持载对FRP-混凝土-钢双壁空心柱轴压承载能力影响

作者：陈光明赵程成彤李召兵谢攀饶琛辉来源：《西安建筑科技大学学报（自然科学版）》日期：2022-08-06人气：727

FRP(Fiber-reinforced polymer, 简称FRP或“复材”)是一种高性能树脂基复合材料,根据纤维种类不同一般分为碳纤维FRP(CFRP)、玻璃纤维FRP(GFRP)、玄武岩纤维FRP(BFRP)等^[1-2].FRP-混凝土-钢双壁空心柱(FRP-concrete-steel double skin tubular column,简称DSTC或“双壁空心柱”)是由香港理工大学滕锦光教授提出的一种新型组合结构,由外FRP管、内钢管以及填充在两者之间的混凝土夹层组成^[3-4].在DSTC内,由于内侧钢管与外侧FRP管能对混凝土形成约束使混凝土处于三向受压状态,其强度及变形能力能获得显著提升,同时因钢管的向外变形被混凝土及FRP 管约束,其向外的局部屈曲被抑制,钢材强度利用率可获得提升; 此外,FRP管及钢管还可以作为施工时的模板,能节省支模费用、缩短施工工期; 在外侧的FRP管还可以作为耐腐蚀保护壳保护内侧钢管免受环境腐蚀.前期研究结果表明:轴压时,双壁空心柱具有良好的承载能力、变形能力及延性^[5-8].偏心距增大时,承载力会有一定程度下降但变形能力会增加,双壁空心柱仍具有较好的延性^[9-10].FRP管的存在能够使构件的延性及耗能能力得到提升^[11-12].综上所述,DSTC结构短期力学性能及变形性能十分优异,具有良好的工程应用前景.

徐变现象在混凝土结构中十分普遍.过大的徐变变形会对混凝土结构造成诸多不利的影响^[13].如影响结构的正常使用等; 使偏心受压柱产生附加弯曲,导致稳定问题; 使钢-混凝土组合结构截面发生应力重分布,导致部分材料提前破坏.目前,学术界对于钢管混凝土柱徐变性能研究较多.现有研究结果表明:钢管混凝土柱与FRP约束混凝土柱在持载应力水平较低时,徐变变形与轴压比呈线性关系,而处于较大持载应力水平时,徐变发展呈非线性关系^[14-16].相对于未约束试件,FRP约束混凝土柱持载后的变形能力略有下降,但是承载力无明显变化,长期变形明显减小且徐变趋于稳定状态时间更短,一般60 d持载变形量已达到总变形量的70%及以上^[17-20].

作者课题组在近期已成功将DSTC作为受力构件应用于桥墩^[21].将DSTC应用于桥墩等受力构件时,持载期间的长期变形性能及持载对DSTC承载能力的影响亟待厘清.本文对DSTC柱经长期持载后的轴压力学性能进行了初步试验研究,并与未持载试件进行了对比,分析了持载对试件的承载力、变形能力、初始刚度的影响.本文的研究成果对促进DSTC在工程中的应用有一定的参考价值.

1 试验概况

1.1 试件设计、制作及试验步骤

为研究经过长期持载后DSTC柱轴压力学性能的变化情况,本研究共设计了11根较大尺寸组合短柱试件(包括持载组与对照组),如表1所示.试件编号含义如下:CFFT与DSTC分别表示两种不同的结构截面形式,其中CFFT为FRP管约束混凝土,DSTC为双壁空心柱试件; 字母N表示此批次试件浇筑的均为普通C30混凝土; 字母G表示GFRP管,其后数据表示GFRP管的层数; 0.3与0.4表示该试件核心混凝土初始试验轴压比(定义为混凝土应力与28 d圆柱体抗压强度的比值); 第一个S表示钢管,其后数据表示钢管的壁厚(单位:mm),第二个S表示该试件设置了抗剪栓钉(环向8个,轴向每200mm布置一排); 试件编号尾部带有*的试件表示该试件为不进行持载的对照试件.所有试件钢管外径均为219 mm,GFRP管内径为300 mm,高度均为900 mm,主要变化参数为GFRP管层数、钢管厚度、试件持载轴压比及是否布置栓钉.钢管使用的钢材设计强度等级为Q355C(参考DSTC桥墩^[20]用钢等级),混凝土设计强度等级为C30.试件主要如表1所示,构件横截面如图1所示.前期持载试验装置如图2所示,持载试验步骤详见赵程^[21].轴压破坏试验在持载250 d后进行,加载装置如图3所示.

表1 试件主要参数
Tab.1 Main parameters of test specimens

表1 试件主要参数<br/>Tab.1 Main parameters of test specimens

图1 试件截面示意图<br/>Fig.1 Cross section of specimens

图1 试件截面示意图
Fig.1 Cross section of specimens

图2 持载及加载装置图.<br/>Fig.2 Sustained loading device

图2 持载及加载装置图.
Fig.2 Sustained loading device

图3 加载装置图
Fig.3 Loading device

1.2 试验材性力学性能

1.2.1 混凝土材料性能

混凝土的材料性能试验参考ASTM-C469/C469M-14^[22]规范,具体试验操作过程见赵程^[21],测得混凝土28 d圆柱体强度、弹性模量以及泊松比分别为30.4 MPa、27.4 GPa、0.181.

1.2.2 钢管材料性能

本试验所用钢管为Q355C无缝钢管,厚度有两种,分别为6 mm和12 mm.参考GB/T 228.1-2010规范^[23],每种厚度的钢管沿纵向各切割了3根狗骨形试样,具体实验操作见赵程^[21],测得钢材屈服强度分别为402.5 MPa(6 mm厚)、382.9 MPa(12 mm厚); 弹性模量分别为215.8 GPa(6 mm厚)、212.8 MPa(12 mm厚); 泊松比分别为0.29(6 mm厚)、0.30(12 mm厚).

1.2.3 GFRP管材料性能

本试验所采用的GFRP管为连云港中复连众公司制造,主要有两种厚度,分别为12层(名义厚度6 mm)以及6层(名义厚度3 mm)),纤维缠绕角度均为80°.参考柳钦试验结果^[24],6层及12层 GFRP管轴向强度分别为66.7 MPa、94.4 MPa; 6层及12层 GFRP管轴向弹模分别为12.8 GPa、15.1 GPa; 6层及12层 GFRP管环向弹模分别为41.7 GPa、41.5 GPa.

1.3 测量方案

本研究试件轴压加载在华南理工大学结构实验室1 000 t压力机上进行,加载装置如图3所示.为测量试件的变形及应变,在CFFT及DSTC外GFRP管中部布置4对纵、横应变片(沿周长均布),并且在DSTC试件内钢管外壁中部布置4对纵、横应变片(沿周长均布),同时在GFRP管中部300 mm标距内每隔90°安装量程50 mm量程位移计共四个以测量中部轴向变形,此外还安装了两个位移计和用以测量试件全高轴向总变形.加载方式全程采用位移控制,参考柳钦^[24]的轴压试验方案,轴向应变增长速率取10^-5/s,位移加载速率取0.009 mm/s.在正式加载之前,需对试件进行预压.施加10%的预估极限荷载,观察轴向应变片读数,若试件上对称位置2个轴向应变片数据之差10%以内则证明试件对中.然后按照预先定好的加载速率进行正式加载,直到荷载下降至50%峰值荷载时停止加载.

2 试件破坏过程及破坏模态

部分试件的典型最终破坏模态如图4所示.

图4 典型破坏模态<br/>Fig.4 Typical failure mode

图4 典型破坏模态
Fig.4 Typical failure mode

试验中观察到的破坏过程为:柱身中部区域最先出现GFRP管泛白,接着会出现树脂拉裂的声音; 由于持载阶段对GFRP管进行了开孔处理用以监测混凝土徐变^[21],使其有了一定初始缺陷,故在进行轴压试验之前对开孔区用水泥砂浆进行了填补,并缠绕与GFRP管相等刚度的CFRP布.此外,为防止端部效应导致GFRP管提前破坏,对GFRP管端部也进行了CFRP 条带加固.在加载的过程中最先出现GFRP管纤维断裂的位置为上述开孔部位所包CFRP布的上下两端,随着加载的进行,试件中部开始出现GFRP管纤维拉断,核心混凝土受到挤压呈现鼓出的趋势,两端GFRP也有拉断现象.对比持载及未持载试件的破坏模态(图4)发现,二者基本无差别.

3 荷载-位移曲线

主要参数对试件的荷载-轴向应变曲线如图5所示.图中轴向应变由中部位移计测得位移转换而来.

图5 荷载-应变曲线(标“*”对比试件)<br/>Fig.5 Load-strain curves(* refers to the reference specimen)

图5 荷载-应变曲线(标“*”对比试件)
Fig.5 Load-strain curves(* refers to the reference specimen)

由图5中可知:(1)持载对荷载-轴向应变曲线的趋势的影响非常有限.(2)持载仅对同类试件极限状态(最大荷载及对应轴向应变)有轻微的影响,但是规律不明显,如:对CFFT试件,持载一般会小幅降低最大荷载及对应应变,见图5(a); 对DSTC试件,持载一般会小幅增加承载力.具体而言,对GFRP层数较薄的DSTC试件(DSTC-N-G6-0.3-S6),持载后,其最大荷载有一定的提高,但是对应轴向应变却明显降低,见图5(b); 当GFRP层数较多(DSTC-N-G12-0.3-S6)及钢管厚度较大时(DSTC-N-G12-0.3-S12),持载一般使试件最大荷载及对应轴向应变均有小幅度增加,且仅GFRP厚度增加(钢管厚度不增加),上述效应更加明显; 增加轴压比能增加最大荷载及对应应变,而布置抗剪焊钉能增加最大荷载对应应变.持载对关键试验结果的影响见下一节(第4节)讨论.

4 关键试验结果分析及讨论

本研究的关键试验结果如表2所示.图6～8分别为最大荷载、最大荷载对应轴向应变、初始轴向刚度.需要说明的是,表2所示轴向刚度是通过荷载-轴向应变曲线初始上升段两点(100 με与0.4P_t对应应变,P_t为初始线性段与后期线性段之间的转折点,详见赵程^[21])之间的斜率近似估算确定.

表2 关键试验结果
Tab.2 Key test results

图6 最大荷载柱状图对比<br/>Fig.6 Bar chart of maximum loads

图6 最大荷载柱状图对比
Fig.6 Bar chart of maximum loads

图7 最大荷载对应应变柱状图对比<br/>Fig.7 Bar chart of axial strain at maximum load

图7 最大荷载对应应变柱状图对比
Fig.7 Bar chart of axial strain at maximum load

图8 初始轴向刚度<br/>Fig.8 Bar chart of initial axial stiffness

图8 初始轴向刚度
Fig.8 Bar chart of initial axial stiffness

由图6可知,持载使CFFT试件承载力有微弱减小趋势,但是使DSTC试件承载力有增加的趋势(增加最大为轴压比为0.4试件,增加20.4%).图7显示,持载使CFFT试件最大荷载对应应变有微小减小,而使DSTC试件最大荷载对应位移有微小增加的趋势(GFRP层数为6层的试件除外).由图8可知,持载后CFFT试件的初始刚度有明显增加的趋势(最大增加比例为43.9%),而使DSTC试件的初始刚度有小幅增加趋势(最大增加比例为29.1%)或基本不变(如带焊钉的试件及轴GFRP管层数6的试件).从表2可知,持载使GFRP管的开裂荷载及对应的应变有增加的趋势(后者更加明显),对CFFT试件此规律不明显,可能原因在于持载阶段,在GFRP管上开洞监测混凝土徐变导致轴压试验中开裂应变增加.

5 结论

本文对6个较大尺寸持载试件(其中5个试件为DSTC,1个为CFFT试件)进行长期持载后的轴压力学性能试验,并将其与5个不持载的试件(其中4个试件为DSTC,1个为CFFT试件)进行了对比研究.从本文的试验结果及其分析,可以得到如下结论:

(1)持载对DSTC及CFFT破坏模态几乎没有影响,两种构件在持载及未持载情况下,极限状态均由GFRP管中部的纤维拉断控制;

(2)持载对DSTC及CFFT荷载-轴向应变曲线的影响非常有限,基本不改变曲线的形状及趋势;

(3)持载使DSTC试件的承载力及变形能力均有较小幅度增加趋势,且后者增加的幅度更加明显; 持载使CFFT的承载力及变形能力有微小的降低; 持载使CFFT及DSTC的初始刚度均有增加的趋势,但是存在试验数据离散现象.

上述初步实验结果表明:DSTC长期持载对其承载力及变形能力的影响非常有限,因此,在轴压比为0.4及以内时将其用于受力结构长期持载时安全及可靠的.后期需要加强对大轴压比持载后构件力学性能的研究.

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