GFRP 管钢筋混凝土短柱力学性能研究

2011-04-12张鑫鑫王玉清

山西建筑 2011年19期

关键词：轴心承载力试件

张鑫鑫王玉清徐静

GFRP管钢筋混凝土柱是一种新型的组合结构。对于该组合试件，一方面，GFRP管对核心混凝土的约束，提高了核心混凝土的强度和延性;另一方面，由于管内混凝土的存在，又避免了GFRP管的稳定问题，阻止了局部屈曲这个问题的发生。

GFRP管具有耐腐蚀性能，可用于高腐蚀的环境中，能抵抗恶劣环境的影响，有效的改善混凝土的耐久性，也可以防止钢筋的锈蚀。该结构适于建造大跨、高耸及近海地区的桥梁、高桩码头等［1］。与钢管混凝土相比其造价低、抗腐蚀性能强、维护费用低。

本文主要研究影响套管混凝土轴压性能的部分因素，如:不同混凝土强度等级、不同受力方式、不同配筋率等。并研究了同一试件在不同加载方式下的力学性能，给出GFRP管钢筋混凝土柱承载力的计算公式。

1 试验概况

1.1 试验设计

试验设计14根GFRP管钢筋混凝土轴心受压短柱，2根无套管的钢筋混凝土短柱。试件分8组，每组均制作2个参数相同的试件，试件参数及编号见表1(试件均选择高为600mm，内径为200mm，壁厚为5mm)。

表1 试件参数及编号

1.2 加载方法与测点布置

本试验在内蒙古工业大学结构实验室500 t压力机上进行。所有试件均为轴心受压，加载方式为单调加载(除1根HA-H1为重复加载)。对于核心混凝土受压试件，柱两端的混凝土凹回管内10mm，上下两端的圆形加载板正好放入凹槽中，通过加载板对试件进行加载。对于全截面受压的试件，则直接通过压力机上下的承压板对其加载。测点布置及加载装置见图1。

在试件的中间截面处，按间隔90°对称布置1，2，3，4四个点，在每个点上横纵粘贴2个应变片，用来测定中间截面的横向应变和纵向应变。且在试件的中间截面处每隔120°垂直于试件轴线方向布置A，B，C 3个位移计，用来测量试件中间截面的横向变形的位移。与500 t压力机连接的电脑可以直接读出试件纵向的位移变化情况。布置好仪器以后，反复调整，进行几何及物理对中。对中以后，开始轴压试验。

我们采用分级加载，最开始每级荷载为200 kN。观察连接压力机的电脑，当电脑给出的应力应变曲线图进入屈服阶段时，每级加载荷载为100 kN。每级荷载持载30 s～1min［2-4］。当接近极限荷载时，加载速度变慢，逐级读取各级荷载的应变。

2 试验现象及破坏形态

对于GFRP管钢筋混凝土短柱而言，试件的破坏机理是混凝土达到了三向受压时的抗压强度，最后由于GFRP管的环向破坏，组合试件破坏。首先就核心混凝土轴心受压的试件来说，在加载过程中，GFRP管首先稍微有些泛白，随后在达到极限承载力的75%左右时，可以看到明显的白色螺旋条纹，当加载到极限承载力的85%左右时，可以听到轻微断断续续劈啪声，随后听到连续的劈啪声，越来越响，最后听到雷霆般的响声，GFRP管被撕断，失去约束能力，试件破坏。以试件HA-H1为例，在破坏时，在试件的中部偏下首先发生裂缝，随后向试件的两端扩展，最终GFRP管环向破坏并伴随着雷霆般的响声。试件破坏后，在试件的中部，混凝土外露，加载板压入套管中。

对于全截面轴心受压试件而言，其破坏形态和破坏过程与核心混凝土轴心受压试件基本相似。对于无管的试件来说当加载到承载力的70%左右时，在试件中部发现微裂缝。继续加载裂缝明显增多并向柱子两端延伸，随后中部部分混凝土剥落，继续加载钢筋屈服，试件破坏。图2为部分试件最终的破坏形态。

2.1 不同混凝土强度等级

本试验采用C30与C60两种不同强度的混凝土来分析不同强度等级的混凝土对其性能的影响。如图3所示，混凝土强度为C60的试件其极限承载力为3298 kN，极限压应变为0.01410，而混凝土强度等级为C30的试件，其极限承载力为2998 kN，极限压应变为0.03427。虽然C60试件的极限承载力比C30试件提高了很多，但是其极限压应变却只有C30试件的0.41倍。可见随着混凝土强度的提高，试件的极限承载力也得到了提高，但GFRP管对其约束效果却在降低。主要是因为，混凝土强度等级越高，其变形能力越差，所以约束效果越差。

2.2 不同受力方式

HA-L0与QH-L0，HA-H1与QA-H1分别为同种材料不同受力方式的3组试件。从图4中可以得出，3组试件虽然受力方式不同，但其极限压应力基本相同，其轴向极限压应变也基本相同。我们以图4加以说明。

对于核心混凝土试件，只有混凝土承受压力，而GFRP管不承受压力。但是GFRP管对核心混凝土的约束效果却非常的好。而对于全截面受压试件，核心混凝土与GFRP管都受到压力，当GFRP管在受到压力的情况下，对核心混凝土的约束作用就会减少，但是GFRP管分担了部分轴力，其分担的这部分轴力就弥补了约束不足这一方面。所以最终得出:核心混凝土受压与全截面受压无论在极限承载力还是在极限压应变方面都基本相同。

2.3 不同配筋率

HA-L0，HA-L1，HA-L2为同种材料不同配筋率的三种试件。由图5可知，没有配置钢筋的GFRP管混凝土柱其管内混凝土破坏形式为剪切破坏，形成一个锥形，而配置了钢筋的试件则避免了剪切破坏。由表1可知，随着配筋率的增加，试件的极限承载力也得到了明显的提高。由图6可知与HA-L0相比，HA-L1与HAL2的延性也得到了明显的提高。

2.4 不同加载方式

我们选择2个相同参数的试件(HA-H1)，一个试件进行一次加载轴心受压;另一个试件进行反复加载轴心受压。所谓反复加载，就是在原先的分级加载的前提下，每加载一级后持载30 s左右，记录数据后就将其卸载至0，然后一次加载至2级记录数据后再卸载至0，以此类推，直到试件破坏。最后进行比较，其结果见表2。

表2 不同加载方式极限承载力与应变

由表2可知，虽然我们所选用的是同一参数试件，但在一次加载和反复加载这两种不同加载方式下，试件的极限承载力却有明显的差距。一次加载试件的极限承载力要比反复加载试件的承载力高出602 kN，且卸载时若荷载小于轴力应变曲线上对应的弯曲点，变形可以完全恢复，若卸载时荷载超过了轴力应变曲线上对应的弯曲点，变形则不可完全恢复，发生明显塑性变形。