CFRP 约束圆钢管高强混凝土短柱轴压试验研究

秦鹏，周昱，李开琼，易伟建1，

（1.工程结构损伤诊断湖南省重点实验室（湖南大学），湖南 长沙 410082；2.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082）

钢管混凝土凭借其强度高、延性好等特点在工程中应用得越来越多，国内外学者对其进行了深入研究，成果颇丰[1-2].近年来由于土木工程材料的发展，给普通条件制作高强混凝土提供了技术条件支撑.国内一些大型工程开始采用超高强混凝土.结合钢管和高强混凝土两种材料，在钢管内浇筑高强混凝土制成钢管高强混凝土结构，能有效解决高强混凝土延性较差的问题[3].然而，由于高强混凝土呈明显脆性，未充分膨胀前就发生破坏，钢管对其约束效率较低.将CFRP 外包于钢管高强混凝土以提供约束可以弥补这一缺陷[4-7].

对CFRP-钢管普通混凝土目前已有较广泛的研究，Xiao 等[8]在研究中发现，CFRP 附加的约束可使钢管混凝土柱的轴压承载力、变形能力和抗震性能得到显著提高.Tao 等[9]讨论了增加CFRP 层数对CFRP加固圆钢管混凝土柱极限承载力和延性的影响，并考虑双重约束作用推导出预测CFRP 约束钢管混凝土轴压承载力公式.Tao 等[10]还对火灾后CFRP 修复的钢管混凝土梁柱进行了研究，结果表明碳纤维加固的梁柱的极限强度和抗弯刚度随碳纤维布层数增加而增加，同时增加CFRP 层数有助于提升试件延性.Teng[11]等通过对CFRP-钢管混凝土力学性能的研究发现，CFRP 能有效地提高钢管混凝土的承载力和延性，对薄壁钢管混凝土改善效果更为显著.Ding 等[12]通过1 个FORTRAN 程序，讨论并确定了碳纤维层数对核心混凝土钢管极限承载力的影响.已有研究表明，相对于其他FRP 材料，CFRP 约束钢管混凝土的强度和延性提高更明显[13].目前对CFRP约束钢管普通混凝土短柱的研究成果较多，但对于CFRP-钢管高强、超高强混凝土的研究还较少，本文的重点是研究CFRP-钢管高强、超高强混凝土的轴压性能.由于当前主流的研究方式和工程应用中通常是将钢管混凝土外围全部包裹CFRP，但考虑到端部约束的存在，钢管混凝土中部变形最早发生且最为严重，进而猜想对试件中部进行约束会更为有效，故本文设置了CFRP 全包裹和半包裹两种包裹方式进行对比研究.

1 试验概况

本试验设计了6 个圆钢管混凝土短柱和18 个CFRP-钢管混凝土短柱试件，分别使用了2 种不同直径的钢管制作，内填3 种不同强度等级的混凝土，包括普通混凝土C40、高强混凝土C70、超高强混凝土C100.如图1 所示，CFRP 的包裹方式有全包和半包两种，试件具体参数见表1.

图1 CFRP 包裹示意图Fig.1 Schematic diagram of CFRP package

表1 试件参数与实测值Tab.1 Specimen parameters and measured values

试件制作：首先对钢板进行打磨除锈，然后通过机械设备把钢板制成所需尺寸的钢管，钢管底部焊接钢板，最后浇筑混凝土.采用标号为P·II 52.5 的水泥，混凝土配合比见表2.浇筑混凝土时，将混凝土从钢管上口注入后立即振捣直至密实.养护完成后粘贴应变片：CFRP 通过环氧树脂胶环绕粘贴在试件外围，待胶达到强度后，通过在柱中粘贴的横向应变片测量CFRP 应变，粘贴过程中使CFRP 应变片与钢管应变片错开.

表2 混凝土配合比Tab.2 Concrete mix ratio kg/m3

本文研究以混凝土强度、碳纤维层数、径厚比及碳纤维包裹方式为变量，设置不同混凝土强度主要拟探究CFRP 约束钢管高强混凝土力学性能.本试验中对于高强混凝土试件没有采用与之相互作用更好的高强钢管，是因为本试验主要研究的控制自变量为混凝土强度，而钢管的强度变化会影响试件的受力性能，并且采用高强钢管会导致试件含钢率较高，此时套箍系数的组合中钢管的套箍系数占主导位置.为了适当放大CFRP 套箍系数的影响作用，本试验设计的试件含钢率普遍不高.由于钢管套箍系数小于2 层CFRP 套箍系数，因此试验参数中只设置到了2 层CFRP 试件.

加载装置如图2 所示.试验通过湖南大学实验室1 000 t 液压伺服压力机进行.为得到精确的应变数据，在试件中部分别沿着纵向和环向粘贴应变计各4 片，安装2 个位移计用于测量试件的竖向位移.荷载由试验设备自动采集，应变、位移数据通过东华DH3816N 设备采集.

图2 加载装置示意图Fig.2 Schematic diagram of loading device

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

图3 所示为试件破坏状态，每组图片由左至右对应CFRP 层数分别为0 层、1/2 层、1 层、2 层的试件.

图3 试件破坏情况Fig.3 Specimen failure

1）C40 组试件：加载前期试件外表面几乎无变化，试件处于弹性阶段.继续施加荷载，当无CFRP试件轴向荷载施加至峰值荷载的约85%时，试件顶部和底部均发生局部屈曲；随着轴向变形的增加，钢管愈发屈曲，最后试件破坏；半包CFRP 的试件当荷载达到峰值荷载的85%时，钢管上部出现鼓曲，达到峰值后，钢管上部出现明显鼓曲；全包CFRP 试件（包括1 层和2 层）在荷载施加至接近峰值荷载的95%时，粘贴的碳纤维布逐渐断裂并开始剥离试件，钢管局部屈曲，最后试件破坏.试件达到峰值荷载破坏阶段历时较长、较和缓.

2）C70 组试件：当试件轴向荷载施加至峰值荷载的约80%时，试件伴随着细小的“滋滋”声，试件外表面几乎无变化，表明试件依然处于弹性工作状态.无CFRP 试件当荷载达到峰值荷载的90%时，钢管表面形成剪切滑移线；半包CFRP 试件当荷载达到峰值荷载的90%时，钢管上部出现鼓曲，达到峰值后，钢管上部明显鼓曲；全包CFRP 试件（包括1 层和2 层）当荷载施加至接近峰值荷载的95%时，粘贴的碳纤维布逐渐断裂并剥离试件，钢管发生局部屈曲.

3）C100 组试件：无CFRP 试件当荷载持续增长到峰值荷载95%左右时，柱顶微鼓起，达到峰值荷载后，钢管表面产生剪切滑移线；半包和全包1 层CFRP 试件当荷载达到峰值荷载的95%时，CFRP 有细微“滋滋”声响，达到峰值荷载时，CFRP 开始发生断裂，钢管中部鼓曲；全包2 层CFRP 试件加载至峰值荷载后，CFRP 逐渐断裂，试件发生剪切破坏.

综上可知高强混凝土试件弹性阶段长于普通强度试件，普通强度试件破坏时以腰鼓型破坏为主，失效前有明显的征兆，破坏之前钢管出现明显屈曲；而高强混凝土试件失效时有明显的剪切面，失效几乎无破坏征兆，破坏后钢管突然发生屈曲并不断发展；试验过程可大致分为弹性、弹塑性、破坏3 个阶段.

2.2 荷载-位移曲线

本次试验所有24 个试件的荷载-位移曲线如图4 所示，所有曲线均包括线性上升段、非线性上升阶段、下降段.

CFRP 约束钢管混凝土试件的荷载-位移曲线中并未出现断崖式的下降，是因为在试件达到峰值荷载时，CFRP 尚未完全断裂，而是随位移增加逐渐发生断裂.可见在峰值荷载之后，CFRP 对试件依然有一定的约束作用，最终状态下CFRP 才完全断裂，所以同强度试件的最终的剩余承载力较为相近.

AC4ST 组试件中，相对于无CFRP 试件，半包CFRP、全包1 层CFRP、全包2 层CFRP 试件承载力提升率分别为1.19、1.14、1.28；BC4ST 组试件承载能力提升率分别为1.11、1.12、1.19；AC7ST 和BC7ST组试件承载能力提升率分别为1.1、1.09、1.36 和1.04、1.05、1.21；AC10ST 和BC10ST 组试件承载力提升率分别为1.08、1.11、1.15 和1.03、1.04、1.09.

随混凝土强度提升，试件的极限承载力提升，是混凝土强度和CFRP 约束共同影响的结果，由于两个因素相互影响，各起多少作用较难确定，因此该问题可通过控制变量的方式来讨论.对比CFRP 层数相同的试件，以AC4ST0、AC10ST0 试件为例，其承载力分别为1 331 kN、2 582 kN，可见混凝土从C40 增长到C100，其承载力上升到1.94 倍；对比混凝土强度相同的试件，以AC10ST0、AC10ST2 试件为例，其承载力分别为2 582 kN、2 963 kN，可见CFRP 层数从0 层增加至2 层，其承载力上升至1.15 倍，比较AC4ST0 和AC10ST2 试件承载力，可认为它们之间相差了1.94×1.15 倍（其中1.94 为混凝土强度影响，1.15 为CFRP 约束影响）.

综上可知，CFRP 的约束对普通强度混凝土试件轴压极限荷载提升较明显，试件强度愈高，CFRP 约束对试件轴压极限荷载提升率愈小.且混凝土强度越高，试验曲线线性段变长，峰值荷载对应的位移减小.CFRP 包裹的层数愈多，试件轴压极限承载力提升愈多.半包CFRP 试件与全包1 层CFRP 试件承载力相近.CFRP 对高强度试件约束效果下降.CFRP 对小径厚比试件的承载力提升率普遍比大径厚比试件大6.5%.径厚比为83 的试件1 层CFRP 约束作用与径厚比为110 的试件2 层CFRP 约束作用相近.就承载力计算而言，可认为半包1 层CFRP 与全包1层CFRP 有相同的CFRP 约束系数ξf.

2.3 承载力提高系数

定义CFRP 约束钢管混凝土轴压承载力Nu与同规格的钢管混凝土实测承载力N0的比值为承载力提高系数，即SI=Nu/N0.

图4 试件荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement curve of specimen

图5 所示为试件轴压承载力提高系数SI 和CFRP 约束系数ξf的关系（不包括半包CFRP 试件）.由图可知约束系数增大，试件轴压极限承载力提升；C70 组试件和C100 组试件SI 随ξf增大而增长速率较大，C40 组试件SI 随ξf增大而增长最慢.表明钢管高强混凝土试件提高CFRP 约束系数能更有效地得到承载能力的提升.CFRP 层数对承载力提升效率的影响近似为线性的，即2 层CFRP 约束效果近似为1 层CFRP 试件的2 倍.

图5 SI-ξf 关系Fig.5 SI-ξf curve

2.4 延性分析

参照文献[14]定义延性系数为：DI=ε85%/εy.式中ε85%是指荷载降低至峰值荷载0.85 倍时试件的纵向应变；εy=ε0.75/0.75，ε0.75代表施加荷载达到峰值荷载0.75 倍时试件的纵向应变.图6 所示为各组试件延性系数DI 直方图.小径厚比试件中，AC4ST、AC7ST 和AC10ST 中半包CFRP、全包1 层CFRP 和2 层CFRP 试件相对于无CFRP 试件的延性系数提高率分别为1.51、1.29、1.65，1.58、1.16、1.59，1.26、1.12、1.43；同数据在大径厚比试件中分别为1.36、1.31、1.59，1.19、1.17、1.68，1.08、1.11、1.35；相 比 于AC4ST0 试件，AC7ST0 和AC10ST0 试件的延性系数分别下降28.3%和40.3%；相比于BC4ST0 试件，BC7ST0 和BC10ST0 试件延性系数分别下降17.6%和32%；对于C40 组试件，大径厚比试件延性系数较小径厚比试件普遍下降20%，对于C70 和C100 组试件其延性系数普遍下降10%和15%.

图6 试件DI 系数直方图Fig.6 Histogram of DI coefficient of specimens

混凝土强度越高延性系数越小，CFRP 的存在对钢管高强混凝土试件延性性能有较大的改善，试件延性系数随CFRP 层数增加而增加.对于小径厚比试件，半包1 层CFRP 试件延性略优于全包1 层CFRP 试件；对于大径厚比试件，半包1 层CFRP 试件与全包1 层CFRP 试件相近.DI 随径厚比增大而降低.随径厚比增大、混凝土强度提高，CFRP 对延性改善作用下降.

2.5 CFRP 与钢管的协同作用

图7 所示为钢管与CFRP 的荷载-环向应变曲线（以径厚比为83 试件为例）.

由图7 可知，AC4ST、AC7ST 和AC10ST 试件中，同一竖向位置处的钢管与CFRP 的环向应变增长趋势几乎无异，可见在轴压作用下试件钢管与CFRP能够较好地协同作用.

图7 荷载-环向应变曲线（D=165 mm）Fig.7 Load-hoop strain curve（D=165 mm）

3 承载力计算

进行CFRP 约束钢管混凝土轴压承载力计算，首先要分别确定钢管和CFRP 对混凝土的约束系数ξs、ξf，见表1 后注解.

张常光等[15]基于双剪统一强度理论，通过极限状态下的平衡条件得出计算公式，如下：

式中：k=（1+sin α）/（1-sin α），α 为内摩擦角；b 为加权系数，考虑内部切应力和相交面正应力对构件失效的影响，0 ≤b ≤1；ts为钢管壁厚；dc为核心混凝土直径.

TAO 等[9]基于现有的CFRP 约束混凝土和钢管双重约束混凝土理论，认为CFRP 约束钢管混凝土主要为CFRP 和钢管双重约束，提出计算公式如下：

式中：Asc和Ac分别表示钢管混凝土全截面面积和核心混凝土截面面积.

顾威等[16]考虑到CFRP 对高强混凝土约束不足，在王庆利等[17]通过极限状态分析的承载力计算公式基础上提出新的公式，如下：

式中：ξ=ξs+ξf；对普通混凝土a=1.0，对高强混凝土a=0.9.

把试验的试件参数用于上述各个计算公式中，计算值与试验值对比情况见表3.

表3 试件计算值与试验值对比Tab.3 Comparison between calculated and experimental results

由数据对比可知，公式（1）与公式（3）（4）计算值大于试验值，且偏差大于20%，偏于不安全；公式（2）计算值与试验值偏差小于5%，更接近试验值，更趋于安全.可见基于CFRP 约束混凝土和钢管双重约束的公式（2）更适用于计算CFRP 约束钢管混凝土的极限承载力.

4 结论

1）破坏后的剩余承载力下降变快，CFRP 约束钢管混凝土试验过程可分为弹性、弹塑性、破坏3个阶段；随混凝土强度的增长，试件破坏的征兆愈发不明显.

2）混凝土强度愈高，CFRP 对试件轴压承载力提升率愈低；且混凝土强度提升，试件线性上升段变长，峰值荷载对应的位移减小；包裹的CFRP 层数愈多，其轴压承载力提高愈多，且近似为线性增长.

3）就承载力计算而言，半包CFRP 试件与全包1层CFRP 试件承载力相近，可认为半包1 层CFRP 与全包1 层CFRP 有相同的CFRP 约束系数ξf.

4）包裹CFRP 能较好地改善钢管高强混凝土延性性能；试件延性系数随CFRP 层数增加而增加，随径厚比增大而降低；径厚比增大、混凝土强度提高会导致CFRP 对延性改善作用下降.

5）轴压荷载作用下，钢管与CFRP 可以较好地协同作用.

6）文中收集的3 个经典计算公式中，公式（2）能较准确地计算CFRP 约束钢管混凝土承载力，且能保证一定的安全性，故建议使用公式（2）进行计算.