CFRP—钢复合管约束型钢高强混凝土短柱的轴压力学性能

王吉忠+刘建伟+杨柳

摘要：对8根碳纤维增强复合材料（CFRP）-圆/方钢复合管约束型钢高强混凝土（C-C/STCSRC）短柱和4根CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土（C-CTSRC）短柱进行了轴压试验，分析了CFRP约束效应系数、钢管截面形式以及钢管受力性能对CFRP-圆/方钢复合管约束型钢高强混凝土（C-C/STCSRC）轴压短柱力学性能的影响。结果表明：CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土（C-CTCSRC）轴压短柱的极限承载力提高率随着约束效应系数的增加呈指数形式增长；
在柱核心混凝土截面面积相同时，CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土（C-CTCSRC）轴压短柱的极限承载力比CFRP-方钢复合管约束型钢高强混凝土（C-STCSRC）轴压短柱的极限承载力高50%以上；
在弹性工作阶段，CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土（C-CTSRC）柱的弹性模量高于CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土（C-CTCSRC）柱的弹性模量；
CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土（C-CTCSRC）柱的极限承载力高于CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土柱的极限承载力；
CFRP与钢管黏结良好时，CFRP与钢管能够协同工作。

关键词：CFRP-钢复合管；
承载力；
轴压；
高强混凝土；
短柱

中图分类号：TU375 文献标志码：A

文章编号：1673-2049（2017）02-0048-08

Abstract：The axial compression tests of 8 carbon fiber reinforced polymer （CFRP）-circular/square steel composite tube confined steel high strength reinforced concrete （C-C/STCSRC） stub columns and 4 CFRP confined circular steel tube steel high strength reinforced concrete （C-CTSRC） stub columns were carried out. The effects of constraint coefficient of CFRP， section form of steel tube and mechanical performance of steel tube on the mechanical behavior of C-C/STCSRC columns were investigated. The results show that the ultimate bearing loading capacity of CFRP circular steel composite tube confined steel high strength concrete （C-CTCSRC） stub columns increases with constraint coefficient as exponential form. The ultimate bearing capacity of C-CTCSRC is 50% larger than that of CFRP square steel composite tube confined steel high strength reinforced concrete when the section areas of column core concretes are same. The elastic modulus of CFRP confined circular steel tube steel high strength reinforced concrete stub columns （C-CTSRC） is higher than that of C-CTCSRC during the elastic stage. The ultimate bearing loading capacity of C-CTCSRC is higher than that of C-CTSRC. The results also indicate that CFRP and steel tube can work together when they are bound well.

Key words：CFRP-steel composite tube；

bearing capacity；

axial compression；

high strength reinforced concrete；

stub column

0引 言

在高層、超高层建筑结构中，底层柱往往要承受很大的荷载[1]，而普通壁厚的钢管约束混凝土柱难以满足承载力的要求，由于厚壁钢管的供货渠道少、造价高、施工困难等原因，使得钢管约束高强混凝土柱的应用受到了限制[2]；
近几年出现的碳纤维增强复合材料（CFRP）具有较高的抗拉强度[3]、耐高温、耐腐蚀等特性，将CFRP纤维布与钢管约束高强混凝土柱相结合，可以弥补普通钢管约束高强混凝土柱承载力不足的缺陷，并在一定程度上解决钢管的腐蚀问题，增强钢管的抗火性能。

中国对CFRP-钢管-混凝土组合柱的研究起步较晚。在此之前，学者们对FRP约束混凝土柱已进行了大量研究[4-7]，但由于其脆性较大，使其在工程中的应用受到限制。王庆利等[8]提出了CFRP-钢复合管混凝土结构的研究设想，即在钢管混凝土柱的外部包裹CFRP纤维布形成CFRP-钢管混凝土复合柱。此后，顾威等[9-10]对CFPR约束钢管混凝土短柱的静力性能进行了一系列研究，Xiao等[11-12]对CFRP约束钢管混凝土柱的抗震性能进行研究。林少远[13]对FRP-钢复合管约束钢筋混凝土短柱的轴压力学性能和抗震性能进行了研究，建立了FRP-钢复合管约束钢筋混凝土圆柱的应力-应变关系模型；
冉江华[14]对FRP-钢复合管约束型钢高强混凝土柱的轴压力学性能进行了研究，分析FRP种类、FRP层数等对柱力学性能的影响，结果表明CFRP对改善柱的静力性能效果显著。然而，学者们只对CFPR约束钢管混凝土柱或CFRP-钢复合管约束混凝土柱进行各自的研究，并没有对2种柱进行对比分析研究，而且对CFRP-钢复合管约束混凝土柱的研究不够完善。同时，对已有试验进行分析发现，核心混凝土为素混凝土或钢筋混凝土时，加载试验结束后，核心混凝土完全断裂，即抗剪承载力不足，因此本文试验在核心混凝土中植入型钢。

本文通过对8根CFRP-钢复合管约束型钢高强混凝土短柱和4根CFRP约束钢管型钢高强混凝土短柱的轴压试验，研究CFRP约束效应系数、钢管截面形式、钢管受力性能对CFRP-钢复合管约束型钢高强混凝土短柱轴压力学性能的影响，最后通过对比分析，得出柱截面形式、钢管受力性能对柱力学性能的影响规律以及CFRP约束效应系数与承载力提高率的相互关系。

1试验概况

1.1试件设计

共进行8根CFRP-钢复合管约束型钢高强混凝土短柱和4根CFRP约束钢管型钢高强混凝土短柱的轴压试验，CFRP-钢复合管约束型钢高强混凝土短柱及CFRP约束钢管型钢高强混凝土短柱横截面及立面如图1，2所示。

试件设计柱高L=540 mm，钢管内径D均为180 mm，长径比L/D=3，钢管壁厚均为3 mm，径厚比为60，内置型号为I10的工字钢，试件其他参数和极限承载力实测值见表1。试验主要研究参数为CFRP约束效应系数ζcf、柱截面形式和钢管受力性能，其中，ζcf=Acffcf/（Acfck），Ac，Acf分别为混凝土和CFRP的横截面面积，fcf，fck分别为CFRP的拉伸强度和混凝土的轴心抗压强度标准值。

钢管的受力性能是指短柱在轴心荷载作用下钢管所处的应力状态。对于CFRP-钢复合管约束型钢高强混凝土试件，由于钢管在距离上下端部50 mm处各开有一个宽度为10 mm的小槽，在荷载作用下，隔断了钢管上轴向应力的传递，钢管只承受核心混凝土膨胀所产生的环向拉应力，即钢管处于环向受拉的单向应力状态。对于CFRP约束钢管型钢高强混凝土轴压短柱试件，钢管贯穿整个柱身，在轴向荷载作用下，钢管不仅承受沿竖向的轴向压应力，而且承受核心混凝土膨胀产生的膨胀拉应力，即钢管处于轴向受压环向受拉的双向应力状态。柱中约束是指碳纤维布或钢管仅环向受力，即对混凝土柱在荷载作用下的膨胀变形施加的一种环向约束。

1.2试件制作

制作钢管时，首先将钢板按照设计尺寸裁好，经高精度卷管机卷制而成，接口焊接，保证焊接质量。然后将钢管两端在车床上刨平，保证钢管两端的平整度和钢管的垂直度，从而保证钢管在轴向荷载作用下的垂直度。对应每个卷制成的空钢管加工2块10 mm厚的钢盖板，先将型钢焊接在其中一块盖板上，保证盖板与型钢的几何中心对中；
再将空钢管套在上述型钢的外部，一端焊接在已焊上型钢的盖板上，另一端等浇筑混凝土之后再焊接，保证焊接质量。钢材强度由拉伸试验确定，按规范要求的尺寸从原钢板上裁下做成标准试件，一组3个，并按《金属材料：室温拉伸试验方法》（GB/T 228—2010）[15]进行拉伸，得到屈服强度等指标，见表2。

混凝土强度等级为C80，配合比见表3。水泥采用大连小野田水泥厂生产的P.O62.5普通硅酸盐水泥；
细骨料采用中粗砂，级配良好；
粗骨料采用石灰岩碎石，粒径5～20 mm；
微硅粉采用洛阳汇矽微硅粉有限公司生产的920U级微硅粉；
粉煤灰采用河北灵寿云飞矿产加工厂生产的Ⅰ级粉煤灰；
矿渣采用大连盛大金海科技有限公司生產的S95级粒化高炉矿渣；
减水剂采用西卡公司生产的聚羧酸高效减水剂。混凝土28 d抗压强度由同条件下成型养护的150 mm×150 mm×150 mm立方体试块试验得到，混凝土轴心抗压强度标准值为84.5 MPa。

在浇筑混凝土时，首先将混凝土从未焊接盖板的一端垂直灌入。采用分层灌入法，并用50插入式振捣棒伸入钢管内部振捣，同时用振捣棒在钢管的外壁振捣，直至钢管内部的混凝土密实。最后，使得混凝土顶部略高于钢管截面，待自然养护28 d后，用角磨机将混凝土磨至与钢管端面平齐，再将顶部钢板焊接上，以尽可能保证核心混凝土和钢管在加载之初就能共同受力。在距离试件上下端部约50 mm处，切割剥离一个宽度为10 mm的圆环，使钢管不承受轴向荷载。

上述试件养护28 d后，在钢管外部粘贴CFRP纤维布。本文试验采用日本东丽公司生产的UT70-30碳纤维布，其主要技术性能见表4。

规范管理委员会于2001年9月制定的《粘贴碳纤维增强复合材料加固混凝土施工与验收暂行规定》执行，具体步骤如下：

首先用40目的砂纸对钢管进行初步打磨，待钢管呈银白色停止打磨，然后用被酒精浸透的纱布擦拭钢管外壁，直至将肉眼可见的污物擦干净为止。将甲乙2组分按说明书规定的比例混合均匀，用刷子将其涂于钢管外壁，用碳纤维布包裹钢管，再将碳纤维布刷上胶，直至碳纤维布被完全浸透。用刮板沿环向反复碾压碳纤维布，将内部气泡全部排出；
碳纤维布的搭接长度为200 mm；
最后将碳纤维布表面均匀涂上浸渍胶，并用刮板反复碾压。浸渍胶力学性能见表5。

1.3测量和加载装置

试验在大连理工大学结构工程实验室1 000 t试验机上进行，为了准确测量试件的应变，每个试件在距离上下端部约50 mm处沿环向等间距布置4个横向应变片，在试件中部布置横向和纵向应变片，共4对。沿试件纵向对称布置2个LVDT（线性可变差动变压器），用以测定试件的纵向变形。

试件的加载方式为：在弹性范围内，按力加载，加载速率为1.5 kN·s-1左右；
在试件屈服后，按位移加载直至试验结束，加载速率为0.3 mm·s-1。采用IMC数据采集系统采集数据。试验测量和加载装置如图3所示，其中，N为荷载。

2试验现象与结果分析

2.1试验现象与破坏模式

对试验全过程进行观测，对于试件A-CTCSRC235-3-I-C0，加载初期试件荷载-位移曲线呈线性关系，且试件外形无显著变化；
随着荷载的增加，试件刚度随之下降进入弹塑性阶段，试件出现微小鼓曲；
当达到峰值荷载附近时，钢管表面有黑色氧化层脱落；
峰值荷载之后，纵向变形继续增长而荷载缓慢下降，当达到峰值荷载的85%左右时，荷载-位移曲线逐渐接近水平线，钢管中部出现鼓曲。试验结束后将钢管剖开，观察发现混凝土短柱呈现剪切破坏形态，混凝土短柱表面分布着许多竖直方向的裂缝。试件破坏后外形如图4所示。

试件A-STCSRC235-3-I-C0在峰值荷载之前基本与试件A-CTCSRC235-3-I-C0的试验现象相似；
峰值荷载之后，荷载随着变形增加下降较快，当达到峰值荷载90%左右时，荷载-位移曲线逐渐趋于水平。试验结束后，将钢管剖开，发现角部混凝土被压碎，混凝土剪切破坏不明显。试件破坏后外形如图5所示。

对于CFRP-钢复合管约束型钢高强混凝土柱，峰值荷载之前，柱外观变形不明显，伴随有局部CFRP纤维布断裂的噼啪声；
随着柱中部四分之一[CM）][LL][LL]高度范围的CFRP纤维布突然断裂，达到峰值荷载后急速下降，CFRP层数越多，降幅越大。之后试件的变形以及最终破坏形态与上述钢管约束型钢高强混凝土短柱基本相同。试验结束后，将钢管剖开，核心混凝土呈剪切破坏，剪切角在55°～70°之间。柱破坏形态如图6所示。

2.2试验结果分析

2.2.1CFRP约束效应系数的影响设CFRP-钢复合管约束型钢高强混凝土轴压短柱的极限承载力为Nu，cf，与其对应的钢管约束型钢高强混凝土轴压短柱的极限承载力为Nu，s，定义（Nu，cf-Nu，s）/Nu，s为承载力提高率。图7为CFRP约束效应系数与承载力提高率的关系曲线。由图7可知，CFRP-方钢复合管约束型钢高强混凝土轴压短柱的极限承载力提高率随着约束效应系数ζcf的增加近似呈线性增加，CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土轴压短柱的极限承载力提高率随着约束效应系数的增加近似呈指数形式增长，即对于相同混凝土截面面积的圆形柱和方形柱，约束效应系数相同时，CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土轴压短柱的承载力提高率高于CFRP-方钢复合管约束型钢高强混凝土轴压短柱的承载力提高率。

2.2.2柱截面形式的影响

图8为CFRP-钢复合管约束型钢高强混凝土短柱的荷载-位移（N-Δ）曲线。由图8可知，对于具有相同混凝土截面面积的圆形和方形钢管约束型钢高强混凝土轴压短柱，圆形截面的承载力明显高于方形截面，提高率近50%。对于具有相同CFRP层数的圆形和方形CFRP-钢复合管约束型钢高强混凝土轴压短柱，圆形截面的承载力明显高于方形截面，而且提高率随着CFRP层数的增加而逐渐增大。

2.2.3钢管受力性能的影响

钢管的应力状态对试件的弹性模量有重要影响。图9为相同CFRP层数时试件在不同钢管受力下的荷载-位移曲线。在弹性工作阶段，由材料力学有关理论可知，图9中曲线的斜率近似等于试件的弹性模量。因此，除图9（d）中试件A-CTSRC235-3-I-C4外，CFRP约束钢管型钢高强混凝土短柱的弹性模量均高于CFRP钢复合约束型钢高强混凝土短柱的弹性模量。在试件进入屈服阶段前，钢管处于环向受拉轴向受压的双向应力状态下，试件的弹性模量高于钢管仅处于环向受拉单向应力状态下的弹性模量。对加载结束后试件A-CTSRC235-3-I-C4的外观进行细致观察，[HJ1.73mm]发现距上端板下部约20 mm处钢管明显向外鼓出，可以得出图9（d）中试件弹性模量反常主要是由试件上部混凝土浇筑不密实导致的。

钢管的应力状态对试件承载力有显著影响。由图9可知，CFRP-钢复合管约束型钢高强混凝土短柱的极限承载力均高于CFRP约束钢管型钢高强混凝土短柱的承载力。当钢管仅处于环向受拉的单向应力状态时，钢管对核心混凝土具有很好的约束效果，能够显著提高试件的极限承载力。

2.3CFRP与钢管协同工作分析

图10为钢管和CFRP纤维布荷载N与环向应变ε的关系曲线。[HJ2.75mm]由图10可知，从开始加载到最终CFRP断裂，CFRP与钢管的环向应变基本保持一致，说明按照本文说明的步骤粘贴CFRP纤维布可以保证钢管和CFRP纤维布协同工作。N-ε曲线表明：进入塑性阶段后，圆形试件的承载力随着应变的增加而缓慢增加，CFRP和钢管对核心混凝土的约束较好；
方形试件的承载力随着应变增加而逐渐下降，CFRP和钢管对核心混凝土的约束较差，这就从本质上验证了圆形截面柱的约束效果显著。

3结语

（1）CFRP-方钢复合管约束型钢高强混凝土短柱的极限承载力提高率随CFRP约束效应系数的增长呈线性增加；
CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土短柱的极限承载力随CFRP约束效应系数的增加呈指数形式增长。

（2）CFRP约束效应系数相同时，相同核心混凝土截面面积的CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土短柱的极限承载力显著高于CFRP-方钢复合管约束型钢高强混凝土短柱的承载力，而且提高率达到50%。

（3）在弹性工作阶段，CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土短柱的弹性模量高于CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土短柱的弹性模量；
CFRP-圆钢复合管约束型钢高强混凝土短柱的极限承载力高于CFRP约束圆钢管型钢高强混凝土短柱的极限承载力。

（4）在保证CFRP粘贴工艺的前提下，CFRP纤维布断裂前，CFRP与钢管能够协同工作。

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