張鑫鑫 王玉清 徐 靜

GFRP管鋼筋混凝土柱是一種新型的組合結(jié)構(gòu)。對于該組合試件，一方面，GFRP管對核心混凝土的約束，提高了核心混凝土的強(qiáng)度和延性;另一方面，由于管內(nèi)混凝土的存在，又避免了GFRP管的穩(wěn)定問題，阻止了局部屈曲這個問題的發(fā)生。

GFRP管具有耐腐蝕性能，可用于高腐蝕的環(huán)境中，能抵抗惡劣環(huán)境的影響，有效的改善混凝土的耐久性，也可以防止鋼筋的銹蝕。該結(jié)構(gòu)適于建造大跨、高聳及近海地區(qū)的橋梁、高樁碼頭等［1］。與鋼管混凝土相比其造價低、抗腐蝕性能強(qiáng)、維護(hù)費(fèi)用低。

本文主要研究影響套管混凝土軸壓性能的部分因素，如:不同混凝土強(qiáng)度等級、不同受力方式、不同配筋率等。并研究了同一試件在不同加載方式下的力學(xué)性能，給出GFRP管鋼筋混凝土柱承載力的計算公式。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)設(shè)計14根GFRP管鋼筋混凝土軸心受壓短柱，2根無套管的鋼筋混凝土短柱。試件分8組，每組均制作2個參數(shù)相同的試件，試件參數(shù)及編號見表1(試件均選擇高為600mm，內(nèi)徑為200mm，壁厚為5mm)。

表1 試件參數(shù)及編號

1.2 加載方法與測點(diǎn)布置

本試驗(yàn)在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室500 t壓力機(jī)上進(jìn)行。所有試件均為軸心受壓，加載方式為單調(diào)加載(除1根HA-H1為重復(fù)加載)。對于核心混凝土受壓試件，柱兩端的混凝土凹回管內(nèi)10mm，上下兩端的圓形加載板正好放入凹槽中，通過加載板對試件進(jìn)行加載。對于全截面受壓的試件，則直接通過壓力機(jī)上下的承壓板對其加載。測點(diǎn)布置及加載裝置見圖1。

在試件的中間截面處，按間隔90°對稱布置1，2，3，4四個點(diǎn)，在每個點(diǎn)上橫縱粘貼2個應(yīng)變片，用來測定中間截面的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變。且在試件的中間截面處每隔120°垂直于試件軸線方向布置A，B，C 3個位移計，用來測量試件中間截面的橫向變形的位移。與500 t壓力機(jī)連接的電腦可以直接讀出試件縱向的位移變化情況。布置好儀器以后，反復(fù)調(diào)整，進(jìn)行幾何及物理對中。對中以后，開始軸壓試驗(yàn)。

我們采用分級加載，最開始每級荷載為200 kN。觀察連接壓力機(jī)的電腦，當(dāng)電腦給出的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖進(jìn)入屈服階段時，每級加載荷載為100 kN。每級荷載持載30 s～1min［2-4］。當(dāng)接近極限荷載時，加載速度變慢，逐級讀取各級荷載的應(yīng)變。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

對于GFRP管鋼筋混凝土短柱而言，試件的破壞機(jī)理是混凝土達(dá)到了三向受壓時的抗壓強(qiáng)度，最后由于GFRP管的環(huán)向破壞，組合試件破壞。首先就核心混凝土軸心受壓的試件來說，在加載過程中，GFRP管首先稍微有些泛白，隨后在達(dá)到極限承載力的75%左右時，可以看到明顯的白色螺旋條紋，當(dāng)加載到極限承載力的85%左右時，可以聽到輕微斷斷續(xù)續(xù)劈啪聲，隨后聽到連續(xù)的劈啪聲，越來越響，最后聽到雷霆般的響聲，GFRP管被撕斷，失去約束能力，試件破壞。以試件HA-H1為例，在破壞時，在試件的中部偏下首先發(fā)生裂縫，隨后向試件的兩端擴(kuò)展，最終GFRP管環(huán)向破壞并伴隨著雷霆般的響聲。試件破壞后，在試件的中部，混凝土外露，加載板壓入套管中。

對于全截面軸心受壓試件而言，其破壞形態(tài)和破壞過程與核心混凝土軸心受壓試件基本相似。對于無管的試件來說當(dāng)加載到承載力的70%左右時，在試件中部發(fā)現(xiàn)微裂縫。繼續(xù)加載裂縫明顯增多并向柱子兩端延伸，隨后中部部分混凝土剝落，繼續(xù)加載鋼筋屈服，試件破壞。圖2為部分試件最終的破壞形態(tài)。

2.1 不同混凝土強(qiáng)度等級

本試驗(yàn)采用C30與C60兩種不同強(qiáng)度的混凝土來分析不同強(qiáng)度等級的混凝土對其性能的影響。如圖3所示，混凝土強(qiáng)度為C60的試件其極限承載力為3298 kN，極限壓應(yīng)變?yōu)?.01410，而混凝土強(qiáng)度等級為C30的試件，其極限承載力為2998 kN，極限壓應(yīng)變?yōu)?.03427。雖然C60試件的極限承載力比C30試件提高了很多，但是其極限壓應(yīng)變卻只有C30試件的0.41倍?？梢婋S著混凝土強(qiáng)度的提高，試件的極限承載力也得到了提高，但GFRP管對其約束效果卻在降低。主要是因?yàn)?，混凝土?qiáng)度等級越高，其變形能力越差，所以約束效果越差。

2.2 不同受力方式

HA-L0與QH-L0，HA-H1與QA-H1分別為同種材料不同受力方式的3組試件。從圖4中可以得出，3組試件雖然受力方式不同，但其極限壓應(yīng)力基本相同，其軸向極限壓應(yīng)變也基本相同。我們以圖4加以說明。

對于核心混凝土試件，只有混凝土承受壓力，而GFRP管不承受壓力。但是GFRP管對核心混凝土的約束效果卻非常的好。而對于全截面受壓試件，核心混凝土與GFRP管都受到壓力，當(dāng)GFRP管在受到壓力的情況下，對核心混凝土的約束作用就會減少，但是GFRP管分擔(dān)了部分軸力，其分擔(dān)的這部分軸力就彌補(bǔ)了約束不足這一方面。所以最終得出:核心混凝土受壓與全截面受壓無論在極限承載力還是在極限壓應(yīng)變方面都基本相同。

2.3 不同配筋率

HA-L0，HA-L1，HA-L2為同種材料不同配筋率的三種試件。由圖5可知，沒有配置鋼筋的GFRP管混凝土柱其管內(nèi)混凝土破壞形式為剪切破壞，形成一個錐形，而配置了鋼筋的試件則避免了剪切破壞。由表1可知，隨著配筋率的增加，試件的極限承載力也得到了明顯的提高。由圖6可知與HA-L0相比，HA-L1與HAL2的延性也得到了明顯的提高。

2.4 不同加載方式

我們選擇2個相同參數(shù)的試件(HA-H1)，一個試件進(jìn)行一次加載軸心受壓;另一個試件進(jìn)行反復(fù)加載軸心受壓。所謂反復(fù)加載，就是在原先的分級加載的前提下，每加載一級后持載30 s左右，記錄數(shù)據(jù)后就將其卸載至0，然后一次加載至2級記錄數(shù)據(jù)后再卸載至0，以此類推，直到試件破壞。最后進(jìn)行比較，其結(jié)果見表2。

表2 不同加載方式極限承載力與應(yīng)變

由表2可知，雖然我們所選用的是同一參數(shù)試件，但在一次加載和反復(fù)加載這兩種不同加載方式下，試件的極限承載力卻有明顯的差距。一次加載試件的極限承載力要比反復(fù)加載試件的承載力高出602 kN，且卸載時若荷載小于軸力應(yīng)變曲線上對應(yīng)的彎曲點(diǎn)，變形可以完全恢復(fù)，若卸載時荷載超過了軸力應(yīng)變曲線上對應(yīng)的彎曲點(diǎn)，變形則不可完全恢復(fù)，發(fā)生明顯塑性變形。

3 結(jié)語

1)隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，GFRP管鋼筋混凝土組合短柱的承載力也隨著提高，但是其極限壓應(yīng)變卻隨著降低。2)對于不同受力方式的組合試件，其極限承載力與極限壓應(yīng)變都基本相同。3)組合試件中配置的鋼筋可以有效避免試件發(fā)生剪切破壞，并使得試件的承載力及延性得到提高。

［1］李 杰，薛元德.FRP管混凝土柱組合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2004(6):7-10.

［2］趙大洲.鋼骨—鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱力學(xué)性能研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2003.

［3］王清湘，趙大洲，關(guān) 萍.軸心受壓鋼骨—鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱承載力的研究［J］.工程力學(xué)，2003，20(6):195-201.

［4］張東興，黃龍南.玻璃鋼管混凝土柱力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報，2000，33(1):73-76.

［5］程文瀼，康谷貽.混凝土結(jié)構(gòu)［M］.第3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.