应宗豪，高剑平，2，涂序纪

（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 土木工程国家级试验教学示范中心，江西 南昌 330013）

0 引言

纤维增强复合材料（FRP）[1-2]以其轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优点得到了广泛关注和研究。当前我国正在大力推进“一带一路”倡议和海洋强国战略，桥梁工程面临超大跨度、经久耐用、快速架设等核心需求。基于上述背景，本文设计制作了不锈钢带箍增强玻璃纤维编织缠绕管（PSSH-BWFRP）约束混凝土柱。BWFRP管是一种新型的电力设施管道，以热固性树脂为基体，以无碱玻璃纤维无捻粗纱为增强材料，并通过横向与纵向相互交错在线编织缠绕拉挤成型[3]，具有强度高、耐腐蚀、耐高温、抗冲击等优点。PSSH-BWFRP约束混凝土柱是在BWFRP管混凝土柱的外围环箍一定间距的不锈钢带箍（见图1），再通过扭矩扳手对不锈钢带箍施加初始预应力，达到对柱内混凝土施加主动约束[4]的目的。由于被动约束混凝土的约束材料[5-8]是在混凝土发生一定变形之后才开始发挥作用，存在应力滞后现象，且材料力学性能未得到充分发挥利用，而主动约束使混凝土处于三向受压状态，进一步发挥材料的力学性能，有效避免应力滞后。目前可以通过对高强钢绞线网[9]、FRP[10]、钢带[11]、钢套箍[12]等施加预应力，从而对混凝土进行主动约束。相对于上述几种主动约束混凝土材料，不锈钢带箍克服了预应力施加繁琐、耐久性差、不可后续补加预应力、施工不便等问题。本文对PSSH-BWFRP约束混凝土短柱进行了初步探索性研究，通过轴压性能试验，分析不锈钢带箍间距和预应力水平对其轴压性能的影响规律。

图1 BWFRP管和不锈钢带箍

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验设计制作了6根PSSH-BWFRP约束混凝土柱（PB）作为试验组试件，3根混凝土柱（PC）和1根BWFRP约束混凝土柱（BC）作为对比组试件。试件内径均为200 mm、高度均为500 mm，混凝土强度等级为C30，试件设计参数见表1。研究参数为预应力水平α（不锈钢带箍实际施加应变与不锈钢带箍屈服应变的比值）和不锈钢带箍间距s，Neu为承载力试验值；Δ为峰值荷载对应的峰值位移；K为承载力提高系数：K=Ni/N0，Ni为PSSH-BWFRP约束混凝土柱极限承载力试验值，N0为BC柱极限承载力试验值。不锈钢带箍安装定位后，通过扭矩扳手扭紧高强螺栓对不锈钢带箍施加环向预应力，预应力水平通过粘贴在不锈钢带箍上的4个应变片的平均应变来控制。

表1 试件设计参数及力学性能

1.2 材料力学性能

本试验采用的BWFRP管内径200 mm、壁厚5 mm，其力学性能指标见表2。所用钢带箍为304不锈钢，规格为201～213 mm，厚×宽=1.0 mm×24 mm，螺杆×长度=M8×80 mm。制作了3个长度为200 mm、宽厚比为8∶1的标准试件（见图2），并在MTS材料试验机上进行拉伸试验（见图3），获得了不锈钢带箍的材料力学性能（见表3）。

表2 BWFRP管材料力学性能

图2 不锈钢带箍材性试验标准件

图3 不锈钢带箍拉伸试验

表3 不锈钢带箍材料力学性能

1.3 加载方案与测量方案

加载装置为湘潭大学结构实验中心10 000 kN多功能结构实验系统，采用力和位移混合控制、单调静力加载方式。首先采用力控制，每级加载值为预估极限承载力的1/10，当加载至预估极限承载力的75%左右时，每级加载值减小到预估极限承载力的1/15。

每级加载持荷3 min，同时采集记录数据，加载速率为0.5 kN/s，当显示荷载增幅开始变小时，说明混凝土柱已接近极限状态，此时调整为位移控制加载，加载速率为0.1 mm/s，当构件发生严重鼓曲变形或发生脆性破坏或荷载下降至峰值荷载75%附近停止加载。分别在压力机下承压板4个角各布置1个机电位移计，测量试件的轴向相对位移。在PSSH-BWFRP混凝土柱试件中部相邻的2个不锈钢带箍上各布置3个钢筋应变片，用于监测不锈钢带箍在整个试验过程中的受力情况。试验装置及测点布置如图4所示。

图4 试验装置及测点布置

2 试验结果及分析

2.1 破坏过程与破坏形态

混凝土柱（PC）在加载后期因中部区域出现多条竖向贯穿裂缝而破坏；BWFRP管约束混凝土柱（BC）中下部出现鼓曲，最终因玻璃纤维撕裂，内部混凝土压碎涌出而破坏。6个PSSH-BWFRP约束混凝土短柱的破坏过程和破坏形态类似，如图5所示。

图5 试件典型破坏形态

以PB-S1-P3为例，其破坏过程与破坏形态如下：加载初期，试件外观无明显变化；随着荷载增大至3500 kN时，BWFRP偶尔发出“嘶嘶”的响声，原来呈浅绿色的BWFRP管的中上部开始泛白，并且泛白区域缓慢扩大；继续加载，由于混凝土内部裂缝不断开展，试件出现中上部稍微外鼓，此时不锈钢带箍的应变值亦有明显增加，继续加载至5000 kN，突然“嘭”的一声，试件中上部的不锈钢带箍断裂，此时承载力没有下降；继续加载至极限荷载时，再次发出“嘭”的一声巨响，BWFRP管在不锈钢带箍断裂处像“炸裂”一样局部断裂，压溃碎裂的混凝土从裂口处涌出而破坏。

2.2 荷载-位移曲线

在不同不锈钢带箍间距与预应力水平条件下，各试件的荷载-位移曲线如图6所示。

图6 各试件的荷载-轴向位移曲线

由图6可见，在不同不锈钢带箍间距与预应力水平条件下，各试件的荷载-位移曲线形状大体相似，都是由3段直线相接而成，可分为线弹性段、弹塑性段和下降段。但是，各条曲线的弹塑性拐点位置、峰值荷载、峰值位移、极限位移等均不相同。

在加载初期，各试件的轴向应变与荷载基本呈线性递增关系，在荷载不大时，线弹性段基本重合。随着荷载逐渐增大，各曲线分别在不同荷载处开始出现拐点，沿着斜率略为降低的另一条“直线”（近似直线）发展直至峰值荷载。原因在于：随着荷载增大，核心混凝土内部微裂缝开展、扩张，而此时混凝土横向膨胀尚小，BWFRP的被动约束作用尚未开始发挥作用，因此PSSH-BWFRP约束混凝土柱的轴向抗压刚度有所降低，表现在曲线上就是线弹性段出现拐点开始进入弹塑性阶段。超过峰值荷载后，随着荷载降低，轴向应变继续增加，直至达到极限位移，下降段各条曲线的陡度基本一致。

2.3 不锈钢带箍的荷载-应变曲线

图7为试验组6个试件不锈钢带箍的荷载-应变曲线，可以用来近似地表征荷载与试件横向膨胀变形之间的关系。

图7 各试件的不锈钢带箍荷载-应变曲线

由图7可见，不锈钢带箍的荷载-应变曲线与图6类似，也分为3个发展阶段。加载初期，试件处于弹性受力阶段，泊松比是弹性常数，所以横向变形与轴向变形基本成正比；随着荷载加大，混凝土内部微裂缝不断开展，横向变形与轴向变形之比增大，表现在曲线族上就是出现了第1个拐点，第2段直线向偏向横轴（应变）方向发展，说明相对于第1阶段，横向膨胀变形的发展加速；峰值荷载后，内部混凝土裂缝仍在发展，所以横向膨胀也在进一步发展，不锈钢带箍应变持续增长。不锈钢带箍间距对荷载-应变曲线影响比较大，而预应力水平的影响很小。

3 轴压性能分析

3.1 承载力分析

相比于混凝土短柱，由于BWFRP管对核心混凝土提供了较大的约束作用，相比于BWFRP管约束混凝土柱，PSSHBWFRP约束混凝土柱的极限承载力会因不锈钢带箍间距和预应力水平的变化有不同程度的提高。

各试件的极限承载力提高系数K见表1，分析可知：

（1）当预应力水平为0.20时，不锈钢带箍间距为90、60mm的试件承载力较BC分别提高了7.7%和27.1%；当预应力水平为0.35时，不锈钢带箍间距为90、60 mm的试件承载力较BC分别提高了15.7%和36.9%；当预应力水平为0.50时，不锈钢带箍间距为90、60 mm的试件承载力较BC分别提高了13.5%和33.2%。可见，在相同的预应力水平下，不锈钢带箍间距越小，极限承载力越高，因为不锈钢带箍间距越小，试件未受到约束的部分越少，整体约束效果越好。

（2）当不锈钢带箍间距为60 mm时，预应力水平从0.20增大至0.35，承载力增幅为7.7%；而预应力水平从0.35增大至0.50时，承载力降幅为2.7%。当不锈钢带箍间距为90 mm时，预应力水平从0.20增大至0.35，承载力增幅为7.4%，而预应力水平从0.35增大至0.50时，承载力降幅为1.9%。可见，当预应力水平不超过0.35时，极限承载力随着预应力水平的提高有所提高，但提高很少；而当预应力水平超过0.35后，试件的极限承载力有小幅下降，表明不锈钢带箍的预应力水平在0.35即可以达到较好的约束效果。同时也可以看出，不锈钢带箍间距对承载力的影响较为明显，而预应力水平对承载力的影响一般。原因在于：对不锈钢带箍施加预应力的过程中，不锈钢带箍会逐渐“勒紧”BWFRP管的外表面，由于BWFRP的表面硬度不大，不锈钢带箍会“嵌入”BWFRP，形成局部应力和变形集中，从而造成表层的树脂和玻璃纤维损伤，预应力越大，局部变形和损伤越严重，这些局部损伤会诱发BWFRP提前断裂破坏。因此，过高的预应力水平对承载力反而是不利的，类似地，对峰值位移和延性也是不利的。

3.2 峰值位移分析

各试件的峰值位移见表1，分析可知：

（1）相比于混凝土柱PC，BWFRP约束混凝土柱BC的峰值位移增大了473.1%。

（2）相同应力水平时，PSSH-BWFRP约束混凝土柱的峰值位移随着不锈钢带箍间距的减小而增大，在预应力水平为0.20、0.35、0.50时增幅分别为9.9%、12.2%、12.3%。

（3）当不锈钢带箍间距为60mm时，预应力水平从0.20增大至0.35，峰值位移增幅为7.3%；而预应力水平从0.35增大至0.50时，峰值位移降幅为4.4%。当不锈钢带箍间距为90mm时，预应力水平从0.20增大至0.35，峰值位移增幅为5.1%；而预应力水平从0.35增大至0.50时，峰值位移降幅为4.5%。可见，在预应力水平0.35时，提高峰值位移效果较好。不锈钢带箍间距对峰值位移影响较明显，而预应力水平的影响一般。

3.3 延性分析

采用式（1）的延性系数u[13]来评估构件的延性。

式中：ε85%——荷载下降至极限承载力85%时对应的轴向位移；

ε75%——荷载上升至极限承载力75%时对应的轴向位移。

PSSH-BWFRP约束混凝土柱的延性系数u见表4。

表4 PSSH-BWFRP约束混凝土柱的延性系数

由表4可见：

（1）相同预应力水平时，PSSH-BWFRP约束混凝土柱的延性系数随着钢带箍间距的减小而增大，在预应力水平为0.20、0.35、0.50时增幅分别为57.2%、58.3%、57.6%。

（2）当钢带箍间距为60 mm时，预应力水平从0.20增大至0.35，延性系数增幅为33.6%；而预应力水平从0.35增至0.50时，延性系数降幅为12.4%。当钢带箍间距为90 mm时，预应力水平从0.20增至0.35，延性系数增幅为32.7%；而预应力水平从0.35增至0.50时，延性系数降幅为12.0%。减小不锈钢带箍间距提升构件的延性性能的效果比较明显，但预应力水平对延性影响较小。

4 结论

（1）PSSH-BWFRP约束混凝土短柱都是因不锈钢带箍之间的玻璃纤维首先局部断裂，随后压溃碎裂的混凝土从断裂处涌出而破坏。

（2）在相同预应力水平下，不锈钢带箍间距越小，PSSHBWFRP约束混凝土柱的极限承载力越高。不锈钢带箍间距对承载力的影响比较明显，而预应力水平对承载力的影响较小。

（3）不锈钢带箍间距和预应力水平对峰值位移的影响均较小。

（4）减小不锈钢带箍间距对提高构件的延性比较明显，但预应力水平对延性影响较小。

（5）过高的预应力水平对承载力、峰值位移和延性反而不利，建议预应力水平控制在0.35。