碳纤维钢骨-钢管混凝土柱抗震性能研究

邢 民，王 越

(1. 广州地铁设计研究院有限公司， 广东 广州 510000； 2. 东北大学 资源与土木学院， 辽宁 沈阳 110819)

地震时框架柱破坏的原因可归到柱的延性问题上，如果结构柱延性不足，则在遇到地震时，就可能会破坏，造成整个结构的坍塌，在震害面前，大型建构筑物的整体抗震稳定问题急需研究。王庆利等[1]通过试验研究碳纤维钢管混凝土的力学性能(受弯、受压及扭转)。尹志雨[2]在钢管混凝土拱桥地震响应上做了研究。顾威等[3-5]对碳纤维钢管混凝土的稳定性分析及其受破坏进行加固等开展了研究。

本次试验是在钢骨-钢管混凝土柱研究的基础上[6-12]，提出一种新型碳纤维钢骨-钢管混凝土柱形式并对其进行拟静力试验，介绍了试件的设计和制作，通过观察试验现象，记录了试件的破坏过程，并对数据进行分析，研究在不同轴压比、钢管直径、碳纤维层数及混凝土强度下构件的极限荷载值及整体稳定性。主要研究了轴压比对此类柱在轴压力和往复荷载下抗震性能的影响。同时，利用有限元软件建立了9组碳纤维钢骨-钢管混凝土柱模型，对混凝土强度、轴压比、钢管直径以及碳纤维层数分别进行了定量控制分析比对，研究不同参量的变化对构件抗震性能的影响。为科研人员与设计人员提供参考与借鉴[13-17]。

1 试验材料和试验方法

现场试验共制作3根构件，各试件尺寸相同，柱高L：1.5 m，截面尺寸(B×H)：0.2 m×0.2 m，构件截面及内部型钢布置见图1。均采用C50混凝土，通过3组数据测分析得出混凝土立方体的平均抗压强度值为52.2 MPa。钢材：Q345级，钢管型号：D133×5，钢骨型号：∠50×3的等肢角钢，缀板：150 mm×30 mm、t=3 mm，间距100 mm沿柱纵向布置；构件外侧设置环向碳纤维。材料力学指标，见表1。试验主要参数，见表2。表中试件编号T代表碳纤维，G代表钢骨，U代表钢管，H代表混凝土，数字代表试件编号。

图1 碳纤维钢骨-钢管混凝土柱截面及内部型钢布置

表2 试验研究参数

试验加载装置见图2。在试件基础双侧各放一根工字钢梁。工字钢梁固定在地沟内，防止构件基座产生偏移和滑动。竖向千斤顶连接滑板保证柱顶是平移的边界条件，水平位置伺服液压机加载系统与构件相连，水平通过作动器对试件施加循环荷载，试验数据及结果均通过计算机进行实时传递。

1-反力墙；2-反力横梁；3-水平千斤顶；4-传感器；5-构件柱；6-反力纵梁；7-滑动板；8-竖向千斤顶；9-压梁；10-螺栓

图2试验加载装置图

本试验的加载方式：先控制力再控制位移的交叉控制加载法(见图3)。具体操作步骤如下：

(1) 控制固定的轴压比，在构件上加载至设计值N，使轴向压力保持不变，同时在柱侧施加循环荷载。

(2) 取设计屈服荷载的1/3倍，2/3倍，1倍加载，每级循环1次；试件在循环荷载下的荷载值为屈服荷载Py，与之对应Δy为屈服位移；构件屈服后，用位移控制，取1.0Δy、 2.0Δy、 3.0Δy、 4.0Δy、5.0Δy，…，依次加载，每级循环3次。

(3) 当荷载达到构件的承载力峰值荷载的85%或靠近允许的最大位移时，停止加载。

图3试验加载制度

2 试验现象与结果分析

试件破坏形式(见图4)。

2.1 试验现象

在加载初期，构件变化不明显，当施加荷载达到一定时，柱表面开始出现细微裂缝，CFRP表面出现白色纹路；荷载逐渐增大，CFRP布隆起，横向应变迅速增大，出现断裂现象；当荷载继续加大至构件屈服，CFRP脱离混凝土表面，裂缝数量急剧增大。进入位移控制阶段，随位移逐步增大，角钢周围混凝土出现裂纹，且裂缝宽度逐渐变大；当位移继续成屈服位移倍数增加时，试件裂缝由柱根部向上逐渐发展；当水平荷载达到极限荷载，CFRP、缀板的应变及裂缝宽度急剧增大。

2.2 滞回曲线

通过现场实验滞回曲线结果见图5。由图5可以看出：不同轴压比构件滞回曲线形状大致相同，滞回环均由弹性变形时的直线发展成为梭形，最后过度为弓形；不同轴压比时，滞回曲线均存在良好的稳定性，在达到极限荷载后，轴压比较大的曲线下降较快，同时强度降低相对较大。

图4 试件的典型破坏形态

图5滞回曲线

2.3 骨架曲线

三种构件的骨架曲线见图6，由图6可知在加载初期荷载位移呈线性变化，屈服时有明显的屈服平台，构件达到极限荷载后，加载力均逐渐下降，曲线降低相对比较缓慢，证明有比较好的塑性能力。可以看出，构件的轴压比在一定范围内越大，试件的极限承载力越低，试件后期越容易出现快速破坏的情况。

2.4 轴向变形曲线

根据图7所示的轴向变形曲线可知，在初期加载时，构件轴向变形相对比较稳定，未产生较大的突变。当加载位移逐渐提高后，构件出现屈服阶段，当位移施加到5倍～8倍的Δy时，轴向变形明显改变，试件逐渐进入破坏阶段。

图6不同轴压比下的骨架曲线

图7轴向变形曲线

2.5 延性分析

通过现场试验加载，三种试件的延性试验计算结果见表3。由表3可知，屈服荷载、极限荷载、极限位移值、延性系数及相对极限位移角均随构件轴压比的增大而减小。可以看出，构件的轴压比越小，其抗震性能越好。

3 有限元模型的建立

3.1 单元类型及网格划分

网格的划分原则对计算速度和结果起很大作用，在建模时必须用合理的方法确定网格密度。图8给出了碳纤维钢骨-钢管混凝土柱模型的截面网格划分图模型单元数8 400，节点数10 200。

表3 试验结果

3.2 模型的建立

本次模拟设置9组试件。构件截面参数为：截面尺寸0.2 m×0.2 mm，构件高度均为1.1 m，以构件的其他指标进行变化和对比。钢材本构关系是在塑性变形时考虑包辛格效应的影响下，将钢材的塑性变形阶段与强化阶段用一条斜直线简化代换。试件混凝土强度等级采用C50、C60、C70三种，钢材均采用Q345级，钢管直径选为89 mm、108 mm、133 mm，t=5 mm的钢管，缀板选用150 mm×30 mm，t=3 mm的钢板，以间距0.1 m沿柱纵向放置；构件外侧环向设置碳纤维。具体见表4。

图8网格划分图

表4 模型参数一览表

注：B为截面宽度；H为截面高度；D为钢管直径；t为壁厚；L为柱长度；fcu为混凝土抗压强度；fy为钢管屈服强度。

3.3 变形与应力分析

从图9所示的应力云图可看出，应力较大部位集中在试件底部。从钢管外混凝土的应力云图可知，外部混凝土底面均为高应力区；对钢管内混凝土，中部为高应力集中部分；从钢管的应力云图可知，底面两侧为高应力区。

4 模拟结果与讨论

4.1 碳纤维层数

从图10所示的曲线可以发现，不同碳纤维层数试件的荷载-位移曲线在弹性阶段基本一致，斜率大致相同，这表明试件的初始刚度几乎没有改变。随着碳纤维CFRP布层数设置的增大，曲线的极限荷载值有所提高。

图9各构件应力云图

4.2 钢管直径

研究表明随着钢管直径的变大，荷载-位移骨架曲线形状和变化趋势基本一致。对不同的钢管直径的构件，骨架曲线弹性阶段大致相同；试件的极限承载力隧钢管直径的提高而逐渐变大，曲线并未出现明显的下降段。

图10碳纤维层影响下滞回曲线及骨架曲线

4.3 混凝土强度

混凝土强度在一定范围内提高，曲线的峰值会相应的提高，当混凝土强度为C60、C70时，两条曲线近乎重合，可以看出混凝土强度在一定范围内提高，对整体的极限承载力有影响，当混凝土提高到C60以上时，混凝土强度的提高对整体的承载力影响不大。

4.4 轴压比

其他构件的参数不变的情况下，随轴压比的变大，曲线峰值有下降的趋势，表明构件的极限承载力有所下降；轴压比为0.3、0.4时，加载的后期骨架曲线并不会出现明显的下降趋势，表明构件的轴压比在一定范围内越大，构件后期越容易出现快速破快情况。

5 结 论

(1) 在一定范围内，混凝土强度、碳纤维层数、轴压比和钢管直径四种因素改变其中一种时，构件的荷载-位移滞回曲线受变化不大，曲线形状基本一致。

(2) 随着碳纤维层数的增多，试件的初始刚度基本不变，曲线的极限荷载值有所提高。

(3) 构件内部钢管直径变大，曲线的峰值变大，试件的极限承载力有所提高，滞回曲线及骨架曲线并未出现明显的下降段。

(4) 混凝土强度在一定范围内提高使整体的极限承载力有增大，当混凝土提高到C60以上时，混凝土强度的提高对整体的承载力影响不大。

(5) 构件的轴压比在一定范围内越大，试件的极限承载力越低，试件后期越容易出现快速破坏的情况。

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