GFRP管-鋼管混凝土組合柱的軸壓力學(xué)性能研究

雷婷 LEI Ting；楊云 YANG Yun

（寧夏大學(xué)新華學(xué)院，銀川 750021）

0 引言

隨著社會發(fā)展近些年大型、高層建筑物的不斷涌現(xiàn)，不斷提出對建筑物承重柱的更高性能要求。GFRP管-鋼管混凝土組合柱作為近年來衍生的新型組合構(gòu)件之一，極大地提升了核心混凝土約束作用力，與鋼筋混凝土柱的承載力。通過研究表示，多數(shù)研究依然以組合柱構(gòu)件力學(xué)性能為主，在線性分析方面研究成果相對匱乏。本研究將結(jié)合現(xiàn)有研究試驗(yàn)論證結(jié)果，建立組合柱纖維模型，對GFRP管-鋼筋混凝土組合柱的軸壓力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 GFRP管-鋼管混凝土組合柱試驗(yàn)設(shè)計

1.1 試驗(yàn)材料

采用C40自密實(shí)混凝土，以《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》為測試依據(jù)，取3個混凝土試件計算平均值結(jié)果作為強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。制作一組φ150mm×300mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試塊，同樣養(yǎng)護(hù)后取3個試件計算平均值結(jié)果作為軸心抗壓強(qiáng)度。

選取同批鋼管切取加工3個鋼材試樣，屈服強(qiáng)度為310MPa，極限抗拉強(qiáng)度為480MPa，彈性模量為206GPa，泊松比為0.263，屈服比為1.55。

本試驗(yàn)所用GFRP管的纖維環(huán)向彈性模量為50GPa，抗拉強(qiáng)度為2503MPa，極限抗拉應(yīng)變?yōu)?.0312。

1.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)加載設(shè)計為兩階段，第一階段為力控制加載階段，設(shè)定2kN/s加載速度，在達(dá)到10000kN荷載作用力下，自動轉(zhuǎn)化位移控制，加載速度0.5mm/min，記錄各荷載階段變形值，直至下降至峰值荷載60%停機(jī)。需要注意預(yù)加載力控制，在加載停機(jī)時檢查TDS-530數(shù)據(jù)采集儀的運(yùn)行是否正常，位移計與應(yīng)變片讀數(shù)是否正常，在一切正常前提下進(jìn)行加載試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)加載中鋼管混凝土柱基本存在均勻變形，具體現(xiàn)象是柱的中心沿截面的圓周凸出。這證明柱子的中央有嚴(yán)重的壓曲，柱子的邊緣也稍微凸起，但中央的凸起并不明顯。在復(fù)合柱試件裝載過程中，內(nèi)側(cè)GFRP管損壞前，只有鋼管稍微膨脹變形，之后GFRP管突然損壞，發(fā)出巨大聲響，鋼管逐漸明顯膨脹。以及縱向位移的不斷增加，鼓起部位隨之增加，鼓起變形隨之加大。

2.2 荷載-縱向位移

在本次試驗(yàn)中，選取了9根組合柱試件與1根素鋼管混凝土柱展開試驗(yàn)。試驗(yàn)荷載-縱向位移具體表現(xiàn)劃分為三階段：彈性階段因?yàn)殇摴懿此杀却笥诨炷粒摴芗昂诵幕炷镣ǔ为?dú)受力，之后鋼管進(jìn)入彈塑性階段；進(jìn)入彈塑性階段之后，所受縱向荷載影響，核心混凝土的外表面微裂紋逐漸擴(kuò)展，形成橫向變形，此時的泊松比遠(yuǎn)超鋼材，兩者之間形成相互作用力。混凝土所受鋼管環(huán)向約束作用力，且隨著此約束力的不斷增加，開始進(jìn)入鋼管屈服階段；在強(qiáng)化階段，荷載作用力在鋼管變形增長隨之成緩慢上升，承載力與延性有明顯提升，雖然中間有一段下降期，可是整體下降幅度并不明顯，所以可以忽略此階段影響；在破壞階段，試件所在破壞階段承載力波動并不明顯，基本在256.8kN~541.3kN下降范圍內(nèi)，試件在破壞階段，承載力表現(xiàn)出較大的下降波動，基本在628.2kN~1619.6kN之間，這是由于后四個試件的GFRP管直徑厚度較大，這一情況在后面直徑厚度試驗(yàn)中詳細(xì)分析。

2.3 各參數(shù)對軸壓性能影響

2.3.1 GFRP管厚度對承載力的影響

此試驗(yàn)預(yù)設(shè)為將試驗(yàn)片分成三組：GFRP管的纖維環(huán)向彈性模量為50GPa，抗拉強(qiáng)度為2503MPa，極限抗拉應(yīng)變?yōu)?.0312的基礎(chǔ)上，以不同GFPR管直徑劃分三組，其中直徑100mm為一組包括試件B1、B2、B3，組成各直徑150mm為二組包括試件B4、B5、B6，組成直徑200mm為三組包括試件B7、B8、B9，將三組試驗(yàn)片的載荷-位移曲線與常規(guī)鋼管混凝土試片（B0）進(jìn)行比較（如圖1）。發(fā)現(xiàn)所有GFRP管-鋼管混凝土復(fù)合柱的承載力最高極值普遍較高，可見管壁厚度與同一GFRP管直徑的承載力和延展性具有正相關(guān)性。這也表明在GFRP管道的相同直徑下，GFRP管-鋼管混凝土復(fù)合柱的承載力和延展性，會跟隨管道壁厚的增加而增加。GFRP管-鋼管混凝土復(fù)合柱達(dá)到承載力極值后，這一極值后面的支撐力，仍高于普通混凝土試片的支撐力。因此，GFRP管道的管厚度，與組合柱的承載力價值，以及極值后的支撐力密切相關(guān)。

圖1 GFRP管直徑變化對荷載-位移曲線影響

2.3.2 GFRP管直徑對承載力的影響

此試驗(yàn)預(yù)設(shè)為將試驗(yàn)片分成三組：GFRP管的纖維環(huán)向彈性模量為50GPa，抗拉強(qiáng)度為2503MPa，極限抗拉應(yīng)變?yōu)?.0312的基礎(chǔ)上，以不同GFPR厚度劃分三組，其中厚度2mm為一組包括試件B1、B4、B7，厚度3mm為二組包括試件B2、B5、B8，厚度4mm為三組包括試件B3、B6、B9，將三組試驗(yàn)片的載荷-位移曲線與常規(guī)鋼管混凝土試片（B0號）進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)所有GFRP管-鋼管混凝土復(fù)合柱的承載力最高極值普遍較高，可見管直徑與同一GFRP管直徑的承載力和延展性具有正相關(guān)性（如圖2）。這也表明在GFRP管道的相同厚度下，GFRP管道-鋼管混凝土復(fù)合柱的承載力和延展性，會跟隨管道直徑的增加而增加。GFRP管-鋼管混凝土復(fù)合柱達(dá)到承載力極值后，這一極值后面的支撐力，仍高于普通混凝土試片的支撐力。因此，GFRP管道的直徑，與組合柱的承載力價值，以及極值后的支撐力密切相關(guān)。

圖2 GFRP管直徑變化對荷載-位移曲線影響

3 組合柱軸心壓力性能的變參數(shù)研究

3.1 建構(gòu)纖維模型

GFRP管-鋼管混凝土組合柱假設(shè)應(yīng)力-應(yīng)變二者關(guān)系為理想彈塑性（圖3），那么在荷載作用力極值下，GFRP鋼管的縱向、環(huán)向應(yīng)力分別如下：

圖3 鋼管應(yīng)力-應(yīng)變模型

式中：屈服條件下鋼管環(huán)向、縱向應(yīng)力分別用σsθ、σsz表示；參考以往文獻(xiàn)σu與βuc分別取值-0.19，0.89。鋼材處于極限狀態(tài)下的兩種應(yīng)力，均服從VonMises屈服準(zhǔn)則，公式如下：

式中：鋼管屈服應(yīng)力用σsy表示。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，GFRP管-鋼管混凝土組合柱的試件，在達(dá)到承載力極值之后，就會出現(xiàn)一小段下降幅度，之后持續(xù)平緩的回升。本文選取組合柱在破壞階段的荷載-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行模擬回歸分析，建立GFRP管-鋼管混凝土組合柱在破壞階段峰值后承載力公式：

假設(shè)GFRP管-鋼管混凝土組合柱的承載力達(dá)到極值之后，經(jīng)過幾個階段下降后的承載力Np，假設(shè)在破壞階段的組合柱位移值△εm為1%，此階段的荷載-應(yīng)變模型如下：

3.2 變參數(shù)結(jié)果

根據(jù)上述構(gòu)建GFRP管-鋼管混凝土組合柱的荷載-應(yīng)變纖維模型，進(jìn)一步確定GFRP管直徑、厚度等參數(shù)，對組合柱軸壓力學(xué)性能的影響，根據(jù)公式（4）展開變參數(shù)研究（表1）。

表1 GFRP管-鋼管混凝土組合柱變參數(shù)研究

根據(jù)表1，M1、M3、M6作為一組；M2、M3、M4、M5作為二組，M6、M7、M8、M9作為三組，分別討論D/d、D/t1、d/t2變化，對GFRP管-鋼管混凝土組合柱的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GFRP管-鋼管混凝土組合柱的承載力，與D/d存在顯著負(fù)相關(guān)，隨著D/d的不斷減小，承載力反而增加，但是延性則正相關(guān)于D/d。GFRP管-鋼管混凝土組合柱延性、承載力與D/t1為負(fù)相關(guān)，但是在D/t1不斷減小時，組合柱延性增加變化并不明顯，而GFRP管-鋼管混凝土組合柱與d/t2之間，具體表現(xiàn)為隨著d/t2不斷減小而增加的顯著關(guān)系。通過上述變參數(shù)結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，D/d、D/t1、d/t2的減小，GFRP管-鋼管混凝土組合柱的承載力就能得到明顯提高，但在D/d減小情況下，延性會有所降低，D/t1減小時延性增大并不明顯，而d/t2減小則會使得組合柱延性明顯增加，所以增加GFRP管-鋼管混凝土組合柱的承載力與延性，可以通過采用較小的d/t2值得以實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

通過本文研究，得出以下結(jié)論：①在GFRP管同樣厚度條件下，組合柱的承載力及延性與直徑正相關(guān)；GFRP管同樣直徑條件下，組合柱的承載力及延性與厚度正相關(guān)；GFRP管直徑對組合柱軸壓力學(xué)性能影響，與內(nèi)管厚度關(guān)系顯著。②提出適用本次試驗(yàn)分析的組合柱纖維模型，進(jìn)行GFRP管-鋼筋混凝土組合柱的變參數(shù)研究，發(fā)現(xiàn)隨著管的徑厚比的減小，組合柱的承載力與延性有顯著提升；③想要增加GFRP管-鋼管混凝土組合柱的承載力與延性，可以通過采用較小的d/t2值得以實(shí)現(xiàn)。