FRP约束钢管组合柱轴压性能研究

马 兰

(青海民族大学 西宁 810007)

0 引言

FRP材料，即纤维增强塑料，被广泛应用为建筑原材料，得到了越来越多的推广[1]。其中，FRP与混凝土组合制备的混凝土柱有着良好的力学性能，加之钢管组合，更能发挥各材料性能优势，得到性能优越的组合结构。Teng等[2]最先提出了包含内层钢管、中层填充混凝土、外层FRP管的组合结构形式，认为该组合柱具有施工简易、耐腐蚀性好、质轻、高强的优势，尤其是当结构需要承载较大轴压时，该组合结构有着优良的轴压性能，并且经济适用，可推广应用于大跨度桥梁工程等场景。

随着我国基建设施的快速增长，天然建材资源使用量不断加大，过量开采也引起了许多环境问题。此外，伴随着快速建设的同时，也有着大量的老旧建筑物拆除工程，产生了大量固态废弃物，每年产量超过3亿吨[3]，其中半数以上为拆除混凝土块[4]。以一线城市广州市为例，每年拆除的固态建筑垃圾就在4000万吨以上，而其综合利用率仅为2.5%以下，即百万吨以下，其中引起的建筑垃圾处理或堆放处置费用巨大，并引起了诸多环境问题[5]。因此，寻找一种能够有效利用废弃混凝土块的方法，既能减少天然建材的消耗，也能有效消耗难以处置的建筑垃圾，有着巨大的经济及社会效应。已有学者针对再生骨料混凝土进行了探索性研究，但应原材料性能的局限，多用于路基回填等对混凝土强度要求不高的场景[6]。

本研究在FRP约束钢管组合混凝土柱的基础上，引入再生骨料混凝土材料，提出了一种新的复合组成结构形式，包含内层钢管、中层填充再生混凝土以及最外层的FRP管，其截面形式如图1，有着以下优势：

(1)中层填充的再生混凝土同时收到内层钢管和外层FRP管的约束作用，在三自由度受压的条件下，可提升其抗压、抗剪以及抗变形的能力；(2)内层钢管在外层FRP管和中间层再生混凝土的保护下，能够有效避免产生锈蚀问题，提升了钢管的耐久性能；(3)中层再生混凝土可通过降低内层钢管屈曲作用的途径，保证内层钢管和外层FRP管的整体稳定性能。

图1 组合柱截面示意图

1 试验方案设计和试验步骤设计

1.1 原材料和试验方案

将无缝长钢管切割，得到本试验所需内层钢管，钢管壁厚度为3.6mm，外径75mm，所选钢管内外壁均有轻微锈蚀，其性能指标见表1。

表1 内层钢管性能指标

本文所选外层FRP管为玻纤布和粘结材料通过现场湿粘法制备，FRP玻璃纤维布的性能指标见表2。粘结材料为新型环氧树脂胶，将其和固化剂等比例混合。外层FRP管制备过程中的所有玻璃纤维布沿柱体环向布置，现场湿粘法制备的外层FRP管搭接长度为160mm。为了能够清楚展现组合柱在轴压试验中的破坏形式，同时避免柱体端头在其过程中产生破坏，采用同样手法在组合柱上下两个端头覆盖一层40cm宽度的FRP布。

表2 FRP玻璃纤维布性能指标

对比试验中共制备了7组FRP约束钢管组合柱试件，组合柱试件的高度为300mm，外径为150mm。试件制备模具有两个部分，分别为内层钢管和外层PVC管，外层PVC管沿纵向切割为两部分并可箍紧，以达到重复使用的目的，其外径为158mm。

本试验共设计有8组试件，包括7组FRP约束钢管组合柱试件和1组无内层钢管的实心FRP约束混凝土柱用以作对比。各组试件的设计参数如表3所示，其中，nG代表再生骨料替代率为n%、Y代指该组合柱有内层钢管、N代指无内层钢管、nF代表外层FRP覆盖层数为n层。

表3 FRP玻璃纤维布性能指标

中层填充的混凝土按照C35普通混凝土配合比为制备，水∶水泥∶砂∶石=216∶401∶617∶1175。不同组试件的再生粗骨料替代方案为等体积替换普通混凝土原材料中的粗骨料，替换比例范围为25%～100%，二者的粒径范围均为5～20mm，其力学指标如表4所示。

1.2 试验步骤设计

选取每组试件内层钢管的中部，在其外表面对向分别粘贴2组纵横双向应变片组，每组双向应变片组的距离为10mm；同理，选取外层FRP管的中部外表面，等距粘贴3组纵横双向应变片组，每组双向应变片组的距离为20mm，需要注意的是，外层FRP管粘贴的其中一组应变片要设置于FRP玻璃纤维布的搭接部分。为保证应变片组的牢固，需要利用砂纸对内层钢管和外层FRP管的外表面进行仔细打磨。通过读取各组应变片组的数据，可以得到内层钢管和外层FRP管外表面的纵向和横向应变变化情况。

同时在各组试件的外表面中部对向沿纵向安装了一对线性差动位移计，用以检测每组组合柱的轴向变形情况。

2 试验现象

开始加载时，FRP管起初并不提供约束力，组合柱试件承载力会逐渐上升，当到达未受FRP管约束的中层混凝土屈服强度后，此时的FRP管开始提供约束力。随着加载过程的继续，当接近混凝土极限荷载时，组合柱试件中部的FRP管玻璃纤维颜色逐渐转为白色，伴随着玻璃纤维的断裂发出“滋滋”的声音。随着玻璃纤维断裂量的不断累积，组合柱试件中部开始产生鼓起。直到到达组合柱试件的极限荷载后，玻璃纤维骤然集中成片断裂剥落，伴随着爆响声，组合柱试件承载力开始下降，中层混凝土破碎，直到加载试验结束。

3 试验数据分析

将加载试验的数据结果汇总于表5中，其中P0为组合柱试件的极限承载力；将与中层混凝土同样材料的立方体试件极限强度与对应的中层混凝土环形面积相乘，得到P1，将其作为中层混凝土的承载力；取与组合柱内层钢管同样材质与尺寸的钢管进行承载力测试，得到钢管的极限承载力P2，数值为312.5kN。假设组合柱外层FRP管不提供约束力，并且与中层混凝土以及内层钢管间均无相互作用，那么组合柱试件的极限承载力P0理论上应为中层混凝土承载力P1与钢管极限承载力P2的和，即P0=P1+P2。

表5 组合柱加载试验数据结果

每组组合柱试件极限承载力处对应的应变为极限应变P1，P0为FRP约束钢管普通混凝土组合柱试件(即试件编号为0GY2F试件组)的峰值应变，数值为0.0157，二者的比值P1/P0则可表征各组FRP约束钢管再生混凝土组合柱试件的延性。

3.1 再生骨料替代率的影响分析

为研究再生骨料替代率对FRP约束钢管组合柱轴压性能的影响，可对试件编号为0GY2F、25GY2、50GY2F、75GY2F以及100GY2F的试件组加以分析，上述试件均设有同等规格的内层钢管及相同层数的外层FRP管。分析各组试件的组合柱试件极限承载力P0与中层混凝土承载力P1及钢管极限承载力P2之和的比值变化情况，如图2所示。随着再生骨料替代率的逐步提升，中层再生混凝土的强度随之下降，但P0/(P1+P2)的值却随之呈现出整体增长的趋势(再生料掺量为75%时略有降低，可忽略不计)，这一变化规律表明了组合柱中的内中外层间相互作用关系和外层FRP管的约束作用正逐步增强，并且其增强的数值大于再生混凝土强度下降的数值。当混凝土骨料完全被再生骨料替代后，组合柱的总体承载力P0已经达到中层混凝土承载力P1与钢管极限承载力P2的1.35倍。

从组合柱峰值应变变化趋势角度分析FRP约束钢管再生混凝土组合柱试件的延性，如图3所示。整体上来说，掺加了再生骨料的组合柱试件延性要优于未掺加再生骨料的0GY2F。在再生骨料替代率为25%时，25GY2F的P1/P0比值，相较于组别50GY2F和75GY2F更高，也就是从承载能力和变形特性两方面综合来看，25GY2F均为最佳选择。单分析组合柱的延性特性，更高再生料替代率的50GY2F和75GY2F并未见有明显提升，反而略有降低。总结起来，利用再生骨料等体积替换天然骨料的方案，对FRP约束钢管再生混凝土组合柱综合性能来说，并非最佳选择。

图2 再生料掺量对承载力的影响规律 图3 再生料掺量对延性的影响规律

3.2 外层FRP管层数的影响分析

为分析外层FRP管层数对FRP约束钢管组合柱轴压性能的影响，可对试件编号为50GY1F、50GY2F以及50GY3F的试件组加以分析，上述试件均设有同等规格的内层钢管及相同再生料替代率的中层再生混凝土，如图4所示。分析各组试件的组合柱试件极限承载力P0与中层混凝土承载力P1及钢管极限承载力P2之和的比值变化情况，如图4所示。可以明显发现，随着组合柱外层FRP管层数从1层增长到3层，P0/(P1+P2)的值呈现出线性增长的趋势，最高可达到内层钢管和中层混凝土承载力之和的1.58倍，这说明了外层FRP管对组合柱有着明显的约束作用，可以明显地提升其整体承载能力。

图4 FRP管层数对承载力的影响规律 图5 FRP管层数对延性的影响规律

同样地，从组合柱峰值应变变化趋势角度分析FRP约束钢管再生混凝土组合柱试件的延性，如图5所示。可以明显发现，随着组合柱外层FRP管层数从1层增长到3层，组合柱的P1/P0比值呈现明显的上升趋势，其中当外层FRP管层数为1层时，其约束作用并不明显，P1/P0比值仅为0.60。但当外层FRP管层数提升到3层时，P1/P0比值达到了1.31，此时的再生骨料替代率为50%，但组合柱的延性特性发挥已接近再生骨料替代率为100%的100GY2F。

3.3 内层钢管的影响分析

为分析内层钢管存在与否对组合柱承载能力和延性特性的影响，可对试件编号为50GY2F和50GN2F的试件组加以分析，上述试件均设有同等规格的外层FRP管及相同再生料替代率的中层再生混凝土。试件编号为50GY2F的P0/(P1+P2)值是1.33，而试件编号为50GN2F的P0/(P1+P2)值是1.11，这说明内层钢管的存在，可以显著提升FRP约束钢管组合柱的极限承载能力。与之不同的是，二者的P1/P0比值基本处于同一水平，这说明了内层钢管存在与否，对组合柱的延性特性无明显影响。

4 结论

本文通过替换一定比例天然骨料、改变外层FRP管层数等方式，制备了8组FRP约束钢管组合柱试件，进行单调轴压试验测试，主要结论如下：

(1)随再生骨料替代率提升，组合柱中的内中外层间相互作用关系和外层FRP管的约束作用逐步增强。

(2)从承载能力和变形特性两方面综合来看，25%的再生料替代率为最佳选择。

(3)利用再生骨料等体积替换天然骨料的方案，对FRP约束钢管再生混凝土组合柱综合性能来说，并非最佳选择。

(4)外层FRP管对组合柱有着明显的约束作用，可以明显地提升其整体承载能力。

(5)内层钢管的存在，可以显著提升FRP约束钢管组合柱的极限承载能力，对组合柱的延性特性无明显影响。