CFRP 约束圆中空夹层钢管混凝土短柱轴心受压性能试验研究

廖静,唐红元,岳兆阳,曾跃佳,周孝军

（西华大学 结构工程研究所，成都 610039）

钢管混凝土结构越来越广泛地应用于各种类型的工程结构中，如高层建筑和大跨度桥梁[1-2]。钢管混凝土柱是一种高强度、高刚度的组合构件，当构件受压时，外部钢管对内部混凝土起到约束作用，延缓混凝土受压开裂，由于内部混凝土的填充，外部钢管截面刚度提高[3]。中空夹层钢管混凝土柱采用内空心钢管，不仅显著减轻了结构重量，而且大大提高了钢管混凝土的弯曲刚度、延性和抗震性能[4]。目前，对圆中空夹层钢管混凝土（CFDST）短柱轴压性能的研究已经取得了很多成果。其中，对CFDST 短柱轴心受压性能的数值模拟研究[5-6]，提出了许多具有参考价值的极限强度计算公式。在关于CFDST 短柱的轴压试验中，构件的内外钢管形状可分为外方内圆、外圆内方、内外同心圆、内外椭圆和内外矩形等[7-8]，由于圆形空心截面比方形空心截面更难发生局部屈曲，因此，在CFDST 中使用圆管作为内外管较好[9-11]。也有学者将夹层混凝土更换为高强混凝土[4,12-13]，以提高CFDST 短柱的强度。

外贴CFRP 材料加固法具有优异的物理和力学性能，如强度和刚度高、抗疲劳和耐腐蚀性能好、现场可操作性强、施工周期短和不损伤原结构等[14]。王庆利等[15-16]对CFRP—钢管混凝土的轴压构件力学性能、压弯构件的滞回性能和方截面碳纤维增强聚合物-钢管混凝土的扭转性能等进行了试验研究和理论分析。唐红元等[17-19]对CFRP—不锈钢界面的粘结性能、CFRP 约束不锈钢管混凝土短柱的轴压性能进行了深入研究。但关于外贴CFRP 布加固CFDST 短柱的研究甚少，目前，只有Wang 等[20]做了关于FRP-CFDST 试件的轴压性能试验，讨论了空心截面比、玻璃钢壁厚和纤维纵周比对环形截面短柱荷载—应变曲线和混凝土应力—应变曲线的影响。

对于CFRP-CFDST 短柱的轴压研究目前还未见报道。笔者拟通过对CFRP-CFDST 短柱进行轴压试验，研究CFRP 层数和混凝土强度对CFRPCFDST 短柱极限承载力的影响，提出CFRPCFDST 短柱的轴压极限承载力计算公式。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

对2 根CFDST 试件和4 根CFRP-CFDST 试件进行轴压试验，研究的参数包括混凝土强度等级（C40、C60）和CFRP 层数（2、4）。为了保证试件符合短柱的定义，并避免试件出现整体屈曲[3]，试件的长度设置为直径的3 倍。内外钢管均采用强度等级为Q345 的圆无缝钢管，试件的具体测量数据见表1。

表1 试件测量数据Table 1 The measured data of specimens

在试件制作之前用砂纸打磨掉钢管上的锈迹，然后在内外钢管靠近端部处分别焊接4 个钢条来连接内外钢管。为了确保试件上下两端部水平，对试件两端进行线切割。浇筑混凝土时，在混凝土振动台上对混凝土进行振捣密实，同时对不同强度等级的混凝土分别制作3 个标准立方体试块。对于CFRP-CFDST 试件，在混凝土浇筑14 d 后，用酒精、砂纸对外钢管表面再次进行清理。然后将碳纤维浸渍胶按比例混合，充分涂抹在CFRP 上，并沿着外钢管环向粘贴CFRP。待CFRP 与胶层完全固化后，在CFRP 表面相应位置粘贴应变片。试件制作过程如图1 所示。

图1 试件制作过程Fig.1 Making process of specimen

1.2 材料性能

按照《金属材料拉伸试验 第1 部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010）[21]的要求对钢材的拉伸试样进行拉伸试验，得到外钢管的屈服强度fyo为486.0 MPa，抗拉强度fuo为629.8 MPa，弹性模量Eo为2.08×105MPa；内钢管的屈服强度fyi为430.0 MPa，抗拉强度fui为570.0 MPa，弹性模量Ei为2.20×105MPa。

CFRP 材料由上海妙翰建筑科技有限公司生产，型号为CFS-I-300，理论厚度tcf为0.167 mm，抗拉强度fcf为3 483 MPa，弹性模量Ecf为231 GPa，伸长率εcf为1.69%。碳纤维浸渍胶也由上海妙翰建筑科技有限公司提供，其中胶水和固化剂的配合比为2：1，其抗拉强度为50.1 MPa，弹性模量为3.03 GPa。

混凝土立方体试块与试件在相同条件下养护成型，试验时C40、C60 混凝土立方体抗压强度fcu分别为50.2、66.5 MPa。

1.3 试验加载方案及测点布置

轴压试验在5 000 kN 电液伺服万能试验机上进行，试验荷载和应变等数据通过数据采集系统自动采集。采用位移控制加载，以0.4 mm/min 的恒定速率进行，当加载至轴向位移量达到构件高度的10%时停止试验。对于CFDST 试件，在外钢管长度方向1/4、1/2 和3/4 处分别粘贴一横一纵2 个应变片，用于测量试件的环向和纵向应变，并在间隔90°的位置再以相同方式布置6 个应变片。对于CFRP-CFDST 试件，不仅在上述位置粘贴应变片，还在CFRP 对应位置再粘贴6 个环向应变片用于测量CFRP 布的环向应变。同时，在试件两对侧布置2 个位移计，用于监测试件的轴向变形，应变片、位移计和压力传感器数据均通过DM-YB1860 动静态测试分析系统自动采集，应变片具体布置情况及试验装置见图2。

图2 应变片布置及试验装置Fig.2 Strain gauge arrangement and experimental device

2 试验结果及分析

2.1 试验观察结果

2.1.1 CFDST 试件的破坏模式 在加载初期，试件无明显变形，当加载至极限荷载Nue（表1）的70%～80%时，外钢管管壁出现斜向45°的吕德尔斯滑移线，如图3（a）所示，意味着钢管已屈服；随着荷载的继续增加，由于端部效应的影响，在试件上下两端处出现了明显的局部屈曲，但发展较慢。随后，在试件中部高度处也开始出现向外的局部屈曲，其发展速度明显快于端部。当轴向位移量达到构件高度的10%时，停止试验。CFDST 试件的典型失效模式如图3（b）、（c）所示，其中，在试件中部高度和距离上下两端各35 mm 处，外钢管发生向外的局部屈曲；在试样的中间高度处，内钢管向内局部屈曲。试验所观察到的破坏模式与文献[22-23]结果类似。

图3 CFDST 试件破坏模式Fig.3 Failure modes of CFDST specimens

2.1.2 试件CFRP-CFDST 的破坏模式 CFRPCFDST 试件的破坏模式如图4 所示。在加载初期，试件均未产生明显变形。当试件达到极限承载力时，CFRP 在试件中部高度处突然断裂，导致试件的承载力急剧下降，CFRP-CFDST 试件因此失效。CFRP-CFDST 的典型破坏模式如图4 所示。CFRP-CFDST 试件的破坏模式为CFRP 在试件中部高度处突然断裂，试验结束后发现内钢管发生向内的局部屈曲，这些现象均与Wang 等[20]的试验结果相 似。此外，Hu 等[24]关于FRP 约束CFST 的 轴压试验中FRP 破坏位置也与此相似。

图4 CFRP-CFDST 试件破坏模式Fig.4 Failure modes of CFRP-CFDST specimens

2.2 轴向荷载—位移曲线

所有试件的轴向荷载—位移曲线如图5 所示，图中位移采用2 个位移计的平均值。对于CFDST 试件，当达到极限荷载后，曲线出现短暂的下降段后承载力又随着轴向位移的增加而增大。当轴向位移达到20 mm 后曲线开始出现下降趋势，但此时试件仍然具有较高的承载能力。曲线趋势与文献[22，25-26]结果一致。

图5 荷载—位移曲线Fig.5 Load-displacement curves

CFRP-CFDST 试件在加载初期曲线和CFDST 试件几乎重合。当CFDST 试件的曲线达到第1 峰值点开始出现下降时，CFRP-CFDST 试件则因为CFRP 的约束，其曲线进入了一个斜率不同于初始阶段的硬化阶段，且CFRP 层数越多，试件的承载力增长越多。当CFRP 发生断裂时，CFRPCFDST 试件的承载能力突然下降，荷载—位移曲线出现陡降，经过短暂的波动后，曲线的发展趋势与CFDST 试件大致相同。试件即使发生了较大的塑性变形，承载力并未出现急剧下降的趋势，而是进入了一个长延性阶段，因此，试件具有良好的延性。此外，CFRP 层数越多，试件的极限承载力和对应的轴向位移越大，表明CFRP 在提高试件承载力的同时也提高了试件的变形能力。

对于CFDST 试件其极限承载力Nue定义为试件轴向荷载达到第1 峰值点时的荷载。对于CFRPCFDST 试件，其极限承载力定义为CFRP 发生断裂时的荷载。所有试件的极限承载力试验结果列于表2，Nuc为预测极限承载力，Nue表示极限承载力试验测量值。

表2 试件试验结果Table 2 Experimental results of specimens

2.3 轴向荷载-应变曲线

因试验同种类型应变片测得的数据变化趋势基本一致，为便于比较，轴向荷载—应变曲线中的应变数据取自纵向应变片A1 和环向应变片H1，如图6 所示。在初始阶段曲线都表现出线弹性，直到应力水平近似等于或略低于钢管的屈服应力为止。随着应变的增加，CFRP-CFDST 试件与CFDST 试件的曲线出现明显差异，CFDST 试件随着应变的增加的承载力，基本维持不变，而CFRP-CFDST 试件的荷载随着应变的增加而增加。在相同应变水平下，CFRP-CFDST 试件的承载能力明显大于CFDST 试件，表明CFRP 能够有效提升试件的轴压性能。

图6 轴向荷载—应变曲线Fig.6 Axial load-strain curves

2.4 试验结果分析

2.4.1 CFRP 与钢管的协同工作 图7 比较了同一位置处CFRP 和外钢管的轴向荷载—环向应变曲线。从图7 可以看出，碳纤维布与外钢管在同一位置处的环向应变基本一致，表明碳纤维布与外钢管的协同状态良好。因此，在轴压作用下，钢管与外层CFRP 处于应变协调状态。

图7 CFRP 与外钢管的变形协调Fig.7 Deformation coordination between CFRP and outer steel tube

2.4.2 CFRP-CFDST 试件的极限承载力提升能力 试件的极限承载力提升率η可由式（1）定义。

式中：Nu为CFRP 约束试件的极限承载能力；Nu,0为对应未粘贴CFRP 的CFDST 试件的极限承载能力。

图8 比较了承载力提升率与CFRP 层数的关系。相比于试件C120-40-0，试 件C120-40-2 和C120-40-4 的极限承载力分别提高了19.76% 和41.60%。相比试件C120-60-0，试件C120-60-2 和C120-60-4 的极限承载力分别提高了15.12% 和37.99%。对比两组数据可以看出，CFRP 能有效提升试件的极限承载能力，且提升规律与贴布层数近似呈线性相关。从图8（b）可以看出，混凝土强度等级较低的试件极限承载力提升率高于混凝土强度等级较高的试件。因此，对于约束系数小的CFDST 试件，CFRP 能提供更好的约束效果。

图8 试件承载力分析Fig.8 Analysis of bearing capacity of specimen

2.4.3 内钢管屈服破坏 由于在试验过程中难以观测内钢管破坏过程，并且如果内钢管屈曲破坏先于外钢管，CFDST 短柱的轴压承载能力损失高达65%[27]。为防止在外钢管屈曲之前内钢管发生局部屈曲，造成强度损失，设计时要保证内管有足够厚度。CFRP-CFDST 构件的应力平衡关系如图9 所示，根据应力平衡，σθ,o、σθ,i和σr的关系如式（2）、式（3）所示。

图9 试件各部分的应力状态Fig.9 Stress state of each part of the specimen

式中:σθ,o为外钢管环向应力；σθ,i为内钢管环向应力；σr为总围压应力。

文献[24]给出了基于Kerr 等[28]和Sun 等[29]提出的钢管临界屈曲强度计算公式，见式（4）。

式中：E0为内钢管弹性模量；I为内钢管截面惯性矩。为防止内钢管先发生局部屈曲，混凝土部分的围压应力σr要小于内钢管的临界屈曲强度σbk，联立式（3）、式（4）得出内管厚度应满足式（5）。

试 件C120×40-4 和C120×60-4 所需ti,min=0.86 mm，所以内管厚度取4 mm 足以防止内管在外管之前发生局部屈曲。

3 CFRP-CFDST 试件极限承载力预测

文献[20]的CFRP 约束系数如式（6）所示。

式中：Acf为CFRP 的横截面积；fcf为CFRP 抗 拉强度；Ac为混凝土横截面积；fck为混凝土抗压强度，fck=0.67fcu。

图10 所示为本文和参考文献试件ξCFRP,Wang与极限承载力提升率η的关系。从图10 可以看出，ξCFRP,Wang与极限承载力提升率η之间的关系较为离散，不能较好地反映CFRP 约束与承载力提升的关系。这是由于ξCFRP,Wang仅仅考虑了CFRP 与混凝土之间的影响，而CFRP-CFDST 试件由CFRP、内外钢管、混凝土组成。已有文献[19]表明，外钢管的厚度对极限承载力提升率η有较大影响，因此，需要提出一个新的约束系数来反应CFRP 约束CFDST 短柱中CFRP 与试件极限承载力提升率的关系。

图10 极限承载力提升率与ξCFRP,Wang 的关系Fig.10 Relationship between ultimate bearing capacity improvement rate and ξCFRP,Wang

提出CFRP 约束系数ξCFRP，如式（7）所示。

式 中：Acf为CFRP 的横截面积；fcf为CFRP 抗拉强度；Ac为混凝土横截面积；fck为混凝土抗压强度，fck=0.67fcu；Ao为外钢管横截面积；fyo外钢管屈服强度；Ai为内钢管横截面积；fyi为内钢管屈服强度。

相比Wang 等[30]提出的约束系数ξCFRP,Wang，笔者提出的CFRP 约束系数ξCFRP还考虑了CFDST 短柱内外钢管的影响。图11 显示了本文和文献[20]中CFRP 约束系数与极限承载力增长率的关系。比较图10 和图11，图10 中的数据点较为离散，相关性系数仅为0.56，本文所提出的约束系数ξCFRP能较好地反映CFRP 与试件极限承载能力之间的关系，ξCFRP与极限承载力提升率近似呈线性关系，经过线性拟合的图形如图11 所示，其中相关性系数为0.94。因此，基于线性回归，CFRP 约束CFDST 短柱的轴压极限承载力可由式（8）计算得到。

图11 极限承载力提升率与ξCFRP 的关系Fig.11 Relationship between ultimate bearing capacity improvement rate and ξCFRP

式中：N0为轴心受压强度承载力设计值；Asc为外钢管与混凝土的横截面面积之和；fck为混凝土的抗压强度设计值；B和C为截面形状对套箍效应的影响系数；θ为套箍系数，θ=αscfyock,其中αsc为含钢率，αsc=Asoc；fyo为外钢管屈服强度；Aso为外钢管横截面面积；Ac为混凝土横截面面积。

按照GB 50936[22]计算CFDST 短柱的轴压承载力N0，见式（9），防止内钢管在外钢管之前发生局部屈曲的最小厚度ti,min=0.86 mm，远小于采用的钢管厚度4 mm，为了使公式预测结果偏于安全，式（9）中的Asifyi以折减系数0.85，得到式（10）。

CFRP 约束CFDST 短柱的轴压极限承载力可由式（11）计算得到。

由式（11）计算的预测承载力Nuc与试验测量值Nue的比值见表1。Nucue的均值为1.02，标准差为0.042,表明式（11）能够准确地预测CFRP 约束CFDST 短柱的极限承载能力。

4 结论

对CFDST 短柱和CFRP 约束CFDST 短柱的轴压性能进行试验研究，给出了CFRP-CFDST 试件的典型破坏模式、荷载—位移曲线和荷载—应变曲线，研究了混凝土强度等级、CFRP 层数等参数对试件轴压性能的影响，并提出CFRP 约束CFDST 短柱轴压承载力预测公式。得到以下结论：

1）CFDST 试件的破坏模式是外钢管在中部高度和端部向外产生局部屈曲，内钢管在中部高度向内部产生局部屈曲。CFDST 试件的荷载超过极限荷载后，试件的承载力在短暂下降后开始缓慢上升，最后趋于平缓。

2）因为CFRP 在中部高度处突然断裂，导致CFRP-CFDST 试件承载力骤降而宣告失效；当CFRP 完全断裂后，CFRP-CFDST 试件的承载力再次缓慢地提升；且CFRP 层数越多的试件，其极限承载力和对应的轴向位移越大，表明CFRP 在提高试件承载力的同时也提高了试件的变形能力。

3）由于CFRP 的约束作用，相比于CFDST 试件，CFRP-CFDST 试件的承载力有显著提高。且相较于混凝土等级较高的试件，混凝土强度等级低的试件CFRP 约束效果更好，承载力提升更多。

4）通过分析试件的应力状态，得到了防止内钢管先于外钢管屈曲破坏的最小钢管壁厚，可为CFRP 约束CFDST 短柱的设计提供参考。结合CFDST 与CFRP-CFDST 试件的承载力预测公式，运用叠加法得到CFDST 和CFRP-CFDST 试件的承载力预测通用公式。利用该公式算得本次试验中CFDST 和CFRP-CFDST 试件的极限承载力与实测值吻合较好。