FRP管材混凝土短柱軸向承載力性能試驗研究

摘? 要：為研究FRP管材混凝土短柱軸向承載力性能，簡化了FRP管材混凝土短柱軸向受力模型，通過制備2種配合比的管材混凝土短柱試樣，分別開展了FRP管、鋼管和塑料管的混凝土短柱軸向承載力模型試驗。研究表明相同條件下，玻璃鋼材質的C30普通混凝短柱軸向承載力比鋼管混凝土短柱承載力大致小17.56%～28.84%；對鋼管混凝土和FRP管材混凝土短柱，長細比的增大會降低短柱的軸心抗壓承載力，而塑料管混凝土短柱，存在特定的長細比值使短柱軸心抗壓承載力最大；添加膨脹劑與否對核心混凝土承載力的影響效果受長細比約束。試驗結果可為非金屬棚架結構的設計與施工提供試驗基礎及數據支撐，為研究FRP管材結構提供參考。

關鍵詞：FRP 短柱 模型試驗 軸向承載力

中圖分類號：U45? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：

Experimental Research on the Performance of the Axial Bearing Capacity of Concrete Short Columns of FRP Tubulars

ZHANG Zhicheng

（Jiaxing Vocational and technical college， Jiaxing， Zhejiang Province， 314036 China）

Abstract： In order to study the performance of the axial bearing capacity of concrete short columns of FRP tubulars， the axial mechanical model of concrete short columns of FRP tubulars is simplified， and the model tests of the axial bearing capacity of FRP pipes， steel pipes and plastic pipes are carried out respectively by preparing concrete short column samples of tubulars with two kinds of ratios. Results show that under the same conditions， the axial bearing capacity of C30 ordinary concrete short columns made of FRP is about 17.56% ～ 28.84% smaller than the bearing capacity of concrete short columns of steel tubulars， that for concrete short columns of steel tubulars and FRP tubulars， the increase of the slenderness ratio will reduce the axial compressive bearing capacity of short columns， while for concrete short columns of plastic tubulars， a specific slenderness ratio will maximize the axial compressive bearing capacity of short columns， and that the effect of whether adding expansion agent or not on the bearing capacity of core concrete is constrained by the slenderness ratio. Test results can provide test basis and data support for the design and construction of non-metallic scaffold structure， and provide reference for the study of the structure of FRP pipes.

Key Words： FRP; Short column; Model test; Axial bearing capacity

纖維增強復合材料（FRP），由于其輕質、高強、耐腐的特性，在建筑、交通運輸及航空等多個領域均具有較為廣泛的應用，同時玻璃鋼作為非金屬材料具有隱真示假，在國防軍事工程中有很大應用前景，而相比金屬材料，又有價格低廉的優勢。近年來，特別是在建筑工程結構的研究中，FRP管材混凝土組合結構引起學者們的關注，開展相關的研究，取得不錯的成果，如楊俊龍[1]對碳纖維增強樹脂復合材料（CFRP）非均勻約束海水海砂混凝土方柱的軸壓性能進行了研究；石少卿[2]研究了FRP管材混凝土所制得的構件的力學性質，分析在軍事防護工程中其在抗侵徹方面的作用；錢稼茹[3]和余濤[4]對DSTC進行了軸壓力學性能開展相關試驗研究;陳文永[5]將玻璃鋼混凝土組合結構應用在酒店工程的穹頂部分；郭東[6]將光纖與FRP材料進行一體化制作，形成內嵌光纖自感知FRP筋用于隧道施工全過程監測；金瀏[7]等對FRP筋混凝土梁受剪承載力計算方法展開研究；關于玻璃鋼混凝土短柱的力學性能還需進一步研究，該文基于三種管材混凝土短柱的軸向承載力試驗對比，分析FRP管材混凝土的軸向承載力性能及其影響因素。

1 力學模型

為了簡化計算，視玻璃鋼為線彈性材料，且不記FRP管材的豎向承載力，在FRP管材環向拉應力達到抗拉極限拉應力強度時，FRP管材混凝土短柱破壞，則管材短柱的受力情況簡化如圖1所示。

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其中為FRP管材的內徑為，為壁厚，為FRP管材的環向拉應力，為混凝土對FRP管材的擴張應力，為FRP管材的極限拉應力強度。

當，

由王朋[8]根據雙剪統一理論確定的FRP管材約束混凝土軸向壓力與約束混凝土側向壓力的關系式為，其中為混凝土的單軸抗壓強度，由于，代入上式得。

FRP管材核心混凝土的軸向承載力。

由于峰[9]文獻中，計算FRP管材混凝土核心混凝土的軸向承載力時，取k=2.26，上式為。

2 模型試驗設計

管材混凝土短柱試樣由不同管材分別填充不同配比混凝土成型，管材類型分為FRP管、塑料管和鋼管，管材內徑為100mm、外徑為108mm；混凝土配合比分A和B兩種，配合比A為C30普通混凝土，配合比B為摻8%膨脹劑C30混凝土。在三種管材內灌入不同配比的混凝土，養護后，制作以配合比A和配合比B的三種管材混凝土短柱試樣，每種配比下短柱的高度分別為250mm、500mm和750mm，經試驗測定兩種配比混凝土的抗壓強度、混凝土限制膨脹率和彈性模量等試樣力學參數[10]。

管材混凝土短柱的加載在大行程萬能試驗機（型號：SHT4106-G）上完成，大行程萬能試驗機是由測量系統、驅動系統、控制系統等結構組成，能對各種材料進行多項力學性能試驗。通過加載試驗控制系統實現對管材混凝土短柱的分級軸向加載。

3 試驗結果及分析討論

為了研究FRP管材混凝土短柱軸向承載力性能，對三種管材混凝土短柱進行分級軸向加載。通過萬能試驗機的軸向分組分級加載直至管材混凝土短柱軸向受壓破壞，破壞后實物圖如圖2所示，圖2（a）中FRP管材混凝土破壞時，FRP纖維在薄弱處拉斷后迅速向兩端擴展，核心混凝土失去約束后受壓破壞；圖2（b）中塑料管混凝短柱在荷載作用下，由于塑料管發生明顯的脆性拉裂破壞，核心混凝土隨即迅速壓壞，裂縫向兩邊貫通；在圖2（c）中，由于鋼管的環向約束應力作用，并且鋼管在荷載作用下表現出明顯的塑性，鋼管混凝土短柱中核心混凝土在三軸受壓下呈現出軸向承載力性能。

3.1 管材混凝土短柱軸心抗壓承載力的影響因素

根據試驗結果，管材混凝土短柱軸心抗壓承載力主要受管材類型、核心混凝土抗壓承載力、管材混凝土短柱長細比等因素的影響。本試驗還通過添加膨脹劑與否研究其對核心混凝土承載能力的影響。根據實驗結果分別繪制圖3和圖4，分析各個影響因素對管材混凝土軸心抗壓承載力的影響。

3.1.1 管材類型

圖3（a）為長細比對C30普通混凝土三種管材混凝土短柱軸心抗壓承載力的影響曲線，圖3（b）為長細比對C30膨脹混凝土三種管材混凝土短柱軸心抗壓承載力的影響曲線。由圖3（a）和圖3（b）可知，相同條件下，對比三種管材混凝土短柱，鋼管的承載力最大，玻璃鋼的次之，塑料的最小，符合實際經驗。從圖3（a）可知，對比鋼管混凝土短柱，玻璃鋼材質的C30普通混凝短柱軸向承載力大致小17.56%～28.84%（三種長細比下承載力分別小17.56%、28.84%和24.08%），FRP管材混凝土短柱具有較強的軸心抗壓承載力，如當長細比L/D為2.315時，鋼管混凝土短柱的軸心抗壓承載力為1016.4kN，而FRP管材混凝土短柱的為837.9kN。

3.1.2 長細比的影響

針對鋼管混凝土和FRP管材混凝土短柱，長細比的增大會降低短柱的軸心抗壓承載力，而塑料管混凝土短柱，存在特定的長細比值使短柱軸心抗壓承載力最大，長細比太大或者太小均會降低軸心抗壓承載力。

3.1.3 膨脹劑的影響

由圖4可以看出，長細比較小的情況下，添加膨脹劑對核心混凝土的承載力影響明顯，該試驗添加8%的膨脹劑，顯然在低長細比情況下，玻璃鋼短柱的承載力反而比FRP管材普通混凝土短柱的要低；但長細比較大的情況下，添加膨脹劑對玻璃鋼混凝土短柱的承載力的影響甚微。

4 結語

該文通過簡化FRP管材混凝土短柱軸向受力模型，確立了FRP管材核心混凝土的軸向承載力計算公式。通過制備2種配合比的管材混凝土短柱試樣，開展了FRP管、鋼管和塑料管的混凝土短柱軸向承載力模型試驗，試驗結果表明，在相同條件下，玻璃鋼材質的C30普通混凝短柱軸向承載力比鋼管混凝土短柱承載力大致小17.56%～28.84%；對鋼管混凝土和FRP管材混凝土短柱，增大的長細比會降低短柱的軸心抗壓承載力；長細比較小的情況下，添加膨脹劑對核心混凝土的承載力影響明顯，較大長細比下，添加膨脹劑對玻璃鋼混凝土短柱的承載力的影響甚微。另外，關于長細比對FRP管材混凝土的軸向承載力的影響效應還需要進一步深入地研究。

參考文獻

[1]楊俊龍，王吉忠，盧世偉，等.FRP非均勻約束海水海砂混凝土方柱軸壓性能[J].復合材料學報，2022，39（6）：2801-2809.

[2]石少卿，劉穎芳，尹平，等.FRP組合結構在防護工程中的應用研究[J].工業建筑，2005（3）：56-57，32.

[3]錢稼茹，劉明學.FRP-混凝土-鋼雙壁空心管短柱軸心抗壓試驗研究[J].建筑結構學報，2008（2）：104-113.

[4]YU T，ZHANG B，CAO Y B，et al.Behavior of hy-brid FRP-concrete-steel Double-Skin Tubular Columns Subjected to Cyclic Axial Compression[J].Thin-Walled Structures，2012，61：196-203.

[5]陳文永，山傳龍，馮鵬，等. FRP混凝土裝配式組合結構在某工程中的應用[C]//中冶建筑研究總院有限公司.2020年工業建筑學術交流會論文集（下冊）.中冶建筑研究總院有限公司：工業建筑雜志社，2020：5.

[6]郭東，魏強，李錦輝，等.基于FRP筋自感知監測技術的隧道襯砌施工全過程應變分析[J].巖土力學：1-10.[2022-10-18]. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？FileName=YTLX20220927001&DbName=DKFX2022.

[7]金瀏，陸凱，宋博，等. FRP筋混凝土梁受剪承載力計算方法[J].建筑結構學報：1-13.[2022-10-18]. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？FileName=JZJB2022090800F&DbName=DKFX2022.

[8]王朋，丁耀宗，史慶軒，等.基于統一強度理論的FRP-混凝土-鋼管組合圓柱軸壓承載力計算[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2020，52（2）：233-240.

[9]于峰，牛荻濤.軸心受壓FRP約束混凝土柱承載力分析[J].混凝土，2007（3）：14-16.

[10]蘭蘭，張志成，張冠洲，等.非金屬棚架結構材料選型研究[J].江蘇建筑，2021（2）：92-96.