FRP管材混凝土短柱轴向承载力性能试验研究

摘  要：为研究FRP管材混凝土短柱轴向承载力性能，简化了FRP管材混凝土短柱轴向受力模型，通过制备2种配合比的管材混凝土短柱试样，分别开展了FRP管、钢管和塑料管的混凝土短柱轴向承载力模型试验。研究表明相同条件下，玻璃钢材质的C30普通混凝短柱轴向承载力比钢管混凝土短柱承载力大致小17.56%～28.84%；对钢管混凝土和FRP管材混凝土短柱，长细比的增大会降低短柱的轴心抗压承载力，而塑料管混凝土短柱，存在特定的长细比值使短柱轴心抗压承载力最大；添加膨胀剂与否对核心混凝土承载力的影响效果受长细比约束。试验结果可为非金属棚架结构的设计与施工提供试验基础及数据支撑，为研究FRP管材结构提供参考。

关键词：FRP 短柱 模型试验 轴向承载力

中图分类号：U45              文献标识码：A            文章编号：

Experimental Research on the Performance of the Axial Bearing Capacity of Concrete Short Columns of FRP Tubulars

ZHANG Zhicheng

（Jiaxing Vocational and technical college， Jiaxing， Zhejiang Province， 314036 China）

Abstract： In order to study the performance of the axial bearing capacity of concrete short columns of FRP tubulars， the axial mechanical model of concrete short columns of FRP tubulars is simplified， and the model tests of the axial bearing capacity of FRP pipes， steel pipes and plastic pipes are carried out respectively by preparing concrete short column samples of tubulars with two kinds of ratios. Results show that under the same conditions， the axial bearing capacity of C30 ordinary concrete short columns made of FRP is about 17.56% ～ 28.84% smaller than the bearing capacity of concrete short columns of steel tubulars， that for concrete short columns of steel tubulars and FRP tubulars， the increase of the slenderness ratio will reduce the axial compressive bearing capacity of short columns， while for concrete short columns of plastic tubulars， a specific slenderness ratio will maximize the axial compressive bearing capacity of short columns， and that the effect of whether adding expansion agent or not on the bearing capacity of core concrete is constrained by the slenderness ratio. Test results can provide test basis and data support for the design and construction of non-metallic scaffold structure， and provide reference for the study of the structure of FRP pipes.

Key Words： FRP; Short column; Model test; Axial bearing capacity

纖维增强复合材料（FRP），由于其轻质、高强、耐腐的特性，在建筑、交通运输及航空等多个领域均具有较为广泛的应用，同时玻璃钢作为非金属材料具有隐真示假，在国防军事工程中有很大应用前景，而相比金属材料，又有价格低廉的优势。近年来，特别是在建筑工程结构的研究中，FRP管材混凝土组合结构引起学者们的关注，开展相关的研究，取得不错的成果，如杨俊龙[1]对碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）非均匀约束海水海砂混凝土方柱的轴压性能进行了研究；石少卿[2]研究了FRP管材混凝土所制得的构件的力学性质，分析在军事防护工程中其在抗侵彻方面的作用；钱稼茹[3]和余涛[4]对DSTC进行了轴压力学性能开展相关试验研究;陈文永[5]将玻璃钢混凝土组合结构应用在酒店工程的穹顶部分；郭东[6]将光纤与FRP材料进行一体化制作，形成内嵌光纤自感知FRP筋用于隧道施工全过程监测；金浏[7]等对FRP筋混凝土梁受剪承载力计算方法展开研究；关于玻璃钢混凝土短柱的力学性能还需进一步研究，该文基于三种管材混凝土短柱的轴向承载力试验对比，分析FRP管材混凝土的轴向承载力性能及其影响因素。

1 力学模型

为了简化计算，视玻璃钢为线弹性材料，且不记FRP管材的竖向承载力，在FRP管材环向拉应力达到抗拉极限拉应力强度时，FRP管材混凝土短柱破坏，则管材短柱的受力情况简化如图1所示。

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其中为FRP管材的内径为，为壁厚，为FRP管材的环向拉应力，为混凝土对FRP管材的扩张应力，为FRP管材的极限拉应力强度。

当，

由王朋[8]根据双剪统一理论确定的FRP管材约束混凝土轴向压力与约束混凝土侧向压力的关系式为，其中为混凝土的单轴抗压强度，由于，代入上式得。

FRP管材核心混凝土的轴向承载力。

由于峰[9]文献中，计算FRP管材混凝土核心混凝土的轴向承载力时，取k=2.26，上式为。

2 模型试验设计

管材混凝土短柱试样由不同管材分别填充不同配比混凝土成型，管材类型分为FRP管、塑料管和钢管，管材内径为100mm、外径为108mm；混凝土配合比分A和B两种，配合比A为C30普通混凝土，配合比B为掺8%膨胀剂C30混凝土。在三种管材内灌入不同配比的混凝土，养护后，制作以配合比A和配合比B的三种管材混凝土短柱试样，每种配比下短柱的高度分别为250mm、500mm和750mm，经试验测定两种配比混凝土的抗压强度、混凝土限制膨胀率和弹性模量等试样力学参数[10]。

管材混凝土短柱的加载在大行程万能试验机（型号：SHT4106-G）上完成，大行程万能试验机是由测量系统、驱动系统、控制系统等结构组成，能对各种材料进行多项力学性能试验。通过加载试验控制系统实现对管材混凝土短柱的分级轴向加载。

3 试验结果及分析讨论

为了研究FRP管材混凝土短柱轴向承载力性能，对三种管材混凝土短柱进行分级轴向加载。通过万能试验机的轴向分组分级加载直至管材混凝土短柱轴向受压破坏，破坏后实物图如图2所示，图2（a）中FRP管材混凝土破坏时，FRP纤维在薄弱处拉断后迅速向两端扩展，核心混凝土失去约束后受压破坏；图2（b）中塑料管混凝短柱在荷载作用下，由于塑料管发生明显的脆性拉裂破坏，核心混凝土随即迅速压坏，裂缝向两边贯通；在图2（c）中，由于钢管的环向约束应力作用，并且钢管在荷载作用下表现出明显的塑性，钢管混凝土短柱中核心混凝土在三轴受压下呈现出轴向承载力性能。

3.1 管材混凝土短柱轴心抗压承载力的影响因素

根据试验结果，管材混凝土短柱轴心抗压承载力主要受管材类型、核心混凝土抗压承载力、管材混凝土短柱长细比等因素的影响。本试验还通过添加膨胀剂与否研究其对核心混凝土承载能力的影响。根据实验结果分别绘制图3和图4，分析各个影响因素对管材混凝土轴心抗压承载力的影响。

3.1.1 管材类型

图3（a）为长细比对C30普通混凝土三种管材混凝土短柱轴心抗压承载力的影响曲线，图3（b）为长细比对C30膨胀混凝土三种管材混凝土短柱轴心抗压承载力的影响曲线。由图3（a）和图3（b）可知，相同条件下，对比三种管材混凝土短柱，钢管的承载力最大，玻璃钢的次之，塑料的最小，符合实际经验。从图3（a）可知，对比钢管混凝土短柱，玻璃钢材质的C30普通混凝短柱轴向承载力大致小17.56%～28.84%（三种长细比下承载力分别小17.56%、28.84%和24.08%），FRP管材混凝土短柱具有较强的轴心抗压承载力，如当长细比L/D为2.315时，钢管混凝土短柱的轴心抗压承载力为1016.4kN，而FRP管材混凝土短柱的为837.9kN。

3.1.2 长细比的影响

针对钢管混凝土和FRP管材混凝土短柱，长细比的增大会降低短柱的轴心抗压承载力，而塑料管混凝土短柱，存在特定的长细比值使短柱轴心抗压承载力最大，长细比太大或者太小均会降低轴心抗压承载力。

3.1.3 膨胀剂的影响

由图4可以看出，长细比较小的情况下，添加膨胀剂对核心混凝土的承载力影響明显，该试验添加8%的膨胀剂，显然在低长细比情况下，玻璃钢短柱的承载力反而比FRP管材普通混凝土短柱的要低；但长细比较大的情况下，添加膨胀剂对玻璃钢混凝土短柱的承载力的影响甚微。

4 结语

该文通过简化FRP管材混凝土短柱轴向受力模型，确立了FRP管材核心混凝土的轴向承载力计算公式。通过制备2种配合比的管材混凝土短柱试样，开展了FRP管、钢管和塑料管的混凝土短柱轴向承载力模型试验，试验结果表明，在相同条件下，玻璃钢材质的C30普通混凝短柱轴向承载力比钢管混凝土短柱承载力大致小17.56%～28.84%；对钢管混凝土和FRP管材混凝土短柱，增大的长细比会降低短柱的轴心抗压承载力；长细比较小的情况下，添加膨胀剂对核心混凝土的承载力影响明显，较大长细比下，添加膨胀剂对玻璃钢混凝土短柱的承载力的影响甚微。另外，关于长细比对FRP管材混凝土的轴向承载力的影响效应还需要进一步深入地研究。

参考文献

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[2]石少卿，刘颖芳，尹平，等.FRP组合结构在防护工程中的应用研究[J].工业建筑，2005（3）：56-57，32.

[3]钱稼茹，刘明学.FRP-混凝土-钢双壁空心管短柱轴心抗压试验研究[J].建筑结构学报，2008（2）：104-113.

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