SRPE套管约束混凝土短柱轴压性能试验

高剑平，郝 提，霍静思，刘 洪

(1. 华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013； 2. 华东交通大学 土木工程国家级实验教学示范中心，江西 南昌 330013； 3. 华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021； 4. 安源管道实业股份有限公司，江西 萍乡 337000)

0 引 言

中国西部盐渍土地区蕴含大量的矿产资源，生产经营极度依赖公路、铁路等运输方式，因此需要修建大量的铁路桥和公路桥。桥梁墩柱作为桥梁主要的承重和抗侧力构件，下部直接与盐渍土接触，其耐久性直接关系到桥梁结构的安全和使用寿命。在西部地区的桥梁建设中，虽然采用了防腐涂装工艺、包裹耐腐蚀材料等技术手段进行防腐，但对于盐渍化程度较高地区的桥梁，腐蚀问题仍未得到完全解决，每年都需进行大规模的修复和维护，造成巨大的经济损失[1-2]。基于以上背景，本文提出了一种新型组合结构“钢骨架聚乙烯塑料复合材料(SRPE)管约束混凝土柱”，SRPE套管除了能够彻底隔离墩柱与各种腐蚀性离子的接触，还能约束混凝土以利于抗震。

自Xiao等[3]首次提出了“套管柱”(Tubed Column)的概念以来，国内外学者对钢套管柱的力学性能进行了系统的研究。出于防腐的考虑，近年来研究者[4-7]对塑料套管柱展开了研究。Kurt[6]最早研究了聚氯乙烯(PVC)管混凝土柱力学性能；Saafi[7]提出在PVC管上刻槽并缠绕FRP，但刻槽施工难度大，且容易在刻槽位置引起应力集中。于峰等[8-10]对CFRP条带按一定间距缠绕在PVC管上，制成CFRP增强PVC管钢筋混凝土柱，并进行了轴压试验[8]、偏压试验[9]、拟静力试验[10]；姜绍飞等[11-12]对FRP-PVC管细长柱进行了拟静力试验和轴压试验研究；Fakharifar等[13]在CFRP和PVC管外壁之间设置泡沫塑料带，以延缓环向CFRP断裂，从而提高柱的延性和极限变形能力；王俊颜等[14]对高密度聚乙烯(HDPE)管约束不同强度混凝土进行了轴压试验，结果表明，HDPE管可以非常显著地提高不同强度混凝土的变形能力。

本文采用的SRPE套管是由钢丝网增强骨架与HDPE基体共挤成型的复合管(图1)[15]，它很好地克服了涂塑钢管界面易分离、HDPE管耐腐不耐压、应力松弛等缺点，同时耐各类酸碱盐的腐蚀，耐紫外线，耐高温和严寒，而且使用寿命长[16]，相比于钢管的不耐腐蚀，FRP的基体树脂不耐光和高温(60 ℃开始软化)[17]，PVC的耐温性差及低温变 脆[18]，SRPE套管更能适合西部强盐渍土地区。本文针对SRPE套管约束混凝土短柱的轴心受压力学性能进行了研究，为该类组合结构的进一步研究和工程实践提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

以SRPE套管公称压力等级、混凝土强度以及混凝土是否掺入膨胀剂作为控制参数，设计并制作了3组12根SRPE套管混凝土短柱试件，同时设计了C30，C60和C60U素混凝土柱各1根作为对比试件，具体设计参数详见表1。SRPE套管由江西省萍乡市安源管道实业股份有限公司生产提供。

表1 试件设计参数及力学性能Tab.1 Design Parameters and Mechanical Properties of Specimens

1.2 材料力学性能

本文试验所用复合管的结构为：内径200 mm，外径225 mm，壁厚12.5 mm。1.0，2.0 MPa压力等级的SRPE套管中的经线、纬线低碳钢丝直径分别为2.02，2.52 mm，2.5 MPa压力等级的SRPE套管中的经线、纬线低碳钢丝直径分别为2.02，3.01 mm。图2为钢丝与高密度聚乙烯材料的拉伸试验，表2和表3分别为SRPE套管低碳钢丝和HDPE的材料特性。

表2 钢丝材料特性Tab.2 Material Property of Steel Wire

表3 HDPE材料特性Tab.3 Material Property of HDPE

1.3 加载方案与测量方案

试验加载设备为华东交通大学结构试验中心的NYL-500 t压力试验机，所有试件均为轴心受压，加载方式为单调加载，加载制度采用荷载控制的静力加载方式。试件两侧对称布置2个机电位移计，试件中部的横向和纵向间隔90°各对称布置4个电阻应变片。正式加载前对试件进行预加载，预加载值为200 kN，检查试件、仪器是否正常运行。当加载至预估极限荷载的30%左右时，读取试件4个轴向应变，微调试件，直至各点应变均匀。正式加载参照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)的规定，直至荷载下降到峰值荷载的60%时停止试验。加载装置和测量装置如图3所示。

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

分别以试件S-1.6-30，S-1.6-60和S-1.6-60U为例，说明2种混凝土强度等级试件的典型破坏形态，见图4。试件均呈斜剪破坏，图4中白线示出了破坏面，加载完成后，剥离SRPE套管,核心混凝土的破坏形态均为斜剪破坏，图4中黑线示出了破坏面。试件破坏后，SRPE套管未出现开裂或撕裂的现象，表明SRPE套管具有极好的变形能力。对于C30混凝土试件，试件呈中部斜剪破坏，剪斜变形角约为40°，破坏面周围分布很多不规则的细小裂缝，见图4(a)，其余C30试件破坏现象类似；对于C60或C60U混凝土试件，试件均呈中下部斜剪破坏，剪斜变形角约为45°，破坏面较小且周围裂缝较少，见图4(b)，C60或C60U试件破坏现象类似。通过观察所有SRPE套管约束混凝土短柱试件的破坏形态可以看出：在混凝土强度等级相同的条件下，随着套管压力等级的提高，剪斜变形角逐渐减小。

2.2 荷载-轴向位移曲线

图5为试件的荷载-轴向位移(N-Δ)曲线。由图5(a)可以看出，在不同SRPE套管压力等级条件下，各试件的N-Δ曲线形状大体相似，主要分为线弹性阶段、弹塑性阶段、下降阶段和破坏阶段。在加载前期，由于荷载较小，试件的轴向位移与荷载呈线性递增关系，试件处于线弹性阶段，各曲线非常接近，SRPE套管尚未开始对核心混凝土起到约束作用。随着荷载的逐渐增加，各位移曲线的切线模量开始降低，核心混凝土内部裂缝发展，试件即进入弹塑性阶段。当荷载超过试件极限荷载后，N-Δ曲线变得平缓，试件的荷载下降速度很慢，但位移速度加快，此时试件处于下降阶段。当位移发展到一定阶段后，承载力突然降低很快，此时试件进入破坏阶段。虽然各试件N-Δ曲线形状大体相似，但对于不同SRPE套管压力等级的试件，显然压力等级越高，峰值荷载和峰值位移也越大。在弹塑性阶段，曲线斜率更陡，代表约束刚度越大，下降段也越平缓。曲线组差别越大，说明压力等级影响越显著。

C60混凝土试件的N-Δ曲线如图5(b)所示， C60混凝土试件与C60U混凝土试件破坏过程的N-Δ曲线形状大体一致，破坏过程可分为线弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段3个阶段。在加载前期，N-Δ曲线基本呈线性上升，此时试件处于线弹性阶段；随着荷载的持续增加，N-Δ曲线走势稍有平缓，试件位移发展速度开始加快，各曲线的切线模量开始降低，此时试件进入弹塑性阶段；有别于C30混凝土试件，由于C60混凝土峰值荷载前期刚度更大，在达到峰值荷载前变形较小，故C60混凝土试件弹塑性阶段较短且无明显塑性阶段；在荷载超过极限荷载后，N-Δ曲线开始下降，试件的荷载下降速度较快，且试件轴向位移加大，此时试件处于破坏阶段。

通过图5(a),(b),(c)可以看出：相比于各混凝土强度等级下的素混凝土试件，SRPE套管均明显提高了各试件的极限承载力和延性，同时各试件的峰值位移也得到增大；相比于C60和C60U混凝土试件，C30混凝土试件的承载力提升幅度和峰值位移提升幅度更大，且具有更好的延性。当混凝土强度等级相同时，SRPE套管压力等级越大的试件[图5(a),(b)]，其N-Δ曲线的峰值荷载和峰值位移越大，且峰值荷载后承载力下降减慢，说明随SRPE套管压力等级的提高，试件的延性升高；对于混凝土强度等级不同的试件[图5(d)，(e)]，混凝土强度等级越大，其N-Δ曲线的峰值荷载越大，下降段更陡峭，说明混凝土强度等级越大，试件的脆性越大；而对于膨胀剂掺入与否的试件，曲线的上升段和下降段没有明显的差异[图5(f)，(g)]。

3 轴压性能及参数分析

SRPE套管的公称压力等级代表了管壁能够给予混凝土的环向约束力大小，因此本文采用具有明确物理意义的环向约束应力fr代替公称压力等级来表征SRPE套管公称压力等级对试件各项力学性能的影响规律。由于SRPE套管中的钢丝与HDPE完全属于结构复合，各自的力学性能不变，故SRPE套管对混凝土的约束作用是由环向钢丝与HDPE两者的强度叠加组成，纵向钢丝的作用可忽略不计，SRPE套管受力分析如图6所示，其中，DFM为SRPE套管中径，DPO为SPE套管外径[19]，本文中SRPE套管环向约束应力与SRPE套管最大约束应力表述的意义相同，故SRPE套管环向约束应力fr等同于SRPE最大约束应力fFcb。因此运用式(1)可以计算其最大约束应力fFcb，各试件的fFcb计算结果见表1。

fr=fFcb=fscb+fpcb

(1)

式中：fscb为环向钢丝计算最大约束应力；fpcb为HDPE管的计算最大约束应力。

环向钢丝的计算最大约束应力fscb按式(2)计算

(2)

换算得

(3)

式中：d1为环向钢丝直径；σsb为环向钢丝(直径不大于5 mm)拉伸极限应力；S为环向钢丝中心距，本文中SRPE套管压力等级1.0～2.5 MPa的环向钢丝中心距分别为12，9.5，8，5.5 mm；φ为纵向钢丝与环向钢丝的焊接减弱系数0.85；θ为环向钢丝螺旋角，计算时cos(θ)可忽略不计。

HDPE管的环向最大约束应力fpcb以最大剪应力时的当量应力公式按以下方法计算：在单位长度的(每米)SRPE套管内，将环向、纵向钢丝体积去掉后，以剩余的HDPE体积折合成与SRPE套管同长、同内径(也可同中径，两者差别极小)的纯HDPE管，简称折合HDPE管。SRPE套管中HDPE的环向最大约束应力fpcb按式(4)计算

(4)

式中：σps为HDPE材料的屈服极限应力；k为折合HDPE管的外径、内径比。

因此，SRPE套管的最大约束应力fFcb计算公式为

(5)

3.1 峰值荷载

3.1.1 SRPE套管环向约束应力对峰值荷载的影响规律

峰值荷载提高系数K的定义见式(6)，各试件的K值计算结果详见表1。

(6)

式中：Ni为SRPE套管混凝土短柱峰值荷载试验值；N0为普通混凝土柱峰值荷载试验值。

图7给出了各组试件(C30组、C60组、C60U组)K值随SRPE套管环向约束应力的变化关系，R2为判定系数。可以看出，各组试件的K值均呈线性上升趋势。这是由于SRPE套管压力等级越大，其环向约束力就越大，约束混凝土内部微裂缝发展的效果越好。另外，随着SRPE套管环向约束应力的提高，3组试件(C30，C60和C60U)的峰值荷载提高系数均有所提高，但C30组提高幅度高于其他2组，C60和C60U相差不大。

3.1.2 膨胀剂对峰值荷载的影响规律

由表1可知，随着SRPE套管环向约束应力的提高，相比于各C60组试件，C60U试件的峰值荷载分别降低了6.09%，8.06%，4.56%和9.84%，降低幅度均在10%以内，说明掺入膨胀剂略微降低了试件的极限承载力，但影响有限。

3.2 峰值变形

3.2.1 SRPE套管环向约束应力对峰值变形的影响规律

图8为3组试件的峰值变形随SRPE套管环向约束应力的变化关系。随着套管环向约束应力的增大，3组试件的峰值变形逐渐提高，相比于同组SRPE套管压力等级为1.0 MPa的试件，C30，C60，C60U组试件的提高幅度分别为4%～18%，6%～25%和18%～44%。

3.2.2 混凝土强度等级对峰值变形的影响规律

图9为混凝土强度等级对峰值变形的影响柱状图。混凝土强度越高，试件的峰值变形越小。在相同环向约束应力作用下，C30试件的峰值变形大约为C60试件的2.5倍。

3.2.3 膨胀剂对峰值变形的影响规律

图10为膨胀剂对峰值变形的影响。在相同的环向约束应力作用下，相比于未掺入膨胀剂的试件，掺入膨胀剂试件的峰值变形提高幅度在4%～8%之间。

3.3 初始压缩刚度

3.3.1 SRPE套管环向约束应力对初始压缩刚度的影响规律

利用实测的荷载-位移曲线对应的弹性阶段求出各试件的初始压缩刚度，结果见表1。

图11为试件的初始压缩刚度E0随SRPE套管环向约束应力的变化关系。随着SRPE套管环向约束应力的增大，3组试件的初始压缩刚度呈逐渐提高的趋势，相比于同组SRPE套管压力等级为1.0 MPa的试件，其余试件的初始压缩刚度提高幅度分别为17%～37%，14%～31%和1%～9%。混凝土强度等级越高，相同SRPE套管环向约束应力情况下，初始压缩刚度提高越小。

3.3.2 混凝土强度等级对初始压缩刚度的影响规律

图12给出了混凝土强度等级对初始压缩刚度的影响柱状图。当套管环向约束应力一定时，混凝土强度等级越大的试件，其初始压缩刚度越大。在相同环向约束应力作用下，对于C60试件，其初始压缩刚度大约为C30试件的1.5倍。

3.3.3 掺入/未掺入膨胀剂对初始压缩刚度的影响规律

图13为掺入/未掺入膨胀剂对初始压缩刚度的影响。随着膨胀剂(质量分数为10%)的掺入，试件的初始压缩刚度略大于未掺膨胀剂的试件。在相同环向约束应力作用下，相比于未掺入膨胀剂的试件，掺入膨胀剂试件的初始压缩刚度提高幅度在3%～25%之间。

3.4 延 性

引入轴压位移延性系数表征试件的延性性能，用能量等值法[20]确定初始屈服位移，并运用式(7)计算其延性系数μD，各试件的μD详见表1。

(7)

式中：Δu为截面或构件承载力没有明显降低情况下的极限位移，取峰值荷载下降15%时对应的位移值；Δy为截面或构件开始屈服时的屈服变形。

3.4.1 SRPE套管环向约束应力对延性的影响规律

图14为试件的延性系数随SRPE套管环向约束应力的变化关系。当核心混凝土强度等级相同时，试件的延性系数随SRPE套管环向约束应力的增大而提高，而且大于无约束混凝土短柱。由表1可知，与无约束混凝土短柱相比，3组混凝土试件μD分别提升了1.79倍～2.09倍、1.30倍～1.73倍和1.39倍～1.79倍，总体上，在外部SRPE套管的约束下，试件具有更好的延性。

3.4.2 混凝土强度等级对延性的影响规律

图15为试件的延性系数随混凝土强度等级的变化关系。可见，混凝土强度等级对试件延性的影响较显著，随着混凝土强度等级的提高，试件延性系数大幅降低，相对于素混凝土的提升幅度越来越小。由表1可知，相比于C30和C60素混凝土试件，S-2.5-30和S-2.5-60的μD分别为对应素混凝土试件的2.09倍和1.73倍。可见，混凝土强度等级越高，其脆性越大，环向应变越小，SRPE套管对混凝土的约束作用越弱。

3.4.3 膨胀剂对延性的影响

图16为膨胀剂掺入与否对位移延性系数的影响。随着膨胀剂(质量分数10%)的掺入，μD略有提高。由表1可知，在混凝土强度等级相同的情况下，随着fr的增大，掺入膨胀剂试件的μD分别为未掺入膨胀剂试件的1.13倍、1.10倍、1.02倍和1.09倍。可见，掺入膨胀剂有利于提高试件的非弹性变形能力。

3.5 SRPE套管轴压短柱承载力计算公式

由于SRPE套管约束混凝土柱的受力原理与钢管约束混凝土的相同，因此对于SRPE管约束混凝土的承载力计算公式可参照钢管约束混凝土的承载力计算公式[21]。SRPE套管混凝土柱的轴压承载力Nu计算公式为

Nu=fccAc

(8)

fcc(Mander)=fco(-1.254+

(9)

式中：fcc为核心混凝土的轴心抗压强度；Ac为核心混凝土截面面积；fcc(Mander)为Mander公式计算得出的核心混凝土轴心抗压强度[22-23]。

表1中给出了本文公式计算结果与试验结果的对比，对于计算结果而言，整体略微保守。图17为SRPE套管环向约束应力下试件轴心抗压强度计算值与试验值的比值。

4 结 语

(1)SRPE套管约束混凝土短柱的最终破坏形态基本相同，构件的破坏形态均为核心混凝土的斜剪破坏，且随着SRPE套管环向约束应力的增大，试件的剪斜变形角逐渐减小。

(2)试件混凝土强度等级越大，其N-Δ曲线的峰值荷载越大，下降段越陡峭，说明混凝土强度等级越大，试件的脆性越大。与C30试件相比，C60试件的荷载-位移曲线在弹性阶段的斜率更大，峰值点过后具有更明显的下降段。相比于C60试件，C30混凝土试件的承载力提升幅度和峰值位移提升幅度更大，且具有更好的延性。

(3)SRPE套管能够明显提高试件的承载力、峰值变形、初始压缩刚度及延性，且随着SRPE套管环向约束应力的增大，试件各项力学性能均表现出逐渐上升的趋势。

(4)提高混凝土强度等级，一方面使得试件的承载力和初始压缩刚度得到了提高，另一方面却降低了试件的峰值变形和延性，且后两者力学性能降低幅度要大于前两者的提升幅度。

(5)膨胀剂(质量分数为10%)的掺入降低了试件承载力，但降低幅度不大，可忽略不计，而其对试件的峰值变形、初始压缩刚度及延性却起到了一定的提高作用，但提高效果不明显。

(6)根据SRPE套管环向约束应力计算方法及约束混凝土短柱抗压强度计算公式，建立了SRPE套管混凝土短柱抗压承载力计算方法，计算值和试验值吻合较好，可为工程实践提供参考。