段紅偉，高劍平,2，鄒恒之，曹忠民,2，劉 洪

（1. 華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013； 2. 華東交通大學(xué)土木工程國(guó)家級(jí)試驗(yàn)教學(xué)示范中心，江西 南昌 330013；3. 安源管道實(shí)業(yè)股份有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

在西部的強(qiáng)鹽堿地帶，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕十分嚴(yán)重，被迫反復(fù)修復(fù)或重建，經(jīng)濟(jì)損失巨大[1-2]。 橋墩柱作為橋梁的主要豎向承重和抗側(cè)力構(gòu)件，其耐久性將會(huì)直接影響橋梁的使用安全和壽命。 基于上述背景，本文作者提出新型材料組合結(jié)構(gòu)“SRPE 套管約束RC 柱”。如圖1 所示，SRPE 管是由連續(xù)纏繞焊接成型的鋼絲網(wǎng)骨架與高密度聚乙烯（HDPE）塑料基體共擠成型的復(fù)合管[3-4]，有效阻斷外界各種腐蝕性離子對(duì)橋墩柱的侵蝕的同時(shí)，還可以較好地約束核心混凝土，提高墩柱的受力性能。

圖1 SRPE 管結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of SRPE tubes

需要指出的是， 涂塑鋼管界面易發(fā)生分離，PVC 管不耐老化，低溫容易變脆，多數(shù)FRP 的樹(shù)脂基體耐腐蝕卻不耐光和高溫（60 ℃開(kāi)始軟化）[5-6]，HDPE 管耐腐蝕但存在不耐壓、應(yīng)力松弛、熱脹冷縮、蠕變[7-8]等缺點(diǎn)。 相比之下，SRPE 管可阻隔各類腐蝕性離子的侵蝕、耐紫外線、耐溫性強(qiáng)（-40～80 ℃），使用壽命達(dá)50～70 a，更能適應(yīng)西部強(qiáng)鹽漬土/鹽湖區(qū)的惡劣環(huán)境。 本文在SRPE 套管約束混凝土柱/鋼筋混凝土柱軸壓力學(xué)性能研究[9-12]的基礎(chǔ)上，進(jìn)行偏心受壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究，為該新型組合柱研究的進(jìn)一步完善和工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料力學(xué)性能試驗(yàn)

本次試驗(yàn)所用的SRPE 套管由江西省萍鄉(xiāng)市安源管道實(shí)業(yè)股份有限公司生產(chǎn)提供，表1、表2 為本次試驗(yàn)材料的基本力學(xué)性能參數(shù)。 表1 中μh為HDPE 的泊松比，Esh為彈性模量，fyh為彈性極限，fuh為拉伸強(qiáng)度；表2 中d 為鋼絲的直徑，fys為鋼絲的屈服強(qiáng)度，fus為極限強(qiáng)度，δ 為伸長(zhǎng)率，Est為彈性模量。

表1 HDPE 材料力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of HDPE

表2 鋼絲基本力學(xué)性能Tab.2 Basic mechanical properties of steel wire

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)8 根SRPE 套管約束鋼筋混凝土柱和4 根無(wú)套管鋼筋混凝土柱 （對(duì)比試件），RC柱均為直徑200 mm 的圓柱。 混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30；縱筋等級(jí)為HRB400，直徑為12 mm；箍筋為直徑4 mm 的碳素鋼絲， 箍筋間距為60 mm；SRPE 管壓力等級(jí)采用1.6 MPa 和2.5 MPa 2 種；偏心距（e0）為20 mm 和40 mm；長(zhǎng)細(xì)比為6 和9。 試件具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。試件編號(hào)中，S 表示SRPE 套管試件，RC 表示無(wú)套管對(duì)比試件，S1 表示SRPE 套管壓力等級(jí)為1.6 MPa，S2 表示SRPE 套管壓力等級(jí)為2.5 MPa，20和40 依次表示偏心距20 mm 和40 mm，600 和900依次表示試件長(zhǎng)度600 mm 和900 mm；峰值撓度為偏壓試件達(dá)到極限承載力時(shí)所對(duì)應(yīng)的柱中撓度。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental design parameters and measured results

1.3 測(cè)量和加載

試驗(yàn)在NYL-500 t 壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試件兩端安裝刀口鉸模擬偏壓加載。 3 個(gè)百分表依次布置在遠(yuǎn)離軸向力一側(cè)的柱中和上下兩端距離柱中150 mm 位置處， 機(jī)電位移計(jì)分別對(duì)稱布置在試件兩側(cè)，布置如圖2 所示。 加載前，先調(diào)整試件上下截面形心的連線，使其通過(guò)壓力機(jī)上、下承壓板的幾何中心，調(diào)整好進(jìn)行偏壓預(yù)加載，所加荷載約為預(yù)估承載力的20%，測(cè)試加載設(shè)備、儀表和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否正常工作，之后再進(jìn)行正式加載。 正式加載時(shí)參照 《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50152—2012）的相關(guān)規(guī)定，采用單調(diào)逐級(jí)加載，每級(jí)荷載約為試件預(yù)估極限承載力的1/15，在讀數(shù)接近預(yù)估極限承載力80%～90%時(shí)， 荷載分級(jí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)密，直至試件變形很大或荷載下降至峰值荷載60%附近停止加載。加載過(guò)程中記錄各試件的破壞過(guò)程和破壞特征。 圖2 中LVDT 為差動(dòng)式位移傳感器。

圖2 試驗(yàn)裝置和測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Test setup and instrumentation

2 主要試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

大、 小偏壓試件的破壞過(guò)程大體相似。 加載初期，試件側(cè)向撓度增長(zhǎng)緩慢，隨著荷載增加，撓度增速加快，接近極限荷載時(shí)，柱中撓度急劇增長(zhǎng)，受壓區(qū)SRPE 套管出現(xiàn)褶皺鼓曲，“嘶嘶”響聲更加頻繁，達(dá)到極限承載力后，柱的撓度持續(xù)增長(zhǎng)，荷載緩慢下降，表現(xiàn)出較好的延性。 以試件S2-40-600 和S2-20-600 為例分別說(shuō)明大偏壓、小偏壓的典型破壞形態(tài)，見(jiàn)圖3 和圖4。偏心距為40 mm 時(shí)試件發(fā)生大偏心受壓破壞， 剝除SRPE套管， 焚燒除去基體材料HDPE 后， 發(fā)現(xiàn)核心混凝土柱受壓側(cè)混凝土被壓碎，受拉側(cè)出現(xiàn)數(shù)道橫向主裂縫，受壓側(cè)縱向鋼筋因壓曲而發(fā)生明顯彎折，SRPE 套管褶皺部分的內(nèi)部鋼絲網(wǎng)骨架發(fā)生明顯鼓曲但未斷裂；偏心距為20 mm 時(shí)試件發(fā)生小偏心受壓破壞，SRPE 套管斜向剪切變形明顯，核心混凝土的破壞形態(tài)呈現(xiàn)明顯的斜剪破壞，斜剪變形角約為45°，見(jiàn)圖4（b）。 縱向鋼筋和SRPE管內(nèi)部鋼絲網(wǎng)骨架由于被動(dòng)抵抗斜向剪切滑移而發(fā)生彎折，但未斷裂，分別見(jiàn)圖4（c）和圖4（d），斜剪變形方向以白線示出。

圖3 大偏壓試件的典型破壞形態(tài)Fig.3 Typical failure mode of specimen subjected to compression with large eccentricity

圖4 小偏壓試件的典型破壞形態(tài)Fig.4 Typical failure mode of specimen subjected to compression with small eccentricity

2.2 荷載-軸向位移曲線

圖5（a）和圖5（b）分別為大、小偏壓試件的荷載-軸向位移曲線。 從圖5 可以看出，和對(duì)比試件相比，SRPE 套管非常顯著地提高了偏壓試件的承載力和延性。 圖5（a）和5（b）的曲線均可分為線彈性段、彈塑性段和下降段。 如圖5（a）所示，在加載初期，由于試件所受荷載較小，SRPE 套管還未對(duì)核心混凝土發(fā)生約束作用，大偏壓試件的軸向位移與荷載近似呈現(xiàn)線性遞增關(guān)系， 且各曲線幾乎重合，試件處于線彈性段；當(dāng)進(jìn)入彈塑性段時(shí)，隨著荷載的增加，試件位移曲線開(kāi)始略微變平緩，切線模量開(kāi)始變小，相對(duì)小偏壓試件，此時(shí)位移增長(zhǎng)更快，峰值位移更大， 但提高承載力的幅度低于小偏壓試件。SRPE 套管壓力等級(jí)、 長(zhǎng)細(xì)比等參數(shù)基本不影響曲線的走勢(shì)；當(dāng)加載超過(guò)試件的極限承載力后，曲線緩慢下降，試件表現(xiàn)出良好的延性特征，直至試件破壞。 如圖5（b）所示，在加載初期，曲線幾乎重合，SRPE 套管小偏壓試件的軸向位移與荷載近似呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，因?yàn)榇藭r(shí)荷載較小，SRPE 套管尚未對(duì)核心混凝土發(fā)揮約束作用， 試件處于線彈性段；隨著荷載逐漸增大， 各曲線的切線模量開(kāi)始降低，試件軸向位移增長(zhǎng)加快， 試件開(kāi)始進(jìn)入彈塑性段，因SRPE 套管壓力等級(jí)的不同，曲線出現(xiàn)了明顯的差別，2.5 MPa 套管的約束效果明顯優(yōu)于1.6 MPa 套管的約束效果， 即對(duì)應(yīng)的峰值荷載和峰值位移更大；當(dāng)荷載超過(guò)試件的極限荷載時(shí)， 曲線開(kāi)始緩慢下降，由于SRPE 套管的約束作用， 避免了混凝土的突然壓潰，荷載下降速度較慢，試件表現(xiàn)出較好的延性。

圖5 荷載-軸向位移曲線Fig.5 Load-axial displacement curve

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 極限承載力和延性分析

為定量分析各控制參數(shù)對(duì)偏壓試件延性的影響規(guī)律，引入延性系數(shù)μ，如式（1）所示。各偏壓試件延性系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 偏壓試件的延性系數(shù)Tab.4 Ductility coefficient of specimens under eccentric load

式中：Δy為屈服位移，mm，試件荷載-軸向位移曲線的彈性段延長(zhǎng)線與過(guò)峰值點(diǎn)的切線交點(diǎn)處的位移，由于該值均位于荷載上升階段達(dá)到70%～80%峰值荷載對(duì)應(yīng)的軸向位移之間。為方便計(jì)算，統(tǒng)一取Δy=Δ75%。 Δu為極限位移，mm，試件所承受的荷載下降至峰值荷載的80%時(shí)所對(duì)應(yīng)的軸向位移。

3.1.1 SRPE 套管壓力等級(jí)對(duì)極限承載力和延性的影響

從圖5 可以看出，SRPE 套管能明顯提高偏壓試件的極限承載力和延性。 以S1-20-600、S2-20-600、RC-20-600 為例，結(jié)合表3 數(shù)據(jù)可知，和對(duì)比試件相比，SRPE 管壓力等級(jí)為1.6 MPa 的偏壓極限承載力提高了94.5%， 延性系數(shù)是對(duì)比試件的1.89 倍；SRPE 管壓力等級(jí)為2.5 MPa 的偏壓試件的極限承載力提高了161.2%，延性系數(shù)是對(duì)比試件的1.91 倍，并且壓力等級(jí)為2.5 MPa 的SRPE 套管對(duì)偏壓試件的承載力提高效果要明顯強(qiáng)于1.6 MPa的SRPE 套管, 原因在于試件達(dá)到極限承載力后進(jìn)入破壞階段， 其核心混凝土內(nèi)部裂縫加速發(fā)展，環(huán)向變形急劇增大，SRPE 管對(duì)核心混凝土構(gòu)成被動(dòng)環(huán)向約束，即管材壓力等級(jí)越大，SRPE 管提供的被動(dòng)約束力越大， 所以試件的承載力隨著SRPE 套管壓力等級(jí)的提高而提高。 本次試驗(yàn)中，無(wú)論大、小偏心受壓， 壓力等級(jí)為1.6 MPa 和2.5 MPa 的SRPE套管約束鋼筋混凝土柱的延性系數(shù)比較接近（見(jiàn)表4），僅相差0.01～0.05，說(shuō)明SRPE 管壓力等級(jí)對(duì)試件延性的影響相對(duì)較小。

3.1.2 偏心距對(duì)極限承載力和延性的影響

由表3 可知，同等參數(shù)條件下，20 mm 偏心距試件的極限承載力都大于40 mm 偏心距試件的極限承載力，說(shuō)明試件的偏心距越大，承載力越小。且隨著SRPE 管壓力等級(jí)的增大，偏心距對(duì)極限承載力的影響越明顯， 同等參數(shù)條件下，2.5 MPa 的SRPE 套管試件的大、小偏壓試件極限承載力的差距遠(yuǎn)超于1.6 MPa 的SRPE 套管試件的。 以S2-20-600、S2-40-600 和S1-20-600、S1-40-600 為例，前者極限承載力相差460.84 kN，后者極限承載力相差148.544 kN。 本次試驗(yàn)中，偏心距對(duì)試件延性的影響并不明顯， 前者延性系數(shù)相差0.08，后者延性系數(shù)相差0.07。

3.1.3 長(zhǎng)細(xì)比對(duì)極限承載力和延性的影響

由表3、表4 可知，同等參數(shù)條件下，長(zhǎng)細(xì)比為6 的偏壓試件的極限承載力和延性系數(shù)都要大于長(zhǎng)細(xì)比為9 的偏壓試件的極限承載力和延性系數(shù)，說(shuō)明偏壓試件極限承載力隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大而減小，延性隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大而降低，主要因?yàn)樵嚰拈L(zhǎng)細(xì)比的增加會(huì)導(dǎo)致偏壓試件的二階效應(yīng)增強(qiáng)，使得SRPE 套管對(duì)核心混凝土的約束效果降低所致。

3.2 側(cè)向撓度分析

根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果繪制出SRPE 套管偏壓試件達(dá)到極限荷載時(shí)柱的側(cè)向撓度曲線，如圖6 所示。 其中縱坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)距試件底面的高度（依次為0，150，300，450，600 mm）。 各偏壓試件峰值撓度見(jiàn)表3。

圖6 極限荷載時(shí)柱的側(cè)向撓度曲線Fig.6 Lateral deflection curves under ultimate load

從圖6 可以看出，SRPE 套管偏壓試件達(dá)極限荷載時(shí)的側(cè)向撓度曲線接近于正弦半波曲線。SRPE管壓力等級(jí)、偏心距、長(zhǎng)細(xì)比等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)柱的側(cè)向撓度均有不同程度的影響。

3.2.1 SRPE 套管壓力等級(jí)對(duì)柱中撓度的影響

由表3 可知，SRPE 管鋼筋混凝土偏壓試件的柱中峰值撓度要遠(yuǎn)大于對(duì)比件的柱中峰值撓度，對(duì)比件的柱中峰值撓度在2.219～3.309 mm，而偏壓試件的柱中峰值撓度能夠達(dá)到12.74～17.34 mm，因?yàn)镾RPE 管較強(qiáng)的環(huán)向約束作用，大大提高了核心混凝土的變形能力。 同等參數(shù)條件下，SRPE 套管壓力等級(jí)為2.5 MPa 的偏壓試件的柱中峰值撓度和1.6 MPa 的偏壓試件的相差不大，僅0.327～0.919 mm，說(shuō)明SRPE 套管壓力等級(jí)對(duì)柱中撓度的影響相對(duì)較小。

3.2.2 偏心距對(duì)柱中撓度的影響

由表3 可知， 同等參數(shù)條件下，40 mm 偏心距試件的柱中峰值撓度都要大于20 mm 偏心距試件的柱中峰值撓度，提高幅度為17.80%～21.99%，說(shuō)明SRPE套管偏壓試件柱中撓度隨著偏心距的增大而增大。

3.2.3 長(zhǎng)細(xì)比對(duì)柱中撓度的影響

由表3 可知，同等參數(shù)條件下，長(zhǎng)細(xì)比為9 的偏壓試件的柱中峰值撓度都要大于長(zhǎng)細(xì)比為6 的偏壓試件的柱中峰值撓度， 提高幅度為5.65%～10.34%，說(shuō)明長(zhǎng)細(xì)比越大，偏壓試件柱中撓度越大。

4 SRPE 套管約束鋼筋混凝土柱偏壓承載力計(jì)算公式

4.1 基本假定

1） 整個(gè)試驗(yàn)加載過(guò)程中偏壓試件始終滿足平截面假定；

2） 忽略受拉區(qū)混凝土的抗拉強(qiáng)度；

3） 假定SRPE 管的環(huán)向應(yīng)力沿壁厚方向均勻分布；

4） 本次試驗(yàn)試件的長(zhǎng)細(xì)比較小， 皆為材料破壞，不考慮縱向彎曲的影響。

4.2 計(jì)算公式

以SRPE 套管約束RC 柱偏壓性能試驗(yàn)為基礎(chǔ)， 參照 《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 28：2012）， 基于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法， 提出SRPE 套管約束RC柱偏壓承載力計(jì)算公式

式中：Nu為SRPE 套管約束RC 柱偏壓承載力，kN；φ 為偏心受壓穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算公式見(jiàn)（3）；N0為SRPE套管約束RC 柱軸壓承載力，kN，參照高劍平等[12]提出的軸壓計(jì)算公式，見(jiàn)式（5）。

式中：Le為SRPE 套管柱長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值，mm；D 為無(wú)套管RC 柱的圓截面直徑， 即200 mm；φe為偏心距的折減系數(shù)，計(jì)算公式

式中：e0表示初始偏心距，mm；rc為無(wú)套管RC 柱的圓截面半徑，即100 mm。

式中：fy′為縱筋的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；AS′為受壓鋼筋截面面積，mm2；fCC為SRPE 套管約束核心混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度[13-14]，MPa。 按式（6）～式（9）計(jì)算

式（6）～式（9）中：fl為SRPE 套管約束力，MPa。 不同壓力等級(jí)的SRPE 套管約束力見(jiàn)表5；flp為HDPE 提供的約束力，MPa；fls為緯線鋼絲提供的約束力，MPa；fCO為非約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度，MPa；fCC為核心混凝土截面面積，mm2；d1為線鋼絲的直徑，mm；S 為相鄰2 條緯線的中心間距；K 為折算HDPE 管的外、內(nèi)徑比值；fp為HDPE 材料的屈服極限，MPa。

表5 不同壓力等級(jí)SRPE 管所提供的約束力Tab.5 Confined stress provided by SRPE pipe with different pressure grade

采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法得出的SRPE 套管約束RC 柱偏壓承載力計(jì)算公式，計(jì)算得到的偏壓承載力計(jì)算值，以及與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果，如表6 所示。 Nu為SRPE 套管試件偏壓承載力計(jì)算值，kN；Nv為SRPE 套管試件偏壓承載力試驗(yàn)值，kN；X 為二者比值的平均值；σs為標(biāo)準(zhǔn)差。

表6 SRPE 套管約束RC 柱偏壓承載力計(jì)算值、試驗(yàn)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

從表6 可以看出，SRPE 套管偏壓試件的極限承載力計(jì)算值均小于試驗(yàn)值， 比值平均值為0.91，標(biāo)準(zhǔn)差為0.05，吻合較好，離散性較小。 本次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于低強(qiáng)度混凝土而言偏保守，在工程常用范圍內(nèi)， 該公式可為計(jì)算SRPE 套管鋼筋混凝土柱的偏壓承載力提供參考。

5 結(jié)論

以8 根SRPE 套管約束鋼筋混凝土柱和4 根無(wú)套管約束的鋼筋混凝土柱偏壓試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，分析了SRPE 管公稱壓力等級(jí)、偏心距、長(zhǎng)細(xì)比等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)偏壓試件極限承載力、延性、柱中撓度的影響規(guī)律，得出以下主要結(jié)論。

1） SRPE 套管的環(huán)向約束作用顯著提高了偏壓柱的承載力和延性。

2） 偏壓試件的承載力隨著SRPE 管壓力等級(jí)的提高而提高，隨著偏心距和長(zhǎng)細(xì)比的增大而減小。

3） 偏壓試件的延性隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大而降低，SRPE 套管壓力等級(jí)、 偏心距對(duì)試件延性的影響則相對(duì)較低。

4） 無(wú)套管試件的柱中峰值撓度要遠(yuǎn)小于SRPE 套管試件的柱中峰值撓度。 偏心距或長(zhǎng)細(xì)比越大，柱中峰值撓度越大，而SRPE 套管壓力等級(jí)的影響相對(duì)較小。

5） 極限荷載時(shí)，SRPE 套管鋼筋混凝土偏壓柱的側(cè)向撓度曲線接近于正弦半波曲線。

6） 基于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法提出的SRPE 套管約束RC柱偏壓承載力計(jì)算公式，得出的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，可供實(shí)際工程應(yīng)用參考。