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

摘   要：为研究混凝土强度、径厚比、CFRP（碳纤维增强复合材料）层数及CFRP包裹方式等参数对CFRP约束圆钢管混凝土轴压静力性能的影响，进行了6个圆钢管混凝土短柱和18个CFRP-钢管混凝土短柱的轴压对比试验. 研究发现CFRP的约束对圆钢管混凝土承载力有较显著的提升，且承载力的提高幅度随着CFRP的增加而增加. 钢管高强、超高强混凝土短柱的破坏形态呈现为剪切破坏，延性较差，CFRP的约束可以改善其延性，且CFRP层数越多延性越好. 半包CFRP试件性能接近于全包CFRP试件性能. 随径厚比增大，CFRP约束效果下降. 若黏结良好，试件失效前，CFRP与钢管能保持协同工作;最后选取了3个经典的CFRP约束钢管混凝土轴压承载力公式进行验算，发现基于CFRP和钢管双重约束的公式能较好地预测其承载力.

关键词：CFRP;钢管高强混凝土;轴压短柱;延性;半包CFRP

中图分类号：TU398                                 文献标志码：A

Abstract：In order to study the effects of concrete strength， diameter-to-thickness ratio， CFRP （carbon fiber reinforced composite） layer number and CFRP cladding mode on the axial compression behavior of CFRP confined concrete-filled circular steel tube， the axial compression comparison tests of 6 concrete-filled circular steel tube short columns and 18 CFRP-concrete-filled steel tube short columns were carried out. It is found that the CFRP constraint significantly increases the bearing capacity of concrete-filled circular steel tubes， and the increasing range of the bearing capacity increases with the increase of CFRP layers. The failure pattern of high strength and ultra-high strength concrete-filled steel tube short column is shear failure with poor ductility. CFRP constraint can improve its ductility， and more CFRP layers result in better ductility. The performance of half-packaged CFRP specimens is close to that of full-packaged CFRP specimens. CFRP binding effect decreases with the increasing diameter - thickness ratio. If the bond is good， CFRP and steel tube can work together before the specimen fails. Finally， three classical formulas of axial bearing capacity of CFRP confined CFST are selected for calculation， and the formula based on the double restraint formula of CFRP and steel tube can better predict its bearing capacity.

Key words：CFRP;high strength concrete filled steel tube;axial compression short column;ductility;half-packaged CFRP

鋼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   試验概况

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.

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.

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.

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.

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5所示为试件轴压承载力提高系数SI和CFRP约束系数ξf的關系（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.

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%.

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.

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.

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.

参考文献

[1]    韩林海，陶忠，刘威. 钢管混凝土结构：理论与实践[J]. 福州大学学报（自然科学版），2001，29（6）：24—34.

HAN L H，TAO Z，LIU W. Concrete filled steel tubular structures from theory to practice[J]. Journal of Fuzhou University （Natural Sciences Edtion），2001，29（6）：24—34. （In Chinese）

[2]    刘劲，丁发兴，龚永智，等. 圆钢管混凝土短柱局压力学性能研究[J]. 湖南大学学报（自然科学版），2015，42（11）：33—40.

LIU J，DING F X，GONG Y Z，et al. Mechanical behavior of concrete-filled steel tubes stub columns with circular section under local compression[J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2015，42（11）：33—40. （In Chinese）

[3]    谭克锋，蒲心诚，蔡绍怀. 钢管超高强混凝土的性能与极限承载能力的研究[J]. 建筑结构学报，1999，20（1）：10—15.

TAN K F，PU X C，CAI S H. Study on the mechanical properties of steel extra-high strength concrete encased in steel tubes[J]. Journal of Building Structures，1999，20（1）：10—15. （In Chinese）

[4]    OMAR C，MOHSEN S. Performance of fiber-reinforced polymer-wrapped reinforced concrete column under combined axial-flexural loading[J]. ACI Structural Journal，2000，97（4）：659—668.

[5]    AMIR M，MOHSEN S，CHARLE E K，et al. Large beam-column test on concrete-filled composite tube[J]. ACI Structural Journal，2000，97（2）：268—276.

[6]    张东兴，黄龙男，王荣国，等. 玻璃钢管混凝土柱力学性能的试验研究[J]. 哈尔滨建筑大学学报，2000，33（1）：73—76.

ZHANG D X，HUANG L N，WANG R G，et al. Experimental research on the mechanical properties of concrete filled FRP tubular column[J]. Journal of Harbin University of Civil Engineering and Architecture，2000，33（1）：73—76. （In Chinese）

[7]    AMIR Z F，SAMI H R. Confinement model for axially loaded concrete confined by circular fiber-reinforced polymer tubes[J]. ACI Structural Journal，2001，98（4）：451—461.

[8]    XIAO Y，HE W H，CHOI K K. Confined concrete-filled tubular columns[J]. Journal of Structural Engineering，2005，131（3）：488—497.

[9]    TAO Z，HAN L H，ZHUANG J P. Axial loading behavior of CFRP strengthened concrete-filled steel tubular stub columns[J]. Advances in Structural Engineering，2007，10（1）：37—46.

[10]  TAO Z，HAN L H. Behaviour of fire-exposed concrete-filled steel tubular beam columns repaired with CFRP wraps[J]. Thin-Walled Structures，2007，45（1）：63—76.

[11]  TENG J G，HU Y M，YU T. Stress-strain model for concrete in FRP-confined steel tubular columns[J]. Engineering Structures，2013，49（2）：156—167.

[12]  DING F X，LU D R，BAI Y，et al. Behaviour of CFRP-confined concrete-filled circular steel tube stub columns under axial loading[J]. Thin-Walled Structures，2018，125：107—118.

[13]  張倚天，肖岩. FRP约束方钢管混凝土短柱轴压性能研究[J]. 湖南大学学报（自然科学版），2019，46（11）：50—56.

ZHANG Y T，XIAO Y. Study on behaviors of FRP confined stub concrete filled square steel tubes under axial load[J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2019，46（11）：50—56. （In Chinese）

[14]  李开琼. CFRP约束圆钢管混凝土短柱的轴压试验研究[D]. 长沙：湖南大学，2018：40—41.

LI K Q. Experimental study on CFRP confined concrete filled steel tube stub columns under axial compression[D].  Changsha：Hunan University，2018：40—41. （In Chinese）

[15]  张常光，赵均海，冯红波. CFRP-钢管混凝土轴压短柱的力学性能[J]. 建筑结构，2008，38（3）：34—37.

ZHANG C G，ZHAO J H，FENG H B. Mechanics behavior of concrete filled CFRP-steel tube stub columns under axial compression[J]. Building Structure，2008，38（3）：34—37. （In Chinese）

[16]  顾威，赵颖华，尚东伟. CFRP-钢管混凝土轴压短柱承载力分析[J]. 工程力学，2006，23（1）：149—153.

GU W，ZHAO Y H，SHANG D W. Load carrying capacity of concrete filled cfrp-steel tubes under axial compression[J]. Engineering Mechanics，2006，23（1）：149—153. （In Chinese）

[17]  王庆利，赵春雷，张海波，等. CFRP-钢管砼轴压短柱承载力的简化计算[J]. 沈阳建筑大学学报（自然科学版），2005，21（6）：612—615.

WANG Q L，ZHAO C L，ZHANG H B，et al. Simplified strength calculation of the concentrically compressed concrete filled CFRP-steel tubular stub columns[J]. Journal of Shenyang Architectural and Civil Engineering Institute，2005，21（6）：612—615. （In Chinese）