一种新型组合结构柱的研究

黎洪秀

武汉理工大学交通学院 湖北 武汉 430063

钢管混凝土柱作为一种经典形式的组合柱形式，诞生已有100多年的历史，由于其在力学性能上得到学术界和工程界的认可且兼顾一定的景观设计要求，已在土木工程领域广泛使用[1-3]。

随着科技的发展，在钢管混凝土的基础上，发展出了套管约束混凝土柱—即在梁柱节点处断开，这样在承受竖向荷载时，内部的混凝土承受轴压，外面的套管仅为核心混凝土提供约束力，可以有效防止套管在节点处提前发生屈曲；同时，外部套管无需与梁进行连接，且可作为施工永久性模板，极大提高了施工效率。

然而，钢套管约束混凝土柱存在着锈蚀问题，而FRP套管约束混凝土柱则有可能发生无预警性的脆性破坏，进而产生安全事故。本文提出将FRP和传统的建筑材料（混凝土和钢材）优化组合，形成FRP/钢复合套管约束混凝土柱，并简要阐明该结构特点、优越性及其适用领域，为研究和施工提供一定的理论指导和工程建议。

1. 钢管约束混凝土结构

在国外，钢管约束混凝土结构的优越力学性能早在1967年就由Gardner[4]发现。1985年，Tomii和Sakino等[5]首次提出了钢管约束钢筋混凝土柱（tubed column）的概念，以防止钢筋混凝土框架短柱或边柱发生剪切破坏。至今，已有大批学者对钢管约束混凝土结构的静力和抗震性能等方面进行了研究[6-7]。

在实际工程领域，钢管约束混凝土结构，如超高层结构、桥梁结构及桥梁、房屋结构柱的加固和修复等，已开始得到大量的应用[8]。

然而，若钢管约束混凝土柱承受荷载较大，必然要采用一定厚度的钢管为核心混凝土提供足够的约束力。外部钢管的增厚，在自重增长的同时也加大了施工难度（厚钢板不易弯折成钢圆筒）；同等荷载条件下，若采用高强钢管，造价又过高。另外，钢管约束混凝土柱外部的钢套管极易锈蚀，势必会导致结构物的承载能力大幅度下降，不仅会带来巨大的经济损失，还会引起恶劣的社会影响。

2. FRP约束混凝土结构

纤维增强复合材料（FRP）是指由纤维和基体材料组成的一种新型材料。FRP具有高比模量、高比强度、良好的耐久性、自重轻和适用性广等特点。在FRP约束混凝土结构中，FRP外部套管可为核心混凝土提供外部约束力，使核心混凝土处于三向受压状态，极大程度提高混凝土抗压性能的同时也使混凝土具有了一定的延性[9]。已有大批学者对FRP约束混凝土结构进行了轴压性能等方面的研究[10-11]。

目前，在土木工程领域中，FRP的应用主要集中在对已有结构的加固和在新建构件或结构对混凝土直接进行约束增强两个方面。

然而，由于应用FRP材料成本较高，受制于初期造价，全面采用FRP材料作为外部套管无法在土木工程领域大面积推广；其次，由于FRP材料无延性，导致其组合结构均为脆性破坏，这样使得结构在无明显预警现象的情况下承载能力突然下降，导致构件或结构破坏，对于结构的安全性有着极为不利的影响。

3. FRP/钢复合管约束混凝土柱

3.1 可行性初步分析

GFRP和钢材的泊松比都小于核心混凝土的泊松比，且两种材料都可提供较高的环向刚度和强度，可为核心混凝土提供有效约束，增强混凝土强度的同时使其具有延性，为组合约束柱提供一定的安全储备；GFRP材料为线弹性材料[12]，可在内部钢材屈服的情况下提供额外的刚度，显示为二次刚度，能有效减小组合柱的残余变形，使其抗震性能得到进一步提升；另外，外部包覆的GFRP，可避免空气与钢管接触，有效提高复合套管约束柱的耐久性。由此可见，GFRP/钢复合套管约束混凝土柱可充分发挥两者优势，扬长避短。

3.2 其他问题和解决措施

研究GFRP/钢复合管约束混凝土柱的关键问题有：GFRP、钢管和核心混凝土三种材料之间的相互作用情况和各材料本构关系；GFRP/钢复合套管的约束效应和钢、GFRP与混凝土的截面配置率等。

根据作者设想，GFRP采用线弹性关系；假设GFRP套管与钢套管之间不发生剥离，则可根据试验所得GFRP的极限应变（约在18000）与钢材极限应变之间的关系，将钢材本构设置为理想弹塑性模型的模型（在GFRP极限应变时钢材尚未进入强化阶段[13]）；根据复合套管约束柱核心混凝土的受力特性，其核心混凝土拟借鉴已有钢管约束混凝土结构的研究成果来确定。

参照现有钢管约束混凝土柱的研究成果[13]，可将钢管和混凝土之间的相互作用表示为钢管的约束效应系数：

因此，钢管和FRP对混凝土的总约束效应系数可表示为：

式(3)转化成以下形式：

4. 结语

作者在钢管约束混凝土柱和FRP约束混凝土柱的基础上创新性提出FRP/钢复合圆管约束混凝土柱，该复合管约束柱可充分发挥FRP高强度的特性，减小用钢量、降低施工难度，并解决钢管的腐蚀问题；此外，该复合管约束柱有着较好的延性。这些优点都有利于推动这种新型构件在工程上的应用，可见，此种构件具有良好的应用前景。