基于FRP加固钢管混凝土柱承载力计算的比较分析

褚思文, 顾迅杰, 余 颖

（安徽建筑大学土木工程学院，合肥，230601）

基于FRP加固钢管混凝土柱承载力计算的比较分析

褚思文, 顾迅杰, 余 颖

（安徽建筑大学土木工程学院，合肥，230601）

目前，FRP作为一种新型增强复合材料，因其优点明显，广泛应用于建筑结构加固。针对FRP加固修复钢管混凝土柱，简要介绍其加固形式及承载力特性，依据给出的两个承载力计算公式，分别以两公式对试验构件进行承载力计算,并与试验值比较，得出计算承载力更为精确的公式。结果可为今后钢管混凝土加固修复技术研究提供相关理论参考。

FRP；钢管混凝土结构；承载力；加固

0　引　言

钢管混凝土由于其在受压承载力高、施工简便等方面优点明显，适应现代建筑向大跨度、重载及复杂结构发展的需要，符合现代快速施工工艺及产业化要求，已广泛应用于建筑工程中，并取得良好的经济效益。钢管混凝土主要有承载力高、施工效率高、耐火性能好、经济效益高等优点［1,2］。然而钢管混凝土在使用过程中可能会出现各种缺陷及破坏，影响结构的正常使用，例如受到自然的侵蚀或人为或外部荷载破坏，使结构出现各式损伤或缺陷、结构实际承受的荷载超出设计荷载使结构产生损伤、结构使用时间超出设计寿命使其承载力无法保障结构安全性。为了确保建筑及结构的安全，避免对社会及人民财产造成危害，必须对出现以上问题的结构进行加固或修复。

目前常用的钢管混凝土加固方法主要有加大截面法、外包钢加固法、预应力加固法、粘贴纤维增强聚合物法等［3］。纤维增强复合材料即FRP （Fiber Reinforced Polymer）具有强度高、质量轻、防腐性能好及易施工等优点，目前已广泛应用于各种结构加固以及复杂环境下结构的加固中［4］。FRP在钢管混凝土加固技术中的应用是采用专用粘结剂将FRP片与待加固结构表面黏贴，使部分荷载通过黏胶层作用于FRP片上，减小受损处的应力。FRP加固技术是一种前景很好的新型材料加固技术，现阶段已广泛在工程实际中应用［5］。

1　FRP在钢管混凝土中加固技术及应用

1.1FRP加固技术

目前国内外针对FRP加固技术的研究主要集中在抗弯加固性能、抗剪加固性能和抗震加固性能这三点中，而且广泛应用于实践中［6］。通过对试验研究及工程实践的分析，可以得出FRP加固技术主要有以下几个优点：

（1）FRP可对不同结构及不同损伤部位进行加固，可通过控制包裹的层数及厚度对不同程度的损伤进行加固。

（2）FRP加固不会对构件的尺寸产生明显的扩大，不会对构件的使用功能产生影响，对整个建筑物的使用空间影响很小。由于FRP的自重轻，加固后对整个建筑自重的影响可忽略不计。

（3）FRP的化学性质稳定，耐久性能好，可抵抗酸、碱等的腐蚀，使FRP加固技术在环境较复杂的地方得以应用。

（4）FRP属于柔性材料，可根据损伤部位及形状随意裁剪。

1.2FRP加固钢管混凝土的常用情况

FRP加固修复钢管混凝土结构常存在两种情况：加固未受损结构构件,提高其承载力和刚度；修复受损伤结构构件，恢复构件承载力及刚度［6］。当加固的FRP材料受到剪应力作用时，会发生弯曲变形，为保证变形后构件仍保持直线状态，则需沿构件截面对称布置，常为环形布置。由此将FRP加固钢管混凝土结构的形式分为两种：全约束式（如图1）和等距环肋式（如图2）。

图1　FRP全包裹加固钢管混凝土结构示意图

图2　FRP等距环助加固钢管混凝土示意图

2　FRP加固钢管混凝土柱承载力分析

分析实验数据表明，FRP加固钢管混凝土柱承载力主要受到钢管厚度t、无侧向约束混凝土柱的极限抗压强度cf′及FRP和钢管和FRP对混凝土柱的等效约束效应系数sξ、fepξ影响。Tao等人［7］提出全约束式加固钢管混凝土柱的极限抗压强度计算公式：维增强复合材料截面积（mm²），为FRP的厚度（mm）；为FRP的极限抗拉强度（MPa）；为无侧向约束时混凝土圆柱体抗压强度（MPa）；Asc为钢管混凝土截面积（mm²）。

通过分析已有试验数据［8］，得出FRP全约束加固钢管混凝土应力-应变曲线（见图3）。

式中，Ac混凝土截面积（mm²）；As钢管截面积（mm²）；fy钢管屈服强（MPa）；Afrp为纤

图3　FRP约束加固钢管混凝土应力-应变曲线

福州大学陶忠等人［9］利用500 t的压力机上进行了FRP包裹圆钢管混凝土压缩试验，并得相关应力-应变曲线（如图4、5），并提出承载力计算公式：

图4　试验所得圆钢管（D=156 mm）应力-应变曲线

图5　试验所得圆钢管（D=250 mm）应力-应变曲线

试验采用单层厚度为0.17 mm的单向FRP，其实测强度为4212 MPa,弹性模量为255 GPa，极限应变为0.0167。试件参数如表1示。进行三组对比试验，采用分级加载制，每级荷载约为极限荷载的十分之一，每级持荷时间2分钟。分析所得数据，当为FRP为单层时，对比普通圆钢管混凝土试件，承载力提高22.72%；双层加固时，承载力提高近47.4%。

表1　试验构件参数

通过分别对文献［9］及文献［10］的18个试验构件按公式（1）和公式（4）进行承载力验算，对两式所得结果进行对比及误差计算，得出计算值与试验值比值的平均值分别为0.892和0.907及对应方差为0.0426和0.0418，可见公式（4）计算结果较接近试验值，且相对波动较小，计算过程及结果见表2及图6。故建议进行FRP全约束钢管混凝土柱结构承载力计算时采用公式（4）。

表2　各试件参数及公式计算结果

图6　试验值与计算值对比图线

3　结论

通过以上内容分析，得出以下结论：

（1）FRP具有高强度、高耐腐蚀、质量轻及耐久性好等优点，越来越被应用于土木工程的加固修复中，FRP加固修复钢管混凝土柱，可较大程度提高其承载力，取得良好的经济效益。

（2）通过分析已有试验数据及结论，给出两个FRP全约束加固钢管混凝土结构承载力计算公式及应力-应变曲线，通过比较公式（1）与公式（4）计算值与试验值的误差，得出公式（4）结果较为精确，可作为后续相关研究和工程实际应用参考。

［1］杨炳,许成祥,赵斌,等.钢套法加固方钢管混凝土柱抗震性能试验研究［J］.广西大学学报（自然科学版）,2015（05）：1051-1059.

［2］吴阳峰,刘俊,张鸿梅.外套钢管加固受损钢管混凝土短柱轴压试验研究［J］.延边大学学报（自然科学版）,2014（04）：352-356.

［3］于清. FRP约束混凝土柱研究与应用中的若干关键问题［J］. 工业建筑,2001（04）：1-4.

［4］冯鹏. 复合材料在土木工程中的发展与应用［J］. 玻璃钢/复合材料,2014（09）：99-104.

［5］张锦骁,蒋首超. FRP加强修复金属结构研究概述［J］.土木工程与管理学报,2014（02）：39-50.

［6］赵斌,杨炳,卢梦潇,等. 碳纤维布加固方钢管混凝土柱恢复力模型研究［J］. 长江大学学报（自科版）,2015（25）：52-57+5.

［7］Tao Z, Han L H, Zhuang J P. Axial loading behavior of CFRP strengthened concrete-filled steel tubular stub columns ［J］. Advances in Structural Engineering. 2007b, 10（1）：37-46.

［8］武萍,于峰. FRP约束钢管混凝土柱应力-应变关系研究［J］. 建筑结构,2013（08）：89-91.

［9］陶忠,庄金平,于清.FRP约束钢管混凝土轴压构件力学性能研究［J］.工业建筑,2005（09）：20-23.

［10］顾威,关崇伟,赵颖华,等.圆CFRP-钢复合管混凝土轴压短柱试验研究［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版）, 2004, 20（2）：118-120.

The Comparative Analysis Based On the Calculation of Reinforced Concrete Pipe Columns by FRP

CHU Siwen,GU Xunjie,YU Ying
（Department of Civil Engineering of Anhui Jianzhu University , Hefei , 230601）

Currently, in virtue of the distinct advantages, fber-reinforced plastic（FRP）, as a type of composite material,has been widely used in structural strengthening in many buildings. As to strengthening and repairment that FRP may fulfll to concrete flled steel tubular lar（CFST） columns, the study gives a brief introduction tothe form of strengthening and load bearing capacity. According to the two given the load bearing capacity formula, , this study calculates the bearing capacity of the experimental components basing on the two formula and then it has been compared to the test values and thus arrives at a more accurate one for calculating the bearing capacity.. The conclusion provides relevant theoretical reference for technology research ofwith CFST columns reinforcement and retoration in the future.

FRP；CFST columns；load bearing capacity；reinforcement and restoration

TB33

A

2095-8382（2016）04-022-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160405

2016-01-14

褚思文（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向为工程结构安全理论与应用。