊松比，Esh為彈性模量，fyh為彈性極限，fuh為拉伸強度；表2 中d 為鋼絲的直徑，fys為鋼絲的屈服強度，fus為極限強度，δ 為伸長率，Est為彈性模量。

表1 HDPE 材料力學性能Tab.1 Mechanical properties of HDPE

表2 鋼絲基本力學性能Tab.2 Basic mechanical properties of steel wire

1.2 試驗設計

本次試驗共設計8 根SRPE 套管約束鋼筋混凝土柱和4 根無套管鋼筋混凝土柱 （對比試件），RC柱均為直徑200 mm 的圓柱。 混凝土強度等級為C30；縱筋等級為HRB400，直徑為12 mm；箍筋為直徑4 mm 的碳素鋼絲， 箍筋間距為60 mm；SRPE 管壓力等級采用1.6 MPa 和2.5 MPa 2 種；偏心距（e0）為20 mm 和40 mm；長細比為6 和9。 試件具體設計參數見表3。試件編號中，S 表示SRPE 套管試件，RC 表示無套管對比試件，S1 表示SRPE 套管壓力等級為1.6 MPa，S2 表示SRPE 套管壓力等級為2.5 MPa，20和40 依次表示偏心距20 mm 和40 mm，600 和900依次表示試件長度600 mm 和900 mm；峰值撓度為偏壓試件達到極限承載力時所對應的柱中撓度。

表3 試驗設計參數和試驗結果Tab.3 Experimental design parameters and measured results

1.3 測量和加載

試驗在NYL-500 t 壓力試驗機上進行，試件兩端安裝刀口鉸模擬偏壓加載。 3 個百分表依次布置在遠離軸向力一側的柱中和上下兩端距離柱中150 mm 位置處， 機電位移計分別對稱布置在試件兩側，布置如圖2 所示。 加載前，先調整試件上下截面形心的連線，使其通過壓力機上、下承壓板的幾何中心，調整好進行偏壓預加載，所加荷載約為預估承載力的20%，測試加載設備、儀表和數據采集系統是否正常工作，之后再進行正式加載。 正式加載時參照 《混凝土結構試驗方法標準》（GB/T 50152—2012）的相關規定，采用單調逐級加載，每級荷載約為試件預估極限承載力的1/15，在讀數接近預估極限承載力80%～90%時， 荷載分級進行適當調密，直至試件變形很大或荷載下降至峰值荷載60%附近停止加載。加載過程中記錄各試件的破壞過程和破壞特征。 圖2 中LVDT 為差動式位移傳感器。

圖2 試驗裝置和測點布置Fig.2 Test setup and instrumentation

2 主要試驗結果

2.1 試驗現象及破壞形態

大、 小偏壓試件的破壞過程大體相似。 加載初期，試件側向撓度增長緩慢，隨著荷載增加，撓度增速加快，接近極限荷載時，柱中撓度急劇增長，受壓區SRPE 套管出現褶皺鼓曲，“嘶嘶”響聲更加頻繁，達到極限承載力后，柱的撓度持續增長，荷載緩慢下降，表現出較好的延性。 以試件S2-40-600 和S2-20-600 為例分別說明大偏壓、小偏壓的典型破壞形態，見圖3 和圖4。偏心距為40 mm 時試件發生大偏心受壓破壞， 剝除SRPE套管， 焚燒除去基體材料HDPE 后， 發現核心混凝土柱受壓側混凝土被壓碎，受拉側出現數道橫向主裂縫，受壓側縱向鋼筋因壓曲而發生明顯彎折，SRPE 套管褶皺部分的內部鋼絲網骨架發生明顯鼓曲但未斷裂；偏心距為20 mm 時試件發生小偏心受壓破壞，SRPE 套管斜向剪切變形明顯，核心混凝土的破壞形態呈現明顯的斜剪破壞，斜剪變形角約為45°，見圖4（b）。 縱向鋼筋和SRPE管內部鋼絲網骨架由于被動抵抗斜向剪切滑移而發生彎折，但未斷裂，分別見圖4（c）和圖4（d），斜剪變形方向以白線示出。

圖3 大偏壓試件的典型破壞形態Fig.3 Typical failure mode of specimen subjected to compression with large eccentricity

圖4 小偏壓試件的典型破壞形態Fig.4 Typical failure mode of specimen subjected to compression with small eccentricity

2.2 荷載-軸向位移曲線

圖5（a）和圖5（b）分別為大、小偏壓試件的荷載-軸向位移曲線。 從圖5 可以看出，和對比試件相比，SRPE 套管非常顯著地提高了偏壓試件的承載力和延性。 圖5（a）和5（b）的曲線均可分為線彈性段、彈塑性段和下降段。 如圖5（a）所示，在加載初期，由于試件所受荷載較小，SRPE 套管還未對核心混凝土發生約束作用，大偏壓試件的軸向位移與荷載近似呈現線性遞增關系， 且各曲線幾乎重合，試件處于線彈性段；當進入彈塑性段時，隨著荷載的增加，試件位移曲線開始略微變平緩，切線模量開始變小，相對小偏壓試件，此時位移增長更快，峰值位移更大， 但提高承載力的幅度低于小偏壓試件。SRPE 套管壓力等級、 長細比等參數基本不影響曲線的走勢；當加載超過試件的極限承載力后，曲線緩慢下降，試件表現出良好的延性特征，直至試件破壞。 如圖5（b）所示，在加載初期，曲線幾乎重合，SRPE 套管小偏壓試件的軸向位移與荷載近似呈線性增長關系，因為此時荷載較小，SRPE 套管尚未對核心混凝土發揮約束作用， 試件處于線彈性段；隨著荷載逐漸增大， 各曲線的切線模量開始降低，試件軸向位移增長加快， 試件開始進入彈塑性段，因SRPE 套管壓力等級的不同，曲線出現了明顯的差別，2.5 MPa 套管的約束效果明顯優于1.6 MPa 套管的約束效果， 即對應的峰值荷載和峰值位移更大；當荷載超過試件的極限荷載時， 曲線開始緩慢下降，由于SRPE 套管的約束作用， 避免了混凝土的突然壓潰，荷載下降速度較慢，試件表現出較好的延性。

圖5 荷載-軸向位移曲線Fig.5 Load-axial displacement curve

3 試驗結果分析與討論

3.1 極限承載力和延性分析

為定量分析各控制參數對偏壓試件延性的影響規律，引入延性系數μ，如式（1）所示。各偏壓試件延性系數見表4。

表4 偏壓試件的延性系數Tab.4 Ductility coefficient of specimens under eccentric load

式中：Δy為屈服位移，mm，試件荷載-軸向位移曲線的彈性段延長線與過峰值點的切線交點處的位移，由于該值均位于荷載上升階段達到70%～80%峰值荷載對應的軸向位移之間。為方便計算，統一取Δy=Δ75%。 Δu為極限位移，mm，試件所承受的荷載下降至峰值荷載的80%時所對應的軸向位移。

3.1.1 SRPE 套管壓力等級對極限承載力和延性的影響

從圖5 可以看出，SRPE 套管能明顯提高偏壓試件的極限承載力和延性。 以S1-20-600、S2-20-600、RC-20-600 為例，結合表3 數據可知，和對比試件相比，SRPE 管壓力等級為1.6 MPa 的偏壓極限承載力提高了94.5%， 延性系數是對比試件的1.89 倍；SRPE 管壓力等級為2.5 MPa 的偏壓試件的極限承載力提高了161.2%，延性系數是對比試件的1.91 倍，并且壓力等級為2.5 MPa 的SRPE 套管對偏壓試件的承載力提高效果要明顯強于1.6 MPa的SRPE 套管, 原因在于試件達到極限承載力后進入破壞階段， 其核心混凝土內部裂縫加速發展，環向變形急劇增大，SRPE 管對核心混凝土構成被動環向約束，即管材壓力等級越大，SRPE 管提供的被動約束力越大， 所以試件的承載力隨著SRPE 套管壓力等級的提高而提高。 本次試驗中，無論大、小偏心受壓， 壓力等級為1.6 MPa 和2.5 MPa 的SRPE套管約束鋼筋混凝土柱的延性系數比較接近（見表4），僅相差0.01～0.05，說明SRPE 管壓力等級對試件延性的影響相對較小。

3.1.2 偏心距對極限承載力和延性的影響

由表3 可知，同等參數條件下，20 mm 偏心距試件的極限承載力都大于40 mm 偏心距試件的極限承載力，說明試件的偏心距越大，承載力越小。且隨著SRPE 管壓力等級的增大，偏心距對極限承載力的影響越明顯， 同等參數條件下，2.5 MPa 的SRPE 套管試件的大、小偏壓試件極限承載力的差距遠超于1.6 MPa 的SRPE 套管試件的。 以S2-20-600、S2-40-600 和S1-20-600、S1-40-600 為例，前者極限承載力相差460.84 kN，后者極限承載力相差148.544 kN。 本次試驗中，偏心距對試件延性的影響并不明顯， 前者延性系數相差0.08，后者延性系數相差0.07。

3.1.3 長細比對極限承載力和延性的影響

由表3、表4 可知，同等參數條件下，長細比為6 的偏壓試件的極限承載力和延性系數都要大于長細比為9 的偏壓試件的極限承載力和延性系數，說明偏壓試件極限承載力隨著長細比的增大而減小，延性隨著長細比的增大而降低，主要因為試件的長細比的增加會導致偏壓試件的二階效應增強，使得SRPE 套管對核心混凝土的約束效果降低所致。

3.2 側向撓度分析

根據本次試驗結果繪制出SRPE 套管偏壓試件達到極限荷載時柱的側向撓度曲線，如圖6 所示。 其中縱坐標為測點距試件底面的高度（依次為0，150，300，450，600 mm）。 各偏壓試件峰值撓度見表3。

圖6 極限荷載時柱的側向撓度曲線Fig.6 Lateral deflection curves under ultimate load

從圖6 可以看出，SRPE 套管偏壓試件達極限荷載時的側向撓度曲線接近于正弦半波曲線。SRPE管壓力等級、偏心距、長細比等設計參數對柱的側向撓度均有不同程度的影響。

3.2.1 SRPE 套管壓力等級對柱中撓度的影響

由表3 可知，SRPE 管鋼筋混凝土偏壓試件的柱中峰值撓度要遠大于對比件的柱中峰值撓度，對比件的柱中峰值撓度在2.219～3.309 mm，而偏壓試件的柱中峰值撓度能夠達到12.74～17.34 mm，因為SRPE 管較強的環向約束作用，大大提高了核心混凝土的變形能力。 同等參數條件下，SRPE 套管壓力等級為2.5 MPa 的偏壓試件的柱中峰值撓度和1.6 MPa 的偏壓試件的相差不大，僅0.327～0.919 mm，說明SRPE 套管壓力等級對柱中撓度的影響相對較小。

3.2.2 偏心距對柱中撓度的影響

由表3 可知， 同等參數條件下，40 mm 偏心距試件的柱中峰值撓度都要大于20 mm 偏心距試件的柱中峰值撓度，提高幅度為17.80%～21.99%，說明SRPE套管偏壓試件柱中撓度隨著偏心距的增大而增大。

3.2.3 長細比對柱中撓度的影響

由表3 可知，同等參數條件下，長細比為9 的偏壓試件的柱中峰值撓度都要大于長細比為6 的偏壓試件的柱中峰值撓度， 提高幅度為5.65%～10.34%，說明長細比越大，偏壓試件柱中撓度越大。

4 SRPE 套管約束鋼筋混凝土柱偏壓承載力計算公式

4.1 基本假定

1） 整個試驗加載過程中偏壓試件始終滿足平截面假定；

2） 忽略受拉區混凝土的抗拉強度；

3） 假定SRPE 管的環向應力沿壁厚方向均勻分布；

4） 本次試驗試件的長細比較小， 皆為材料破壞，不考慮縱向彎曲的影響。

4.2 計算公式

以SRPE 套管約束RC 柱偏壓性能試驗為基礎， 參照 《鋼管混凝土結構技術規程》（CECS 28：2012）， 基于經驗系數法， 提出SRPE 套管約束RC柱偏壓承載力計算公式

式中：Nu為SRPE 套管約束RC 柱偏壓承載力，kN；φ 為偏心受壓穩定系數，計算公式見（3）；N0為SRPE套管約束RC 柱軸壓承載力，kN，參照高劍平等[12]提出的軸壓計算公式，見式（5）。

式中：Le為SRPE 套管柱長度設計值，mm；D 為無套管RC 柱的圓截面直徑， 即200 mm；φe為偏心距的折減系數，計算公式

式中：e0表示初始偏心距，mm；rc為無套管RC 柱的圓截面半徑，即100 mm。

式中：fy′為縱筋的抗壓強度設計值，MPa；AS′為受壓鋼筋截面面積，mm2；fCC為SRPE 套管約束核心混凝土的軸心抗壓強度[13-14]，MPa。 按式（6）～式（9）計算

式（6）～式（9）中：fl為SRPE 套管約束力，MPa。 不同壓力等級的SRPE 套管約束力見表5；flp為HDPE 提供的約束力，MPa；fls為緯線鋼絲提供的約束力，MPa；fCO為非約束混凝土的軸心抗壓強度，MPa；fCC為核心混凝土截面面積，mm2；d1為線鋼絲的直徑，mm；S 為相鄰2 條緯線的中心間距；K 為折算HDPE 管的外、內徑比值；fp為HDPE 材料的屈服極限，MPa。

表5 不同壓力等級SRPE 管所提供的約束力Tab.5 Confined stress provided by SRPE pipe with different pressure grade

采用經驗系數法得出的SRPE 套管約束RC 柱偏壓承載力計算公式，計算得到的偏壓承載力計算值，以及與試驗實測值的對比結果，如表6 所示。 Nu為SRPE 套管試件偏壓承載力計算值，kN；Nv為SRPE 套管試件偏壓承載力試驗值，kN；X 為二者比值的平均值；σs為標準差。

表6 SRPE 套管約束RC 柱偏壓承載力計算值、試驗值及二者比值Tab.6 Calculated results and measured results of bearing capacity of SRPE pipe confined reinforced concrete columns subjected to eccentric load

從表6 可以看出，SRPE 套管偏壓試件的極限承載力計算值均小于試驗值， 比值平均值為0.91，標準差為0.05，吻合較好，離散性較小。 本次試驗結果對于低強度混凝土而言偏保守，在工程常用范圍內， 該公式可為計算SRPE 套管鋼筋混凝土柱的偏壓承載力提供參考。

5 結論

以8 根SRPE 套管約束鋼筋混凝土柱和4 根無套管約束的鋼筋混凝土柱偏壓試驗結果為基礎，分析了SRPE 管公稱壓力等級、偏心距、長細比等設計參數對偏壓試件極限承載力、延性、柱中撓度的影響規律，得出以下主要結論。

1） SRPE 套管的環向約束作用顯著提高了偏壓柱的承載力和延性。

2） 偏壓試件的承載力隨著SRPE 管壓力等級的提高而提高，隨著偏心距和長細比的增大而減小。

3） 偏壓試件的延性隨著長細比的增大而降低，SRPE 套管壓力等級、 偏心距對試件延性的影響則相對較低。

4） 無套管試件的柱中峰值撓度要遠小于SRPE 套管試件的柱中峰值撓度。 偏心距或長細比越大，柱中峰值撓度越大，而SRPE 套管壓力等級的影響相對較小。

5） 極限荷載時，SRPE 套管鋼筋混凝土偏壓柱的側向撓度曲線接近于正弦半波曲線。

6） 基于經驗系數法提出的SRPE 套管約束RC柱偏壓承載力計算公式，得出的計算值與試驗值吻合較好，可供實際工程應用參考。