圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构分析

2020-02-17舒一展

建材与装饰 2020年20期

舒一展

（安徽建筑大学，安徽合肥 230601）

0 引言

圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构自身的结构体系相对成熟，但为了明确其客观规律，就要在对其进行横向研究的过程中，配合相应的技术措施，使已有结构在发展的过程中，激发出新的生命力，并对工程实践中出现的问题进行更加高效的解决与优化改良，使圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构的前景更加广阔。

1 圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构简介

1.1 研究与应用

就当前的情况来看，有关钢管混凝土结构的研究相对丰富，且系统性较强、成果多样。例如，我国有关研究学者提出了以“统一理论”为代表的一系列理论，为钢管混凝土统一设计的实现创造了条件，且相应理论研究的先进性位于世界前列。在实践方面，我国也拥有极为丰富的钢管混凝土工程建设经验，且在全国各地均拥有大量成果（建筑）。以辽宁地区为例，省内包含的高层建筑有沈阳方圆大厦、大连边业银行大厦、鞍山移动通讯大楼、抚顺市公安局大楼、大石桥市利德大厦等等。从世界范围内来看，钢管混凝土的应用范围更加广泛，例如，在超高层建筑结构、桥梁工程、工业厂房柱、送变电杆塔、地铁站台柱等项目的施工建设中，均引入了钢管混凝土结构。

1.2 必要性

在工程建设实践中，并不存在一种结构形式是完美无缺的。对于钢管混凝土结构来说，其虽然有着较高的使用优势，且在当前得到了广泛应用，但是其中仍存在一些缺陷。多个土木工程建设实践的经验表明，当钢管混凝土柱所承受的实际荷载量相对较高时，构件截面积相对较大，此时，为了满足钢管混凝土结构对紧箍力的现实要求，必须要引入管壁厚度更高的钢管。在这样的情况下，工程中的用钢量大幅增加，且厚管壁、大直径的钢管采购难度更大，增加了整体施工的难度与成本；如果在施工中引入双层钢管，虽然能够满足上述要求，但是也会导致实际施工难度的增加；如果在施工中引入高强钢管，则会导致施工的整体造价明显上涨。总体来说，上述问题的解决有待进一步解决，需要进行重点探究。

2 圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构可行性分析

2.1 FRP 技术应用

FRP（纤维增强复合塑料）是一种由纤维材料与基体材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料，由于其具有高度耐腐蚀、自重轻等优势，在当前的土木工程中得到了广泛应用。现阶段，土木工程中应用FRP 筒钢筋混凝土结构存在两种常见形式：①对已有的结构进行改造升级、加固或是翻新，实现受载后增强。该形式在目前土木工程项目中更常使用。②在结构受载的前期，使用纤维增强复合塑料对钢材进行部分或是完全替代，因此达到增强整个结构强度的效果，实现事先增强。相比较来说，世界范围内有关于事先增强的研究数量较少。当前受到重点关注的研究为用FRP 筒体兼作模板，并内部浇筑钢筋混凝土的结构形式（FRP 筒钢筋混凝土结构）。但是，FRP 的造价成本较高，且应用于混凝土结构中容易出现筒体破裂的问题。基于此，笔者提出了一种圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构形式，能够在保留圆钢管混凝土结构和FRP 筒钢筋混凝土结构独特优势的基础上实现两者缺陷的弥补。

2.2 可行性分析

圆截面CFRP-钢复合管混凝土的具体结构形式表现为是CFRP 材料为外壁材料、钢材的复合材料为内壁材料，圆管内浇筑混凝土的结构形式。在使用圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构之前，首先应根据其具体特点与使用要求，来对其在实际运行过程中的可行性进行分析，并以此为基础确保其能够提供相应的禁锢力，以实现对混凝土机构稳固性的提升。而在此过程中，需要其能够满足两个主要条件。即约束筒体的泊松比小于被约束材料的泊松比、约束筒体自身具有较高的环向刚度与强度。而且在实际应用的过程中，需要其圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构能够在应用时，使CFRP 与钢复合管混凝土结构的之间的关系保持协调，并且在应用的过程中CFRP 与钢管的泊松比应当为0.3 左右，两者之间能够保持一个相似的特点，以提供对应的禁锢力使圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构在整体上的稳定性。而且在实际应用的过程中，能够发现CFRP 的弹性模量应当能够保持与钢材一致，并且在整体强度上要由于不同钢材，因此其禁锢力的施工效果可以得到保障。这使得从受力分析以及受力性能的角度上来看，应用圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构对整体结构稳定性的提升来说有着十分重要的作用。

2.3 关键问题研究

在实际应用的过程中，圆截面CFRP-钢复合管混凝土结构的使用能够基于其自身内部各材料之间的相互作用与优势互补，使其在实际应用中的效用要更加优异。但基于其自身结构的复杂性。在对其进行研究的过程中，需要从CFRP 管、钢管、受约束混凝土这三种材料在使用过程中的荷载作用的应力与应变关系出发进行确认，并对这三种材料的相互作用，以及CFRP 管的约束相应以及其最为合理的配置率能够进行明确，从而使在实际应用的过程中，整体的效益与质量得到保障。为此，在进行研究的过程中，可以通过建立起弹性、弹塑性、塑性、强化、二次塑流的五段线关系模型来进行钢材的本构关系研究。而在对CFRP 进行研究的过程中，需要应用线弹关系来进行研究。对于受约束混凝土的本构关系，应在对实验结果进行验算的基础上，借鉴圆钢管混凝土结构的最新研究成果来确定[2]。而在对钢管混凝土结构进行研究的过程中，需要对其约束效应吸收进行明确，从而对材料的相互作用进行衡量与明确。在对其进行研究的过程中，需要对钢管的横截面面积、钢材的屈服强度、混凝土的横截面面积、混凝土的抗压强度标准值进行获取，以了解钢管的约束效应。而研究CFRP 管对混凝土产生的约束效应，使需要吊CFRP 管的约束效应吸收，以及CFRP 管的横截面面积、CFRP 的抗拉强度、折减系数进行明确。为此，在对钢材与CFRP 之间的约束效应系数进行分析时，可以通过公式来对CFRP 管与钢管的约束效应系数比进行研究，从而明确CFRP 的配置使构件内容能否符合FRP 筒钢筋混凝土构件的实际状态。通过研究可以发现，当ξ′较小时，构件的性质更趋近于圆钢管混凝土构件，ξ′较大使时，构件则更趋近于FRP 筒钢筋混凝土构件。而如果ξ′=0 且ξ=ξs 那么构建更趋近于钢管混凝土结构。