SRPE 套管约束RC 柱偏压力学性能试验研究

段红伟，高剑平,2，邹恒之，曹忠民,2，刘 洪

（1. 华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013； 2. 华东交通大学土木工程国家级试验教学示范中心，江西 南昌 330013；3. 安源管道实业股份有限公司，江西 萍乡 337000）

在西部的强盐碱地带，钢筋混凝土结构腐蚀十分严重，被迫反复修复或重建，经济损失巨大[1-2]。 桥墩柱作为桥梁的主要竖向承重和抗侧力构件，其耐久性将会直接影响桥梁的使用安全和寿命。 基于上述背景，本文作者提出新型材料组合结构“SRPE 套管约束RC 柱”。如图1 所示，SRPE 管是由连续缠绕焊接成型的钢丝网骨架与高密度聚乙烯（HDPE）塑料基体共挤成型的复合管[3-4]，有效阻断外界各种腐蚀性离子对桥墩柱的侵蚀的同时，还可以较好地约束核心混凝土，提高墩柱的受力性能。

图1 SRPE 管结构Fig.1 The structure of SRPE tubes

需要指出的是， 涂塑钢管界面易发生分离，PVC 管不耐老化，低温容易变脆，多数FRP 的树脂基体耐腐蚀却不耐光和高温（60 ℃开始软化）[5-6]，HDPE 管耐腐蚀但存在不耐压、应力松弛、热胀冷缩、蠕变[7-8]等缺点。 相比之下，SRPE 管可阻隔各类腐蚀性离子的侵蚀、耐紫外线、耐温性强（-40～80 ℃），使用寿命达50～70 a，更能适应西部强盐渍土/盐湖区的恶劣环境。 本文在SRPE 套管约束混凝土柱/钢筋混凝土柱轴压力学性能研究[9-12]的基础上，进行偏心受压力学性能试验研究，为该新型组合柱研究的进一步完善和工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 材料力学性能试验

本次试验所用的SRPE 套管由江西省萍乡市安源管道实业股份有限公司生产提供，表1、表2 为本次试验材料的基本力学性能参数。 表1 中μh为HDPE 的泊松比，Esh为弹性模量，fyh为弹性极限，fuh为拉伸强度；表2 中d 为钢丝的直径，fys为钢丝的屈服强度，fus为极限强度，δ 为伸长率，Est为弹性模量。

表1 HDPE 材料力学性能Tab.1 Mechanical properties of HDPE

表2 钢丝基本力学性能Tab.2 Basic mechanical properties of steel wire

1.2 试验设计

本次试验共设计8 根SRPE 套管约束钢筋混凝土柱和4 根无套管钢筋混凝土柱 （对比试件），RC柱均为直径200 mm 的圆柱。 混凝土强度等级为C30；纵筋等级为HRB400，直径为12 mm；箍筋为直径4 mm 的碳素钢丝， 箍筋间距为60 mm；SRPE 管压力等级采用1.6 MPa 和2.5 MPa 2 种；偏心距（e0）为20 mm 和40 mm；长细比为6 和9。 试件具体设计参数见表3。试件编号中，S 表示SRPE 套管试件，RC 表示无套管对比试件，S1 表示SRPE 套管压力等级为1.6 MPa，S2 表示SRPE 套管压力等级为2.5 MPa，20和40 依次表示偏心距20 mm 和40 mm，600 和900依次表示试件长度600 mm 和900 mm；峰值挠度为偏压试件达到极限承载力时所对应的柱中挠度。

表3 试验设计参数和试验结果Tab.3 Experimental design parameters and measured results

1.3 测量和加载

试验在NYL-500 t 压力试验机上进行，试件两端安装刀口铰模拟偏压加载。 3 个百分表依次布置在远离轴向力一侧的柱中和上下两端距离柱中150 mm 位置处， 机电位移计分别对称布置在试件两侧，布置如图2 所示。 加载前，先调整试件上下截面形心的连线，使其通过压力机上、下承压板的几何中心，调整好进行偏压预加载，所加荷载约为预估承载力的20%，测试加载设备、仪表和数据采集系统是否正常工作，之后再进行正式加载。 正式加载时参照 《混凝土结构试验方法标准》（GB/T 50152—2012）的相关规定，采用单调逐级加载，每级荷载约为试件预估极限承载力的1/15，在读数接近预估极限承载力80%～90%时， 荷载分级进行适当调密，直至试件变形很大或荷载下降至峰值荷载60%附近停止加载。加载过程中记录各试件的破坏过程和破坏特征。 图2 中LVDT 为差动式位移传感器。

图2 试验装置和测点布置Fig.2 Test setup and instrumentation

2 主要试验结果

2.1 试验现象及破坏形态

大、 小偏压试件的破坏过程大体相似。 加载初期，试件侧向挠度增长缓慢，随着荷载增加，挠度增速加快，接近极限荷载时，柱中挠度急剧增长，受压区SRPE 套管出现褶皱鼓曲，“嘶嘶”响声更加频繁，达到极限承载力后，柱的挠度持续增长，荷载缓慢下降，表现出较好的延性。 以试件S2-40-600 和S2-20-600 为例分别说明大偏压、小偏压的典型破坏形态，见图3 和图4。偏心距为40 mm 时试件发生大偏心受压破坏， 剥除SRPE套管， 焚烧除去基体材料HDPE 后， 发现核心混凝土柱受压侧混凝土被压碎，受拉侧出现数道横向主裂缝，受压侧纵向钢筋因压曲而发生明显弯折，SRPE 套管褶皱部分的内部钢丝网骨架发生明显鼓曲但未断裂；偏心距为20 mm 时试件发生小偏心受压破坏，SRPE 套管斜向剪切变形明显，核心混凝土的破坏形态呈现明显的斜剪破坏，斜剪变形角约为45°，见图4（b）。 纵向钢筋和SRPE管内部钢丝网骨架由于被动抵抗斜向剪切滑移而发生弯折，但未断裂，分别见图4（c）和图4（d），斜剪变形方向以白线示出。

图3 大偏压试件的典型破坏形态Fig.3 Typical failure mode of specimen subjected to compression with large eccentricity

图4 小偏压试件的典型破坏形态Fig.4 Typical failure mode of specimen subjected to compression with small eccentricity

2.2 荷载-轴向位移曲线

图5（a）和图5（b）分别为大、小偏压试件的荷载-轴向位移曲线。 从图5 可以看出，和对比试件相比，SRPE 套管非常显著地提高了偏压试件的承载力和延性。 图5（a）和5（b）的曲线均可分为线弹性段、弹塑性段和下降段。 如图5（a）所示，在加载初期，由于试件所受荷载较小，SRPE 套管还未对核心混凝土发生约束作用，大偏压试件的轴向位移与荷载近似呈现线性递增关系， 且各曲线几乎重合，试件处于线弹性段；当进入弹塑性段时，随着荷载的增加，试件位移曲线开始略微变平缓，切线模量开始变小，相对小偏压试件，此时位移增长更快，峰值位移更大， 但提高承载力的幅度低于小偏压试件。SRPE 套管压力等级、 长细比等参数基本不影响曲线的走势；当加载超过试件的极限承载力后，曲线缓慢下降，试件表现出良好的延性特征，直至试件破坏。 如图5（b）所示，在加载初期，曲线几乎重合，SRPE 套管小偏压试件的轴向位移与荷载近似呈线性增长关系，因为此时荷载较小，SRPE 套管尚未对核心混凝土发挥约束作用， 试件处于线弹性段；随着荷载逐渐增大， 各曲线的切线模量开始降低，试件轴向位移增长加快， 试件开始进入弹塑性段，因SRPE 套管压力等级的不同，曲线出现了明显的差别，2.5 MPa 套管的约束效果明显优于1.6 MPa 套管的约束效果， 即对应的峰值荷载和峰值位移更大；当荷载超过试件的极限荷载时， 曲线开始缓慢下降，由于SRPE 套管的约束作用， 避免了混凝土的突然压溃，荷载下降速度较慢，试件表现出较好的延性。

图5 荷载-轴向位移曲线Fig.5 Load-axial displacement curve

3 试验结果分析与讨论

3.1 极限承载力和延性分析

为定量分析各控制参数对偏压试件延性的影响规律，引入延性系数μ，如式（1）所示。各偏压试件延性系数见表4。

表4 偏压试件的延性系数Tab.4 Ductility coefficient of specimens under eccentric load

式中：Δy为屈服位移，mm，试件荷载-轴向位移曲线的弹性段延长线与过峰值点的切线交点处的位移，由于该值均位于荷载上升阶段达到70%～80%峰值荷载对应的轴向位移之间。为方便计算，统一取Δy=Δ75%。 Δu为极限位移，mm，试件所承受的荷载下降至峰值荷载的80%时所对应的轴向位移。

3.1.1 SRPE 套管压力等级对极限承载力和延性的影响

从图5 可以看出，SRPE 套管能明显提高偏压试件的极限承载力和延性。 以S1-20-600、S2-20-600、RC-20-600 为例，结合表3 数据可知，和对比试件相比，SRPE 管压力等级为1.6 MPa 的偏压极限承载力提高了94.5%， 延性系数是对比试件的1.89 倍；SRPE 管压力等级为2.5 MPa 的偏压试件的极限承载力提高了161.2%，延性系数是对比试件的1.91 倍，并且压力等级为2.5 MPa 的SRPE 套管对偏压试件的承载力提高效果要明显强于1.6 MPa的SRPE 套管, 原因在于试件达到极限承载力后进入破坏阶段， 其核心混凝土内部裂缝加速发展，环向变形急剧增大，SRPE 管对核心混凝土构成被动环向约束，即管材压力等级越大，SRPE 管提供的被动约束力越大， 所以试件的承载力随着SRPE 套管压力等级的提高而提高。 本次试验中，无论大、小偏心受压， 压力等级为1.6 MPa 和2.5 MPa 的SRPE套管约束钢筋混凝土柱的延性系数比较接近（见表4），仅相差0.01～0.05，说明SRPE 管压力等级对试件延性的影响相对较小。

3.1.2 偏心距对极限承载力和延性的影响

由表3 可知，同等参数条件下，20 mm 偏心距试件的极限承载力都大于40 mm 偏心距试件的极限承载力，说明试件的偏心距越大，承载力越小。且随着SRPE 管压力等级的增大，偏心距对极限承载力的影响越明显， 同等参数条件下，2.5 MPa 的SRPE 套管试件的大、小偏压试件极限承载力的差距远超于1.6 MPa 的SRPE 套管试件的。 以S2-20-600、S2-40-600 和S1-20-600、S1-40-600 为例，前者极限承载力相差460.84 kN，后者极限承载力相差148.544 kN。 本次试验中，偏心距对试件延性的影响并不明显， 前者延性系数相差0.08，后者延性系数相差0.07。

3.1.3 长细比对极限承载力和延性的影响

由表3、表4 可知，同等参数条件下，长细比为6 的偏压试件的极限承载力和延性系数都要大于长细比为9 的偏压试件的极限承载力和延性系数，说明偏压试件极限承载力随着长细比的增大而减小，延性随着长细比的增大而降低，主要因为试件的长细比的增加会导致偏压试件的二阶效应增强，使得SRPE 套管对核心混凝土的约束效果降低所致。

3.2 侧向挠度分析

根据本次试验结果绘制出SRPE 套管偏压试件达到极限荷载时柱的侧向挠度曲线，如图6 所示。 其中纵坐标为测点距试件底面的高度（依次为0，150，300，450，600 mm）。 各偏压试件峰值挠度见表3。

图6 极限荷载时柱的侧向挠度曲线Fig.6 Lateral deflection curves under ultimate load

从图6 可以看出，SRPE 套管偏压试件达极限荷载时的侧向挠度曲线接近于正弦半波曲线。SRPE管压力等级、偏心距、长细比等设计参数对柱的侧向挠度均有不同程度的影响。

3.2.1 SRPE 套管压力等级对柱中挠度的影响

由表3 可知，SRPE 管钢筋混凝土偏压试件的柱中峰值挠度要远大于对比件的柱中峰值挠度，对比件的柱中峰值挠度在2.219～3.309 mm，而偏压试件的柱中峰值挠度能够达到12.74～17.34 mm，因为SRPE 管较强的环向约束作用，大大提高了核心混凝土的变形能力。 同等参数条件下，SRPE 套管压力等级为2.5 MPa 的偏压试件的柱中峰值挠度和1.6 MPa 的偏压试件的相差不大，仅0.327～0.919 mm，说明SRPE 套管压力等级对柱中挠度的影响相对较小。

3.2.2 偏心距对柱中挠度的影响

由表3 可知， 同等参数条件下，40 mm 偏心距试件的柱中峰值挠度都要大于20 mm 偏心距试件的柱中峰值挠度，提高幅度为17.80%～21.99%，说明SRPE套管偏压试件柱中挠度随着偏心距的增大而增大。

3.2.3 长细比对柱中挠度的影响

由表3 可知，同等参数条件下，长细比为9 的偏压试件的柱中峰值挠度都要大于长细比为6 的偏压试件的柱中峰值挠度， 提高幅度为5.65%～10.34%，说明长细比越大，偏压试件柱中挠度越大。

4 SRPE 套管约束钢筋混凝土柱偏压承载力计算公式

4.1 基本假定

1） 整个试验加载过程中偏压试件始终满足平截面假定；

2） 忽略受拉区混凝土的抗拉强度；

3） 假定SRPE 管的环向应力沿壁厚方向均匀分布；

4） 本次试验试件的长细比较小， 皆为材料破坏，不考虑纵向弯曲的影响。

4.2 计算公式

以SRPE 套管约束RC 柱偏压性能试验为基础， 参照 《钢管混凝土结构技术规程》（CECS 28：2012）， 基于经验系数法， 提出SRPE 套管约束RC柱偏压承载力计算公式

式中：Nu为SRPE 套管约束RC 柱偏压承载力，kN；φ 为偏心受压稳定系数，计算公式见（3）；N0为SRPE套管约束RC 柱轴压承载力，kN，参照高剑平等[12]提出的轴压计算公式，见式（5）。

式中：Le为SRPE 套管柱长度设计值，mm；D 为无套管RC 柱的圆截面直径， 即200 mm；φe为偏心距的折减系数，计算公式

式中：e0表示初始偏心距，mm；rc为无套管RC 柱的圆截面半径，即100 mm。

式中：fy′为纵筋的抗压强度设计值，MPa；AS′为受压钢筋截面面积，mm2；fCC为SRPE 套管约束核心混凝土的轴心抗压强度[13-14]，MPa。 按式（6）～式（9）计算

式（6）～式（9）中：fl为SRPE 套管约束力，MPa。 不同压力等级的SRPE 套管约束力见表5；flp为HDPE 提供的约束力，MPa；fls为纬线钢丝提供的约束力，MPa；fCO为非约束混凝土的轴心抗压强度，MPa；fCC为核心混凝土截面面积，mm2；d1为线钢丝的直径，mm；S 为相邻2 条纬线的中心间距；K 为折算HDPE 管的外、内径比值；fp为HDPE 材料的屈服极限，MPa。

表5 不同压力等级SRPE 管所提供的约束力Tab.5 Confined stress provided by SRPE pipe with different pressure grade

采用经验系数法得出的SRPE 套管约束RC 柱偏压承载力计算公式，计算得到的偏压承载力计算值，以及与试验实测值的对比结果，如表6 所示。 Nu为SRPE 套管试件偏压承载力计算值，kN；Nv为SRPE 套管试件偏压承载力试验值，kN；X 为二者比值的平均值；σs为标准差。

表6 SRPE 套管约束RC 柱偏压承载力计算值、试验值及二者比值Tab.6 Calculated results and measured results of bearing capacity of SRPE pipe confined reinforced concrete columns subjected to eccentric load

从表6 可以看出，SRPE 套管偏压试件的极限承载力计算值均小于试验值， 比值平均值为0.91，标准差为0.05，吻合较好，离散性较小。 本次试验结果对于低强度混凝土而言偏保守，在工程常用范围内， 该公式可为计算SRPE 套管钢筋混凝土柱的偏压承载力提供参考。

5 结论

以8 根SRPE 套管约束钢筋混凝土柱和4 根无套管约束的钢筋混凝土柱偏压试验结果为基础，分析了SRPE 管公称压力等级、偏心距、长细比等设计参数对偏压试件极限承载力、延性、柱中挠度的影响规律，得出以下主要结论。

1） SRPE 套管的环向约束作用显著提高了偏压柱的承载力和延性。

2） 偏压试件的承载力随着SRPE 管压力等级的提高而提高，随着偏心距和长细比的增大而减小。

3） 偏压试件的延性随着长细比的增大而降低，SRPE 套管压力等级、 偏心距对试件延性的影响则相对较低。

4） 无套管试件的柱中峰值挠度要远小于SRPE 套管试件的柱中峰值挠度。 偏心距或长细比越大，柱中峰值挠度越大，而SRPE 套管压力等级的影响相对较小。

5） 极限荷载时，SRPE 套管钢筋混凝土偏压柱的侧向挠度曲线接近于正弦半波曲线。

6） 基于经验系数法提出的SRPE 套管约束RC柱偏压承载力计算公式，得出的计算值与试验值吻合较好，可供实际工程应用参考。