GFRP约束混凝土短柱力学性能及工程应用

崔玉奇 姜景山 戈宇 张九汉 高乐 徐凯 孟鹏飞 张超

【摘 要】GFRP约束混凝土短柱是在预先制成的GFRP管内浇灌混凝土形成的一种复合结构短柱，具有耐腐蚀、抗疲劳性好、施工方便、经济效益好等优点。文章介绍了GFRP约束混凝土短柱的优点及其工作原理。从抗震性能和轴压性能两个方面阐述GFRP约束混凝土短柱力学性能的研究现状，并结合GFRP约束混凝土短柱的工程应用，提出其未来研究的方向。

【关键词】GFRP管;抗震性能;轴压性能;工程应用

【中图分类号】TU398.9 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）10-0102-03

0 引言

纵观我国目前的建筑结构形式，钢筋混凝土结构得到广泛应用，虽然钢筋混凝土具有刚度大、整体性好、承载力高等优点，但是钢筋的锈蚀和混凝土的开裂一直是困扰工程建设的大问题。GFRP混凝土柱不仅具备上述结构的优点，而且还能克服上述结构的缺点。自GFRP管混凝土诞生之日起，就吸引了广大科学家的关注。近年来，随着科学家对于其研究的深入，GFRP混凝土柱在高层建筑、桥梁结构、地下工程等工程中得到广泛应用。

1 GFRP约束混凝土柱的基本原理及结构特点

1.1 基本原理

混凝土是一种脆性结构，受压容易开裂。GFRP管是一种薄壁结构，受力容易弯曲。将混凝土浇灌进预先设计好的GFRP管中，由于浇灌了混凝土，GFRP管的弯曲受到了阻碍，因此可以延缓或者阻止GFRP管弯曲，而混凝土受到外围GFRP管的约束，使其在受力状态下处于三向受力，并且其开裂受到约束，使混凝土需要相对于原来更大的力才会开裂，提升了混凝土柱的延展性和承载力。

1.2 结构特点

（1）承载力高、抗震性能好。在GFRP管内灌注混凝土，使GFRP管的局部稳定性得到提高，同时GFRP管使混凝土在受力后开裂得到阻碍，使其需要在更高的作用力下才会开裂，提高了混凝土的核心承载力，使其表现出良好的抗震性能。

（2）耐腐蚀性好。GFRP管化学性能稳定，不会与酸碱盐发生反应，能够有效抵抗氯离子的腐蚀，可以代替不锈钢材料，并且在恶劣环境下也能保持良好的工作性能，适合在沿海、地下潮湿环境中使用[1]。

（3）电性能好。GFRP材料是电磁中性，具有优良的绝缘性，能够用来制作绝缘体，在高频电的刺激下依然能够保持良好的绝缘性，如今已被广泛地应用于雷达天线罩之类的产品生产中。

（4）经济效益好、施工方便。GFRP材料相对于其他纤维复合材料，价格便宜、取材便利。同时，GFRP管可作为施工过程中浇筑混凝土的模板，能节省模板费用，加快施工速度，也可以根据工程的需求，预先定制，节省施工时间，降低人工成本。

（5）防火性好。GFRP是一种电磁中性材料，具有传热慢、瞬时耐高温等特点，使其在发生火灾时可以减缓火势的增大，使人们有更多的时间自救，也减缓了建筑物的坍塌速度，为摩天大楼之类的建筑的消防问题找到了解决办法[2]。

（6）质量轻、比强度高。相对于普通钢材，GFRP的质量轻，甚至比铝还轻，但是其机械强度接近于碳素钢，使其能够成为结构受力构件，同时GFRP的比强度高，其比重为1.4～2.0，而钢材的比重接近其4倍。

（7）可设计性好。GFRP材料可以根据工程的使用环境、荷载要求等，改变原料的数量比例等，设计出在特定方面专用的产品。

2 GFRP约束混凝土柱力学性能的研究

2.1 GFRP约束混凝土柱抗震性能研究现状

顾冬生对于5根高轴压比GFRP短柱进行试验，探求GFRP加固高轴压比钢筋混凝土短柱的抗震性能。试验结果表明，GFRP加固高轴压比钢筋混凝土短柱的延展性更好和承载量更大，相对于普通混凝土柱试件，具有较好的抗压性能[3]。

Saadatmanesh通过FRP加固矩形截面钢筋混凝土桥墩滞回性能试验探求其抗震性能，试验结果表明，加固后的试件的延展性和耗能能力得到了提升，其核心承载力得到了提高，具有良好的抗震能力[4]。

卓卫东和范立础通过拟静力和地震模拟振动台模型试验探求GFRP管-混凝土组合桥墩的抗震性能，其模拟的数据是1.28%。实验结果表明，GFRP管-混凝土组合桥墩具有良好的抗震性能，相对于普通混凝土桥墩，其在地震中损坏的概率大大降低[5]。

Shao和Mirmiran在低周反复加载的情况下，探求GFRP管的纤维铺设层数和加钢筋是否对GFRP约束混凝土抗震性能有影响，实验结果表明，纤维铺设层数沿纵向较少时，GFRP约束混凝土柱发生脆性破坏的可能性较低，纤维铺设层数沿纵向较多时，GFRP约束混凝土柱发生脆性破坏的可能性较高，同时GFRP管混凝土柱铺设适量的钢筋能够有效地改善其抗震性能[6]。

从上述实验看出，GFRP管能够有效地提高混凝土柱的抗震性能，并且其衍生出的其他GFRP管混凝土结构也能有效地提高混凝土柱的抗震性能，目前对于GFRP约束混凝土的短柱的抗震性能的实验研究已经较为充足，但是对于长柱及衍生出的其他GFRP再生混凝土柱及钢骨混凝土柱的抗震性能的研究还是较少的，需要学者们进一步实验，探求更多有关GFRP管混凝土柱中的实验参数对于其抗震性能的影响。

2.2 GFRP约束混凝土轴压性能的研究现状

王清湘等人在2009年通過有无GFRP套管钢筋混凝土短柱轴压性能的对比试验，探求GFRP管的受力方式，混凝土强度等对于GFRP套管钢筋混凝土组合短柱轴压力学性能的影响，试验表明，混凝土的强度和变形能力在配置GFRP管后得到很大的提升[7]。

杨俊杰等人在2014年通过GFRP约束混凝土柱承载力轴压性能试验得出纤维铺设角度混凝土强度对GFRP约束混凝土柱极限承载力和延展性的影响。试验结果表明，随着纤维铺设角度的增加，混凝土柱的承载力和极限应变减小，随着混凝土强度的增高，混凝土柱的承载力增加，但是极限应变力有所下降[8]。

宋志刚等人为了将GFRP约束混凝土更好地应用到实际施工中，对于其承载力进行研究，通过ABAQUS模拟分析，探求其壁厚、混凝土强度、钢骨刚度及其截面面积对于柱的轴压性能的影响，通过控制其他变量一致，改变要研究的变量，通过有限元软件读取其极限承载力，探求相关变量对于GFRP管混凝土轴压性能的影响。实验结果表明，壁厚、混凝土强度、钢骨强度及其截面面积的增加能够使轴压性能提高[9]。

张东兴等人为了探求GFRP管增强混凝土柱的力学性能，在单轴压力的情况下进行了试验研究，试验结果表明，受GFRP管的约束，混凝土柱的强度和韧性得到了较大提升，从而证实了GFRP管约束混凝土的可行性[10]。

周乐等人为了研究FRP管的纤维缠绕角度、管厚对GFRP约束混凝土轴压性能的影响，进行了4根FRP管约束混凝土柱轴压性能试验，试验结果表明，FRP约束混凝土柱的轴压性能随着FRP管的纤维缠绕角度增大而减小，随着FRP管纤维缠绕角度的减小而增大，同时随着FRP管直径的增大，FRP约束混凝土的轴压性能增强[11]。

上述实验主要探求各种实验参数对混凝土柱轴压性能的影响，并总结得出规律。考虑到组合柱通常处于偏心受压的情况，对于在该种情况下的实验研究还需加强，同时考虑到GFRP管的特点，学者也可以依据GFRP管的特点，在具体的情况下开展实验研究，使GFRP管的优点得到充分利用。

3 工程应用

鉴于GFRP管混凝土柱的价格相对于其他纤维复合混凝土短柱的价格便宜，自面世以来，它得到广泛应用。考虑到GFRP材料的防火性、承载力高及耐腐蚀等特点，它在下列工程中起到了很大的作用。

（1）高层建筑结构。GFRP约束混凝土柱由于抗震强、承载力高等特点，所以在高层建筑中得到推广，其优化了高强度混凝土柱的脆性问题，在一定程度上解决了高层建筑的胖柱问题，同时解决了钢管混凝土的锈蚀问题，极大地提高了混凝土柱的使用寿命。

（2）桥梁工程结构。桥梁工程跨度大，GFRP约束混凝土短柱弹性性能好，很好地满足了大跨度结构的需求。同时，对于桥梁入水部分特别是要浸泡在海水中部分，GFRP作为一种耐腐蚀材料能够延长工程的使用寿命。

（3）地下工程。由于地下环境潮湿，所以钢筋容易生锈，使钢筋混凝土柱的使用寿命大打折扣，导致工程质量降低，并且提高了日常维护成本，而GFRP材料优秀的耐腐蚀性能够在恶劣的环境中保持良好的工作性能，能延长地下工程的使用寿命，同时GFRP材料便宜，为建设单位节约了成本。

（4）防护工程。混凝土是一种脆性结构，在防护工程遭受爆炸和冲撞时极易开裂，因此普通混凝土不满足防护工程的防护要求，以前主要采用增强混凝土的强度和钢纤维混凝土增强防护工事的防护强度，而混凝土的脆性会随着强度的增大而增大，钢纤维会造成混凝土结块，对于提升防护工事的防护性起不了太大的作用。如今，应用GFRP混凝土可以杜绝上述问题，并且能够提升防护工事的强度。

4 应用前景与展望

随着绿色环保的建筑概念深入人心，以及我国建筑节能标准的不断提高，GFRP管将更多地被应用到建筑中，节约建筑成本。GFRP管在原材料、生产工艺的开发过程中能减少污染，并且可以将GFRP以其他形式应用于建筑中，充分利用GFRP材料的优点[11]。目前，实验研究主要集中于对短柱的研究，而实际应用中长柱才是主体，所以要加强对长柱状态下GFRP约束混凝土力学性能的研究。

为了节约经济成本，最大限度地发挥GFRP管的优势，人们需要在设计使用GFRP约束混凝土柱的时候，找到GFRP管最佳的径厚比，防止管壁太薄，导致GFRP管的约束能力不够，也要防止管壁太厚，导致材料的力学性能不能得到充分发挥[12]。

5 结语

GFRP管混凝土是由GFRP管和混凝土组合的结构，随着人们对于耐火性和抗震性能及经济效益的追求，人们可以基于现有的材料组合出类似GFRP钢骨混凝土柱的其他新结构，综合各种材料的优点。随着各种新型材料的面世，会涌现更多具有良好力学性能的组合材料。

大量的实验和工程应用表明，GFRP管能提高混凝土的性能，两者的结合既保留了双方了优点，又解决了两者的问题。混凝土阻止了GFRP管薄壁结构局部发生弯曲，而核心混凝土又因为GFRP管的约束提高了核心承载力，但是目前的研究还局限在低周反复荷载和短柱领域，未来需要学者做更多的实验予以补充和完善。

参 考 文 献

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