碳纤维布部分包裹圆钢管混凝土短柱轴压性能试验研究

黄春晓，王 伟，王 颖，潘福婷

(1.建筑结构安徽省普通高校重点实验室(安徽新华学院)，安徽 合肥 230088；2.安徽新华学院土木与环境工程学院，安徽 合肥 230009；3.安徽给排水设计研究院有限公司，安徽 合肥 230011)

1 引言

碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastic/polymer，CFRP)由于其重量轻、抗拉强度高、施工方便等优点，可以极大程度地提高构件的极限强度和延性，在加固工程中得到广泛的应用[1-2]。钢管混凝土柱在高层和高耸建筑中应用较多，但是由于外钢管的局部屈曲和腐蚀问题，会导致构件的承载力下降，进而降低结构的耐久性[3-4]。在钢管混凝土柱外层包裹CFRP材料，使核心混凝土处于外钢管和CFRP材料的双重约束之下，可以提高钢管混凝土柱的受压承载力和耐久性[5-6]。

目前，已有学者对CFRP包裹钢管混凝土构件开展了研究工作。Park等[7]通过试验研究了轴压荷载作用下CFRP约束钢管混凝土的受力性能。Yu等[8]研究了CFRP全包裹钢管混凝土柱在循环轴压荷载作用下的受力性能。陶忠等[9]对CFRP全包裹的耐火钢管混凝土柱和梁的轴压性能及弯曲性能进行了试验研究。试验结果均表明，CFRP材料的包裹作用对钢管混凝土构件的承载力有显著的提高。

以上研究主要针对CFRP全包裹的钢管混凝土构件，对于CFRP部分包裹的钢管混凝土柱的轴压性能研究较少。本文对CFRP部分包裹的圆钢管混凝土短柱进行轴压试验，分析钢管强度、CFRP包裹层数和CFRP包裹间距等参数对试件轴压性能的影响。并在试验的基础上，提出CFRP部分包裹圆钢管混凝土短柱轴压承载力的计算公式。

2 试验概况

2.1 试件设计

本文设计了8根CFRP部分包裹的圆钢管混凝土短柱，试验参数分别为钢管强度、CFRP包裹层数和CFRP包裹间距，如表1所示。钢管外径均为140mm，厚度为6mm，高度为450mm。试验中采用的CFRP材料为单向承载力抗拉纤维布，宽度均为50mm。试件示意图见图1。

图1 试件示意图

表1 试件设计参数

2.2 材料特性

外钢管选用名义屈服强度为235MPa和345MPa的无缝圆钢管，其力学性能见表2。CFRP材料的力学性能指标见表3。核心混凝土选用高性能和高自密实性的商品混凝土(SCC)，其标准立方体抗压强度试验值为31.2N/mm2，弹性模量为30521.3 N/mm2，根据ACI规范将其轴心抗压强度标准值定为0.67fcu。

表2 钢材特性

表3 CFRP材料特性

2.3 试验装置和加载制度

试验均在合肥工业大学结构工程实验室进行。先将一块50mm厚的钢板焊接到圆钢管的底部，再将自密实混凝土浇注到钢管中并在实验室中进行养护。一个星期养护期结束后，将另一个50mm厚钢板焊接到圆钢管混凝土柱的另一端，以确保施加均匀的轴向荷载。试验现场装置如图2所示，使用500t液压万能试验机向柱端施加竖向荷载。

图2 试验加载示意图

在柱顶、柱底和跨中布置三个线性位移传感器，如图3所示。在钢管壁和FRP纤维布上应力较大和变形较大的部位布置环向应变片，记录应变量，得出应力分布，如图4所示。

图3 位移计布置图

图4 应变片布置图

正式加载前进行预加载，向柱端施加预计极限荷载的10%，保持2分钟后将荷载增加到60%，保证试件和底座紧密接触，仪器与装置正常工作。正式加载为分级加载，每级荷载为预计极限荷载的5%，持载4分钟测量数据，直到试件破坏，继续加载至施加轴力下降至极限荷载的80%，试验结束。

3 试验结果

3.1 试验现象

试验表明，由于核心混凝土的填充作用，阻止了外钢管向内屈曲，组合短柱的主要破坏模式为向外屈曲。然而，钢管向外屈曲的部位主要发生在未包裹CFRP纤维布的部位，此外，在包裹区域出现了胶体剥落和CFRP纤维布严重断裂的现象。

这些现象表明，CFRP纤维的拉伸性能在组合短柱的轴压试验中得到了充分利用。试验结束后，剥除外层CFRP纤维，剖开外钢管后发现，核心混凝土表面发生褶皱鼓曲，并伴有部分压溃的现象，破坏模式和外钢管保持一致，如图5所示。

图5 CFRP约束钢管混凝土短柱的失效模式

3.2 试验结果分析

图6所示为CFRP部分包裹的钢管混凝土短柱的轴压荷载-轴向变形(N-δ)曲线。在加载初期，试件处于弹性阶段，当荷载达到极限强度时，由于外钢管的局部屈曲和CFRP纤维布的断裂，曲线突然下降。

3.2.1 钢材屈服强度

图6(a)所示为钢材屈服强度对组合短柱的轴压性能的影响。试件AS11的极限承载力比AS12低15.6%，而对初始刚度的影响不大。试验结果表明，钢材屈服强度越大，组合短柱的极限承载力越大。

图6 短柱的轴压荷载-纵向应变(N-δ)曲线

3.2.2 CFRP包裹层数

图7(b)所示为CFRP包裹层数对组合短柱的轴压性能的影响。相比于未包裹CFRP纤维布的试件AS21，包裹层数分别为1、3和5层的试件AS22、AS12和AS23的极限承载力分别高6.3%、13.4%和20.6%。试验结果表明，随着CFRP纤维布包裹层数的增加，组合短柱的极限承载力逐渐增大，对初始刚度的影响不大。

图7 短柱不同截面高度处钢管的N-δ曲线

3.2.3 CFRP包裹间距

图6(c)所示为CFRP包裹间距对组合短柱的轴压性能的影响。相比于未包裹CFRP纤维布的试件AS21，包裹间距分别为0、30、50和100mm的试件AS31、AS32、AS12和AS33的极限承载力分别提高了26.1%、18.7%、13.4%和5.1%。试验结果表明，随着包裹间距的增大，组合短柱的极限承载力逐渐减小，对初始刚度的影响不大。

从试验结果可以得出，CFRP的约束作用明显提高了钢管混凝土短柱的极限承载力，而对初始刚度的影响不大。此外，当CFRP碳纤维布突然断裂的时候，所有试件的N-δ曲线出现了明显的下降。所以，轴压荷载作用下，CFRP约束圆钢管混凝土短柱的延性比没有CFRP约束的组合短柱低。

3.3 钢管荷载-应力曲线

采用文献11给出的钢管应力-应变分析方法，得出短柱的轴向荷载和钢管应力的关系曲线。图7所示为轴心荷载作用下部分约束钢管混凝土短柱不同截面高度处钢管的N-δ曲线，中部CFRP碳纤维布率先断裂，而两端基本未发生断裂，靠近短柱中部非包裹区钢管先屈曲，包裹间距越大，钢管越易屈曲。结果表明，钢管底部和顶部的纵向应变基本对称，随着荷载的增大，CFRP碳纤维布出现破裂现象，拉伸应变可以达到极限应变，说明CFRP纤维布在组合短柱中充分增强了抗拉性能。

4 组合短柱的极限强度

目前，由于对CFRP部分包裹的钢管混凝土组合柱的研究较少，本文采用统一理论的方法，提出轴压荷载作用下CFRP部分包裹的圆钢管混凝土组合短柱的简化计算公式。

4.1 统一理论方法

不同于EC4[10]给出的简单的叠加方法，Han推荐的统一理论方法将钢管混凝土构件中的钢管和核心混凝土作为一种组合材料。利用钢管混凝土柱的整体几何特性和复合力学参数来计算轴向抗压性能。对于轴压荷载作用下的圆钢管混凝土短柱，简化的设计方法如下：

N=Ascfscy

(1)

fscy=(1.14+1.02ξ)fck

(2)

其中，N为轴压荷载作用下钢管混凝土短柱的轴向抗压，fscy指试件的统一强度，Asc指钢管混凝土短柱的截面面积。

4.2 CFRP部分包裹钢管混凝土短柱简化经验公式

基于轴压荷载作用下普通的钢管混凝土短柱的统一理论计算方法，本文提出了一种轴压荷载作用下CFRP约束的钢管混凝土短柱的简化设计方法。该方法是一种考虑了混凝土强度、钢材强度、CFRP极限强度和CFRP包裹层数的简化模型。

当轴压荷载施加在这种组合短柱的横截面上时，核心混凝土和外钢管会向外扩展。与此同时，CFRP材料在横向受到的张力提供的约束效应开始抵抗横向扩展。因此，在包裹区域，CFRP材料可以防止钢管的外扩。在CFRP带到达极限强度后，会发生突然的断裂。根据CFRP约束钢管混凝土短柱的试验结果，简化计算方法如下：

Nu,scf=Ascfscf

(3)

fscf=(1.14+1.02ξ+0.265αf-0.046ξf-0.902αf2 -0.024ξf2+0.732αfξf)fck

(4)

ξf=AfrpPf/(Acfck)

(5)

αf=b/(a+b)

(6)

其中，fscf指CFRP约束钢管混凝土短柱的标准强度；Pf指CFRP布的标准强度；Asc和Afrp分别指组合柱和CFRP布的截面面积；ξf指CFRP布给钢管混凝土柱的约束系数；αf指沿着组合柱高度方向的包裹比；b是纤维条的宽度，a是CFRP的包裹间距。

将计算承载力和试验结果进行比较，见表4。结果表明，计算所得结果(Nu,c)和试验结果(Nu,t)吻合良好。

表4 试验和计算结果对比表

5 结论

5.1 CFRP约束圆钢管混凝土短柱的失效模式主要包括：钢管壁局部屈曲，CFRP纤维布的断裂和核心混凝土压碎。组合短柱的外凸曲主要位于未包裹区，表明CFRP纤维布的约束可以显著的防止组合短柱的薄壁钢管向外凸曲。

5.2 随着钢材强度和CFRP包裹层数的增加，CFRP部分包裹圆钢管混凝土短柱的轴压承载能力逐渐增大，而当CFRP包裹间距增大时，其轴压承载降低。CFRP参数的变化对组合短柱轴向刚度的影响不大。试验结果表明，轴压荷载作用下与CFRP全包裹的圆钢管混凝土短柱相比，采用合理的部分包裹办法也可以得到明显的增强承载力的效果。CFRP部分包裹的钢管混凝土短柱的轴压荷载(N)-纵向压缩应变(δ)曲线从峰值突然下降是由于CFRP碳纤维布的破裂和整体屈曲。随着CFRP的断裂，试件N-δ曲线出现突然下降。研究表明，其下降幅度与CFRP体积约束率有关。

5.3 在统一理论的基础上，提出了轴压荷载作用下CFRP约束圆钢管混凝土短柱的简化计算经验公式，并通过试验结果进行了验证。简化计算公式可以为CFRP应用于钢管混凝土结构提供一种有效的设计方法。