FRP-高强混凝土-带肋高强钢管双壁空心柱抗震性能试验研究

梁圣达 卢宇澄

（广东工业大学 土木与交通工程学院）

0 引言

纤维增强复合材料（FRP）-混凝土-钢双壁空心柱[1]（Hybrid FRP-Concrete-Steel Double-Skin Tubular Columns，简称DSTCs）由外部FRP管、内部钢管以及夹层填充的混凝土组合而成，是一种新形式的FRP组合柱。此组合柱质量较轻（空心），运输方便，可预制施工。目前针对DSTCs的研究较丰富[2-10]。研究发现，DSTCs中混凝土同时受到外FRP管和内钢管的约束，且内钢管的向外屈曲被夹层混凝土和FRP管同时抑制，故其具有较高的承载力和延性。但内钢管的向内屈曲严重制约了其受力性能，使其在达到峰值荷载之后承载力迅速下降，钢管不能充分发挥其强度。

基于此，有学者[11]提出将加劲肋焊接在内钢管外壁，形成R-DSTCs（Hybrid FRP-Concrete-Steel Double-Skin Tubular Columns with a Rib-Stiffened Steel Inner Tube，简称R-DSTCs）。研究[11-13]表明，R-DSTCs内钢管中的加劲肋能够有效延缓钢管的向内屈曲，从而提高DSTCs的承载力和延性。但截止目前，对FRP-混凝土-带肋钢管双壁空心柱的研究非常少，并且仅停留在轴压力学性能的研究，对其抗震性能的研究暂处于空缺状态，目前亟需对FRP-混凝土-带肋钢管双壁空心柱进行抗震性能研究。同时，在DSTCs中使用高强材料更能发挥DSTCs结构形式的特点。基于以上背景，对使用Q690高强钢管和C60高强混凝土的R-DSTCs进行抗震性能试验研究，并探究钢管上带肋的数量对试件抗震性能的影响。

1 试验方案

1.1 试件设计

本研究对2个R-DSTCs试件和1个DSTCs试件（对照组）进行抗震性能试验，试验参数为内钢管带加劲肋的数量。试件详细参数见表1。试件编号的命名规则如下：第一个英文字母“R”代表加劲肋（Rib-Stiffener），紧跟其后的数字“0”、“4”、“8”代表加劲肋的数量分别为0、4个、8个。试件横截面见图1。

表1 试件详情

图1 试件横截面

1.2 材料力学性能

试验所用FRP管为玻璃FRP预制管（GFRP管），缠绕角度为±80°；试验所用钢管为Q690冷弯高强钢管；试验所用混凝土为C60高强商品混凝土。由GFRP弧形试件拉伸试验[14]得到GFRP管的弹性模量为35.4GPa，极限断裂应变为1.25%。钢管的弹性模量为205.7GPa，屈服强度为802.0MPa，屈服应变为0.0059（BS18-1987[15]）。混凝土标准圆柱体抗压强度为61.2MPa，弹性模量为33.1GPa，极限轴向应变为0.0027，泊松比为0.18（ASTM C469/469M[16]）。

1.3 加载方案及测量方案

本试验采用全程位移加载，加载变量为位移角（试件水平位移与计算高度的比值），从1%的位移角开始加载，随后加载等级提高到2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%的位移角，每个加载等级循环三圈[17]。当试件承载力下降到80%，或试件出现明显的破坏现象时，加载结束。试件的加载装置见图2。本试验采用三个线性位移计分别对试件加载端的横向位移、试件底座可能发生的横向和竖向位移进行测量。

图2 试件加载

2 试验结果及分析

2.1 试验现象及破坏模态

当试件加载等级达到2%的位移角时，试件外FRP管的W面和E面在距离底座20mm的区域内首先发生开裂（水平裂缝）现象；随着施加位移增加，试件外FRP管的W面和E面在距离底座50～400mm区域内出现若干条裂缝。裂缝随着位移的增加而扩大，并陆续沿着试件的圆周方向贯通。当加载等级达到7%～8%的位移角时，内钢管发生局部屈曲和断裂，试件破坏，承载力骤降。所有试件的破坏模态均为内钢管发生局部屈曲和断裂，外FRP管并未发生环向断裂现象（见图3）。

图3 试件破坏模态

2.2 滞回曲线

图4（a）、（b）、（c）展示了每个试件的水平荷载-水平位移滞回曲线以及骨架包络线。可以看出，所有试件的滞回环都较为饱满，没有明显的捏缩效应发生，表明试件具有良好的耗能能力。加载开始，试件处于弹性阶段，加载刚度和卸载刚度几乎一致，同一个加载等级下的三个往复加载曲线几乎重合。随着施加位移的提升，试件的刚度不断降低，残余变形增大，同一加载等级的三个往复加载曲线逐渐分离，强度随着循环圈数的增加而不断退化。当加载等级达到6%～7%的位移角时，试件在正向和负向均达到峰值荷载；随后，试件在7%～8%的位移角加载等级下发生内钢管局部屈曲和断裂现象，荷载和刚度骤降，试件破坏。

2.3 骨架曲线

图4（d）展示了三个试件的骨架曲线。从图中可以看出，试件的骨架曲线在正向和负向不对称，这是由于试件在制作过程中的初始缺陷（不对称）引起的。三个试件的骨架曲线趋势基本相同。在加载的初始阶段，试件基本处于线弹性阶段；当加载等级达到2%的位移角时，钢管屈服，进入弹塑性阶段。当试件达到峰值荷载之后，内钢管发生局部屈曲和断裂，承载力骤降，试件破坏。

图4 滞回曲线和骨架曲线

对比三个试件的骨架曲线可以看出：钢管上的加劲肋提高了试件的整体刚度。对比三个试件的峰值荷载（见表2）可以看出：试件R8的峰值荷载较试件R0和R4分别提高了28%和12%，表明内钢管上的加劲肋显著增强了试件的承载能力。这可能由以下两个原因造成：①增加钢管上带肋的数量可以增大含钢率；②钢管上的加劲肋能够增大钢管与混凝土之间的接触面积，进而增强它们的相互作用。

2.4 刚度退化

图5展示了试件在加载中的刚度退化。可以看到，试件的刚度随着加载等级的提高而不断退化。加劲肋增大了试件的刚度，且三个试件的刚度退化规律相差不大。

图5 刚度退化

2.5 延性系数

三个试件的延性系数为5.7～6.3（见表2），远高于一般钢筋混凝土框架结构的延性系数要求，表明R-DSTCs试件具有良好的延性。

表2 试验结果

2.6 耗能能力

本研究对水平荷载-位移滞回曲线在每个加载等级下的三圈滞回环面积进行相加，得到试件的累计耗能。从图6可以看出，每个试件的累计耗能均随着加载等级的提升而不断增加。加载初始阶段三个试件的累计耗能曲线几乎重合，在位移角达到3%时，三个试件的累计耗能曲线逐渐分离，试件R4和R8的累计耗能明显高于试件R0，表明试件的耗能能力随着钢管上带肋数量的增加而增强。

图6 累积耗能

3 结语

通过对2个R-DSTCs试件和1个DSTCs试件（对照组）进行拟静力试验，探究了R-DSTCs的抗震性能，具体结果如下：

⑴所有试件的最终破坏模态都表现为内钢管发生屈曲和断裂，外FRP管在加载过程中虽出现水平裂缝，但未发生环向断裂。

⑵R-DSTCs具有良好的承载能力和变形性能。增加钢管上带肋的数量，能够提高钢管与混凝土之间的相互作用力，并且延缓钢管的向内屈曲，使R-DSTCs的承载力、刚度和耗能能力提升。试件R8的侧向承载力比R0和R4分别提高28%和12%。