GFRP管混凝土柱的GFRP管拼接方法

张 霓，王连广，韩华锋（东北大学资源与土木工程学院，110819沈阳）

GFRP管混凝土柱的GFRP管拼接方法

张 霓，王连广，韩华锋
（东北大学资源与土木工程学院，110819沈阳）

为解决实际工程中GFRP管长度不足的问题，需要将两个或两个以上GFRP管拼接起来，并保证拼接处的力学性能，设计了基于钢筋、钢板锚筋及钢管连接件的拼接GFRP管钢筋混凝土试件，并通过试验，研究了拼接GFRP管钢筋混凝土轴心受压性能.试验结果表明：当加载到35%Pu（极限荷载）左右时，在GFRP管的表面出现白纹；当加载到65%Pu左右时，GFRP管开始产生套箍约束作用，继续加载，套箍约束作用继续存在.拼接试件的破坏以GFRP管的断裂为标志，破坏发生在距构件端部250 mm处，而对比试件的破坏发生在沿试件长度方向的中间位置；试验所设计的3种连接方式均能够保证拼接GFRP管钢筋混凝土轴心受压试件正常工作.

GFRP管；混凝土；连接件；拼接；轴心受压

拼接GFRP管钢筋混凝土构件是在整体构件内部布置带有箍筋的纵向钢筋，并在两个GFRP管拼接处设置连接件，再在GFRP管内浇注混凝土而形成的一种拼接GFRP管钢筋混凝土构件.GFRP管可以有效约束核心混凝土，提高混凝土的强度和延性；GFRP管还可作为混凝土施工时的模板，加快施工进度；GFRP管具有耐腐蚀性能，能抵抗恶劣环境的影响，可用于高腐蚀的环境中，还可以改善混凝土的耐久性及防止钢筋锈蚀.近年来，GFRP管钢筋混凝土构件常用于建筑结构基础和桥梁工程中［1－5］，由于GFRP管的长度不足，常常需要将两个或两个以上的GFRP管拼接起来，再在其内部浇注混凝土，形成一个连续GFRP管混凝土构件，拼接处成为整体连续构件的关键部位，拼接处的受力性能要好于连续整体构件的受力性能.

目前，国内外关于GFRP管钢筋混凝土组合构件的性能研究相对较多，而对拼接GFRP管钢筋混凝土组合构件的力学性能研究相对较少.文献［6］采用0.6 m长的短钢管，钢管外径与FRP管内径相同，将3个4.6 m长单元拼接成13.7 m长FRP管混凝土桩，试验结果表明这种拼接方式可以保证FRP管混凝土桩正常工作；文献［7］将4 m和5.8 m长的两部分拼接成9.1 m长的FRP管混凝土桩，其中0.6 m长的凹凸拼接重叠部分，拼接部分的FRP管厚度为管壁厚度的1／2，重叠区域在现场安装前用环氧树脂润湿，采用这种拼接方式要在打桩之前完成，不能在打桩过程中拼接；文献［8］将4个外径357 mm，长13.7 m的FRP管混凝土桩（包括1个拼接桩）打入地下后拔出，并测试其性能，拼接桩是由10.7 m和3 m长的两部分拼接而成，拼接接头是2个50 mm厚的圆板，将8根直径19 mm、长2.7 m的钢筋端部拧入圆板上螺纹孔中，每个板安装在一个GFRP管端部，并填充混凝土.每个板四周有4个T型槽，将2个板的T型凹槽对准以形成I型槽，将一个I型钥匙插入连接接头固定.试验结果表明，该机械接头表现良好，承载力比FRP桩高7%；文献［9］进行了4根拼接梁的试验研究，拼接梁采用2个312 mm外径，1.1 m长的部分拼接而成，其中3根为内部拼接，分别用钢筋、FRP筋及无黏结预应力筋；第4根为外部拼接，采用在管道行业中常用的FRP插座.研究结果表明，如果对灌浆质量进行控制，内部连接件可以提高拼接梁的刚度和强度，外部连接件取决于其连接刚度.在国内，文献［10］对钢筋拼接GFRP管混凝土组合构件的轴压性能进行试验研究，分别采用4、6、8根钢筋连接，试验结果表明纵筋对连接处变形基本没有影响，拼接试验连接处未破坏，采用4根钢筋连接即可保证拼接GFRP管混凝土轴心受压构件正常工作；文献［11］对基于钢板钢筋连接的拼接GFRP管混凝土组合构件的抗弯性能进行了试验研究，建议连接处最小含钢率取1.96%.拼接GFRP管钢筋混凝土构件的拼接处受力相对连续整体更为复杂，为此，在实际工程应用中，需要保证拼接处的受力性能要比连续整体部分好，才能保证拼接GFRP管钢筋混凝土构件在使用中达到理想状态.基于此，本文根据GFRP管钢筋混凝土构件的结构及受力特点，设计了基于钢筋、钢板锚筋及钢管作为拼接处连接件，以此制作了拼接GFRP管钢筋混凝土试件，通过试验，研究其在轴心受压下的工作机理和破坏模式，并对其力学性能进行了分析.

1 试 验

本次试验共设计了5根GFRP管钢筋混凝土试件，其中，1根基于钢筋连接的拼接GFRP管钢筋混凝土试件（GRCS－1），1根基于钢板钢筋连接的拼接GFRP管钢筋混凝土试件（GRCSP－2），2根基于钢管连接的拼接GFRP管钢筋混凝土试件（GRCST－3和GRCST－4），1根连续整体的GFRP管钢筋混凝土对比试件（GRC－5）.试验所用的GFRP管的内直径为200 mm，管壁厚度为5.5 mm，GFRP管的实测性能参数见表1.

表1 GFRP管材料性能参数表

试件的总高度为700 mm（2根350 mm长的管拼接而成）.试验所用的混凝土150 mm立方体试块的抗压强度为40.8 MPa.钢筋连接件的纵筋4Φ14，箍筋ϕ8＠50；钢板锚筋连接件是在直径210 mm的钢板两面上焊接长度为300 mm的钢筋，钢板上留有4个孔洞（受力钢筋由此孔穿入）；钢管连接件的钢管的外径为113 mm，管壁厚度为3.5 mm.所有试件均设有4根通长Φ14纵筋，箍筋为ϕ8＠150，钢筋及钢管的实测力学性能见表2.

表2 钢筋性能参数表

试验前，按设计要求制作GFRP管、连接件及钢筋笼，并在设计的位置上粘贴应变片.GFRP管及连接件形式，如图1所示，各试件的主要设计参数，见表3.

试件制作过程：1）基于钢筋连接的试件制作：首先按设计要求制作受力钢筋，长度为700 mm，纵筋为4Φ14，在受力钢筋中部300 mm范围内采用ϕ8箍筋加密，间距为50 mm，并在两端部各加2道，间距50 mm.将制作好的钢筋笼放置在拼接的两个GFRP管内，再在GFRP管内灌注混凝土.在实际工程中，按设计要求确定用于拼接的GFRP管的长度，制作受力钢筋，并绑扎钢筋笼，在连接处将用于连接的钢筋固定在受力钢筋笼上，安装并固定下部GFRP管，将带有钢筋连接件的钢筋笼放入下部GFRP管中，并固定其位置，然后安装上部GFRP管，保证GFRP管上下位置对准，封闭连接处避免漏浆，再在上部GFFP管内灌入混凝土.2）基于钢板锚筋连接的试件制作：制作受力钢筋，长度为700 mm，纵筋为4Φ14，先将其中1／2绑扎上箍筋，箍筋为ϕ8，间距150，50 mm两种.制作钢板锚筋连接件，按设计要求，在直径为210 mm的钢板两面（反正面）上焊接长度为300 mm的钢筋，钢板上留有4个孔洞（受力钢筋从此孔穿入）.将带有1／2箍筋的钢筋笼（绑扎好箍筋的放在下面）放入其中一个GFRP管内，在GFRP管内灌满混凝土，将钢板锚筋连接件放在灌满混凝土的GFRP管上（纵向受力钢筋穿过钢板孔），绑扎另1／2受力钢筋的箍筋，再将另一个GFRP管放在钢板上，并灌满混凝土.在实际工程中，按设计要求确定用于拼接的GFRP管的长度，制作受力钢筋（按下部GFRP长度，在受力钢筋下部绑扎箍筋），制作钢板锚筋连接件，在钢板上预留穿入受力钢筋的孔洞（受力钢筋从此孔穿入钢板），安装并固定下部GFRP管，并将绑扎的钢筋笼放入下部GFRP管中，安装上部GFRP管，从上部GFRP管往下灌注混凝土，当灌至连接处时，将上部GFRP管取下，将钢板锚筋连接件放在灌入混凝土的下部GFRP管上（纵向受力钢筋穿过钢板孔），绑扎上部受力钢筋，安装上部GFRP管，封闭连接处避免漏浆，在上部GFRP管内灌入混凝土.3）基于钢管连接的试件制作：首先制作钢筋笼（纵筋为4Φ14，箍筋ϕ8＠150，并在两端部各加2道，间距50 mm）和钢管连接件（长度为100，200 mm两种），将两个GFRP管拼接在一起，将制作好的钢筋笼放入GFRP管中，在GFRP管内灌入混凝土，在接近灌满下面的GFRP管时，将准备好的钢管连接件放入GFRP管内部，保证钢管1／2在下部GFRP管混凝土内，继续灌入混凝土至上部GFRP管灌满.在实际工程中，按设计要求确定用于拼接的GFRP管的长度，制作受力钢筋，并绑扎钢筋笼，在连接处将用于连接的钢管焊接在受力钢筋笼上，安装下部GFRP管，将带有钢管连接件的钢筋笼放入下部GFRP管中，并固定其位置，然后安装上部GFRP管，保证GFRP管上下位置对准，封闭连接处避免漏浆，再在上部GFFP管内灌入混凝土.

图1 GFRP管及连接件形式

表3 主要设计参数

钢筋及钢板锚筋连接件按GFRP管混凝土偏心受压构件，配置纵向受力钢筋用量，按钢筋与混凝土锚固长度确定钢筋长度，按构造和箍筋约束混凝土的作用机理确定箍筋间距.钢管连接件按钢管混凝土偏心受压来确定，按套箍作用确定钢管的直径，按端部效应确定钢管的长度.

试验前，在GFRP管的中部及上下1／4截面位置处分别粘贴应变片，以测量GFRP管的环向和纵向应变.为了防止试件端部破坏，在端部设置了钢管夹具，以防端部应力集中使端部发生局部破坏，如图2所示.试验所采用的受压方式为核心混凝土和GFRP管共同承压，试验在5 000 kN试验机上进行，加载采用单调分级加载方式.

图2 试件与测试

2 结果和分析

2.1 破坏模式

在荷载作用初期，GFRP管与内部钢筋、钢管及混凝土变形都很小，试件处于弹性受力工作阶段.当加载到35%Pu（极限荷载）左右时，GFRP管的表面开始出现白色条纹；继续加载到45%Pu时，条纹变得比较明显；荷载继续增加，GFRP管表面的纤维颜色逐渐变得不规则，并随荷载的增加，白色条纹的范围也在不断地向外扩展；当加载到80%Pu左右时，可以偶尔听到GFRP管纤维断裂和树脂开裂的声音.在荷载达到极限荷载Pu（GRCS－1：2 700 kN；GRCSP－2：2 900 kN；GRCST－3：2 870 kN；GRCST－4：2 810 kN；GRC－5：2 800 kN）时，伴随着较大的响声，在距离端部250 mm处（GRCS－1：距离下端250 mm；GRCPS－2：距离下端200 mm；GRCST－3：距离上端250 mm；GRCST－4：距离上端250 mm；GRC－5：沿试件长度方向的中部），GFRP管的纤维开始发生断裂，并沿着纤维方向从断裂的位置向两侧迅速剥离、扩展.试件GRCS－1、GRCSP－2和GRCST－3的中部拼接处没有发生破坏，试件GRCST－4的拼接处几乎同时发生破坏，而对比试件的破坏发生在沿试件长度方向的中间位置.说明，利用钢筋、钢板锚筋及钢管连接均能够保证拼接GFRP管钢筋混凝土轴心受压试件正常工作，而200 mm长钢管的连接性能比100 mm长钢管的连接性能好，原因是200 m长的管对混凝土的约束范围大，使内部混凝土受力更加均匀.试件破坏模式，如图3所示.

图3 试件的破坏模式

图4 荷载与变形关系曲线

2.2 荷载与变形

由试验得到试件的荷载与变形关系曲线，如图4所示.由图4可以看出，在荷载达到极限荷载以前，各试件的荷载与变形关系曲线基本相似，均呈非线性关系；当加载到65%Pu左右时，荷载与变形关系曲线出现明显的转折点，变形增长速度明显大于荷载增长速度，此时试件变形分别为6.1、6.6、5.0、4.6、3.4 mm.继续加载到极限荷载时，试件最大变形依次为15.0、20.8、17.8、15.4、12.9 mm.各试件的荷载与变形关系曲线类似，承载力相近.说明钢筋、钢板锚筋及钢管连接方式对拼接试件承载力基本没有影响，3种连接方式均能保证拼接试件正常工作.

2.3 荷载与应变

由试验得到试件的GFRP管、钢管内部钢筋及箍筋的荷载与应变关系曲线，如图5所示.

图5 试件的荷载与应变关系曲线

由图5（a）可知，在加载初期，各个试件中GFRP管的荷载与应变关系曲线表现出明显的线性，说明试件处于弹性工作阶段，此阶段混凝土产生的横向变形较小，GFRP管的弹性模量较低，对核心混凝土几乎没有约束作用；当加载到65%Pu左右时，GFRP管应变的增长速度大于荷载的增长速度，此阶段混凝土横向变形增加导致混凝土与GFRP管之间产生径向压力，GFRP管对核心混凝土产生约束作用；继续加载，GFRP管的荷载与应变曲线大致呈线性变化，说明GFRP管对内部混凝土继续产生约束作用，拼接处的连接件种类对GFRP管钢筋混凝土拼接试件环向、纵向的影响很小.由图5（b）可知，在加载初期，钢管的荷载与环向应变关系曲线表现出明显的线性，当加载到55%左右时，钢管的环向变形开始呈非线性增长.当达到极限状态时，试件GRCST－3中钢管的环向未屈服，而GRCST－4的环向已经屈服；在加载初期，钢管的荷载与纵向应变关系曲线呈线性，当加载到65%Pu左右时，钢管的纵向应变曲线开始出现明显的转折点，应变随荷载的增加而迅速增加，在达到极限荷载时，钢管的纵向均已屈服.由图5（c）、（d）可知，在加载初期，纵向受力钢筋中部的荷载与应变关系曲线呈线性关系，继续加载，应变增长速度明显大于荷载增长速度，说明此时试件已经进入弹塑性阶段，当达到极限荷载时，试件GRCS－1、GRCSP－2中纵筋已经屈服.试件GRCS－1、GRCSP－2、GRCST－3和试件GRCST－4中箍筋的荷载与应变关系曲线与对比件GRC－5中箍筋的荷载与应变关系曲线基本相似.在达到极限状态时，各试件的箍筋均已屈服.

由此可以看出，钢筋、钢板锚筋及钢管3种连接方式均能保证拼接GFRP管钢筋混凝土轴压试件正常工作，钢筋连接与钢板锚筋连接受力机理类似，但钢板锚筋连接件的制作比较复杂，钢管连接对拼接处混凝土的约束作用优于钢筋及钢板锚筋连接，所以在实际工程中推荐采用钢管连接的方式.

3 承载力计算

在轴向荷载作用下，拼接GFRP管钢筋混凝土构件的破坏位置可能发生在拼接处或是非连接处，因此对于不同破坏位置给出相应的计算公式.

1）GFRP管钢筋混凝土构件（对比件）.

拼接GFRP管混凝土构件在轴压下的承载力计算为

式中：fc，f为受GFRP管约束混凝土的轴心抗压强度；Ac为受GFRP管约束混凝土截面面积；fc，s为受箍筋约束混凝土的轴心抗压强度；Acs为受箍筋约束混凝土截面面积；σf2为GFRP管轴向强度；Af为GFRP管的截面面积；fs为纵向钢筋的屈服强度；As为纵筋总截面面积.

2）基于钢筋连接的拼接GFRP管钢筋混凝土构件.

此种情况连接处和非连接处公式相同（同GFRP管钢筋混凝土对比件，即式（1）），但纵筋数量不同.

3）基于钢板锚筋连接的拼接GFRP管钢筋混凝土构件.

此种情况连接处和非连接处公式相同（同GFRP管钢筋混凝土对比件，即式（1）），但纵筋数量不同.

4）基于钢管连接的拼接GFRP管钢筋混凝土构件.

①连接处.此种情况考虑钢管、GFRP管、纵筋和箍筋的共同作用，承载力计算为

式中：fc，t为钢管约束混凝土的轴心抗压强度；Act为受钢管约束的混凝土截面面积.

②非连接处（同GFRP管钢筋混凝土对比件，即式（1））.

为了验证建立的拼接GFRP管钢筋混凝土组合构件轴压承载力公式的正确性，将计算结果与试验结果进行比较，见表4.计算结果与试验结果比值的平均值为0.974，比值的标准差为0.036，说明计算结果与试验结果吻合良好.

表4 试验结果与计算结果

4 结 论

1）当加载到35%Pu左右时，在GFRP管的表面出现白纹；当加载到65%Pu左右时，GFRP管开始产生套箍约束作用，继续加载，套箍约束作用继续存在.

2）拼接试件的破坏以GFRP管的断裂为标志，破坏发生在距构件端部250 mm处，而对比试件的破坏发生在沿试件长度方向的中间位置.

3）试验设计的钢筋、钢板锚筋和钢管连接方式均能够保证拼接GFRP管钢筋混凝土轴压试件正常工作，3种连接方式对GFRP管钢筋混凝土拼接试件承载力影响不明显，而200 mm长的钢管的连接性能比100 mm长钢管的连接性能好，在实际工程中推荐采用钢管连接的方式.

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（编辑 张 红）

GFRP tube splicing method of GFRP concrete column

ZHANG Ni，WANG Lianguang，HAN Huafeng
（College of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，110819 Shenyang，China）

In order to solve the problem of GFRP tube in practical engineering，two or more than two GFRP tubes were spliced together and the mechanical properties of the joint were guaranteed.The experimental research on the mechanical property of continuous reinforced concrete⁃filled GFRP tubular specimen and splicing composite columns connected with steel bars，steel plates and steel tubes subjected to axial loading was conducted，and the results showed thatthe white stripes appeared on the surface of GFRP tube when the load respectively reached about 35%Pu（Pu⁃limit load），and the confinement effect of GFRP tube began to produce when the load reached 65%Pu. With continued loading，the confinement effect still existed，and the failure of splicing specimens with GFRP tube was a symbol，and the splicing specimens occurred near the end of connectors around 250 mm.Relatively，the failure of the continuous specimen occurred in the middle position along the length direction of the specimen.The chosen connecting ways with three methods could ensure the normal work of splicing reinforced concrete⁃filled GFRP tubular composite columns under axial compression.

GFRP tube；concrete；connection；splicing；axial compression

TU398

A

0367－6234（2015）10－0064－06

10.11918／j.issn.0367⁃6234.2015.10.013

2014－07－10.

中央高校基本科研业务费专项资金（120401010）.

张 霓（1985—），女，博士研究生；王连广（1964—），男，教授，博士生导师.

张 霓，13066758899＠163.com.