纤维增强材料-混凝土-钢组合矩形空心柱的低周往复荷载试验研究*

王善章 张 冰 张千标 郑寰泽 高宇航

(1.东北林业大学园林学院，哈尔滨 150040；
2.哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院，广东深圳 518055；
3.南京工业大学土木工程学院，南京 211816)

纤维增强复材(FRP)具有轻质高强、良好的耐腐蚀性能、可设计性强等优点。作为有别于传统土木工程材料(钢材、混凝土、木材等)的一种新材料，FRP复合材料现已被广泛用于结构加固，并且在新建结构中也极具应用前景[1-3]。FRP-混凝土-钢组合空心柱[4-5]是一种用于新建结构的组合构件，由FRP外管、钢内管和两者之间填充的混凝土构成(图1)。在该组合空心柱中，1)FRP管可保护内部钢管和混凝土免受外部腐蚀环境的侵蚀；
2)混凝土同时受到FRP管和钢管的约束作用，其强度和延性都得以提高；
3)混凝土可为钢管提供侧向支撑，避免或延缓钢管出现局部屈曲；
4)钢管为构件提供抗压承载力和抗弯承载力；
5)可采用较大的面积空心率(即试件中混凝土截面空洞的面积与FRP管所包围的面积之比)以大幅降低构件质量；
6)FRP管和钢管可作为浇筑混凝土的模板，进而简化施工过程。

a—圆形空心柱;b—方形空心柱;c—矩形空心柱。图1 FRP-混凝土-钢组合空心柱Fig.1 FRP-concrete-steel double-skin tubular columns

自发明FRP-混凝土-钢组合空心柱以来[4-5]，大量学者对其进行了试验研究和理论分析，包括该组合空心柱的轴压性能[4-8]、偏压性能[9-11]、抗震性能[12-14]、抗撞击性能[15-16]等。Zhang等前期研究表明：在单调轴压荷载下，圆形截面的组合空心柱的轴压承载力远高于三种材料单独受压的承载力之和，具有优越的延性[7-8]；
在恒定轴压和侧向往复荷载下，圆形截面的组合空心柱在恒定轴压和侧向往复荷载下具有饱满的滞回曲线，展现出优越的耗能能力和抗震性能[13-14]。除此之外，有些学者利用该组合空心构件优越的受压性能进行了组合空心拱结构的试验和理论研究[17-18]；
有些学者对该组合空心构件的受弯性能进行了试验和理论研究[19-20]。GB 50608—2020《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》对FRP-混凝土-钢组合空心柱的设计给出了计算式和具体建议[21]。华南理工大学陈光明教授与其合作者积极地推动了FRP-混凝土-钢组合空心柱的工程应用[18]，如广东省汕尾市海丰县大湾区生态康养体验景观示范带玻璃廊桥采用了4个圆形截面的FRP-混凝土-钢组合空心柱作为桥墩。该实际工程中，组合柱的截面外径824 mm；
FRP管内径800 mm，厚度12 mm；
钢管外径610 mm，厚度16 mm；
相比于同样截面直径的实心柱节约混凝土约58%。在众多国内外学者和工程师的努力下，FRP-混凝土-钢组合空心构件的工程应用将会越来越多。

现有研究主要集中在圆形截面组合空心柱(图1a)和方形截面组合空心柱(图1b)，而针对矩形截面组合空心柱(图1c)的研究较少。矩形截面组合柱可根据工程需要，合理设计截面的长边与短边之比，以提供绕两对称轴不同的抗弯刚度。本研究对3个矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱开展了在恒定轴压和侧向往复荷载下的抗震性能试验，研究参数包括FRP厚度和水平侧向荷载的加载方向(即绕矩形截面的强轴或弱轴加载)。

1.1 试件设计制作

对3个矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱开展了在恒定轴压和侧向往复荷载下的抗震性能试验，研究参数主要包括FRP厚度和水平侧向荷载的加载方向(即绕矩形截面的强轴或弱轴施加弯矩)。如图2a，组合柱的矩形截面长、短边之比为1.5(混凝土截面的长边尺寸300 mm，短边尺寸200 mm，圆弧倒角半径为30 mm)；
组合柱的钢管为矩形截面，长、短边之比为1.5(长边尺寸180 mm，短边尺寸120 mm，圆弧倒角半径为20 mm)。该矩形截面的面积空心率为0.36，即相比于同样截面尺寸的实心柱可节省约36%的混凝土。如图2b，试件包括混凝土柱墩和矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱身两部分，总高度为2 150 mm。混凝土柱墩的尺寸为长800 mm、宽800 mm、高470 mm；
柱身的高度为1 650 mm。试件中的钢管采用同批次钢板焊接而成，钢管壁厚4.5 mm。为了增加混凝土柱墩对钢管的嵌固作用，在钢管底部焊接一块钢板作为底板(长300 mm、宽300 mm、厚10 mm)；
嵌入柱墩部分的钢管上焊接4个纵向加劲肋(高460 mm、宽80 mm、厚10 mm)。在试件制作过程中，混凝土分两次浇筑，首先浇筑混凝土柱墩，待柱墩混凝土硬化后再支模浇筑柱身。在柱身混凝土养护完成后，采用湿粘法，将浸润树脂的玻璃纤维单向纤维布包裹于柱身，以形成玻璃纤维缠绕管(即GFRP管)。纤维方向为沿柱身的环向缠绕，FRP管沿环向的搭接长度为150 mm，布置于矩形截面的长边一侧。本研究采用了HITEX-G900E-60单向玻璃纤维布(名义厚度为0.35 mm)和Lica-A/B树脂，均购于南京海拓复合材料有限公司。试件的主要参数如表1所示，试件编号中F3和F6分别代表FRP中的纤维层数；
Y和X分别代表水平侧向荷载的加载方向为绕椭圆形截面的强轴或弱轴。

a—横截面；
b—试件示意。图2 矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱 mmFig.2 Rectangular FRP-concrete-steel double-skin tubular column

表1 试件参数Table 1 Parameters of specimens

1.2 材料属性

本试验中矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱采用了GFRP管。根据ASTM D3039 2000标准[22]测得，基于名义厚度(每层FRP为0.35 mm，不计入树脂层的厚度)得到FRP的抗拉刚度为80.1 GPa，极限抗拉强度为1 836.2 MPa，极限断裂应变为2.29%。本试验中所有试件的柱身采用同批次混凝土，并预留了3个直径150 mm、高300 mm的混凝土强度试件。根据ASTM C39/C39M-11a标准[23]，试件的柱身混凝土轴心抗压强度为51.2 MPa，峰值应变为0.252%。根据GB/T 228.1—2010标准[24]对制作钢管的钢板进行了材性试验，其屈服强度为308.0 MPa，极限抗拉强度为459.0 MPa、弹性模量为200.3 GPa。

1.3 加载方案及测点布置

如图3所示，在试件柱身上的4个横截面上布置了应变片(横截面位置为沿柱身纵向向上，距离柱墩顶面为30,150,300,450 mm的截面上)。每个布置应变片的横截面上，FRP管外表面上布置了5对双向应变片，钢管外表面上布置了3对双向应变片。在柱身底部布置了3对线性位移传感器(LVDT)以测量试件的局部变形(即LVDT-1～LVDT-6)。3对LVDT的标距均为200 mm，测量范围分别为距离柱墩顶面0～200 mm (LVDT-1和LVDT-2)、200～400 mm (LVDT-3和LVDT-4)和400～600 mm (LVDT-5和LVDT-6)。在水平力加载点布置了水平方向的LVDT(即LVDT-7)以测量试件的侧向位移。为了监测加载过程中柱墩可能出现的转动，在柱墩两侧布置了LVDT-8和LVDT-9。试件由水平力加载点到柱墩顶面的垂直距离为1 425 mm。

纵向应变片; 环向应变片。图3 位移计及应变片布置 mmFig.3 Arrangements of LVDTs and strain gauges

如图4所示，加载装置由加载横梁、千斤顶、水平作动器、锚杆、单向铰等组成。水平往复荷载采用MTS液压伺服作动器施加，并采用位移控制加载。当试件的侧向水平承载力下降到小于80%峰值承载力时停止加载。所有试件的轴压比均采用了0.2。如前文所述，FRP管中的纤维为沿试件环向缠绕以对混凝土提供充分的约束作用，因此根据轴压比计算轴力时未考虑FRP管的轴向刚度。试件轴力根据式(1)进行计算。因各试件的钢管和混凝土均相同，试件施加的轴力均为405.5 kN。

图4 试件加载布置Fig.4 Experimental devices

N=(fcAc+fyAs)n

(1)

式中:n为轴压比；
fc为混凝土抗压强度；
fy为钢管屈服强度；
Ac为混凝土截面面积；
As为钢管截面面积。

2.1 试验现象

试验中3个试件的破坏现象相似。在施加轴力之后，试件的纵向应变片有明显读数，而环向应变片读数很小。在施加水平侧向荷载的初期，试件没有明显的破坏现象；
当侧向位移超过50 mm时可明显看到试件底部的FRP管产生环向裂缝，此裂缝是由于FRP管中树脂沿纵向断裂而造成的。随着侧向位移的增加，FRP管发出噼啪开裂的声音；
同时在柱身的根部出现FRP管外鼓的现象。图5为试件F6-Y和试件F6-X的破坏图，试件的变形与破坏主要集中在距基础顶面0～200 mm的范围。在距基础顶面0～20 mm的范围内FRP发生了环向纤维断裂，但断裂区域很小。FRP管上的环向应变较小，即FRP管的抗拉强度没有得到充分利用。在移除FRP管之后发现内部混凝土产生了严重的压溃破碎，主要集中在距基础顶面0～200 mm的范围；
在移除混凝土后发现柱身底部的钢管有严重的局部屈曲。

a—试件F6-Y;b—试件F6-X。图5 试件破坏示意Fig.5 Failure modes of specimens

2.2 滞回曲线

在本试验加载过程中，试件的侧向位移导致试件轴力不再是竖向荷载，而是与垂直方向成一个倾斜角度，此时试件轴力的水平分量与水平侧向位移的方向相反(图6)。试件的真实水平侧向荷载F等于试验中测得的水平侧向荷载P减去轴压荷载N在倾斜角度α下的水平分量(式(2))。倾角α由式(2a)确定，Δ为试件在水平荷载加载点的侧向位移，L为柱高。经计算，试件的水平侧向位移对试件所受的垂直荷载Ncosα影响很小，可以忽略不计。

图6 试件的水平侧向荷载Fig.6 Lateral loading on specimens

F=P-Nsinα

(2)

其中α=tan-1(Δ/L)

(2a)

图7为试件的滞回曲线。在恒定轴压和侧向往复荷载下，矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱的滞回曲线饱满，显示出优越的耗能能力。图7同时给出了滞回曲线的包络线，以及试件的屈服点[13-14]、峰值荷载点和对应于80%峰值荷载的残余荷载点。试件F6-Y比试件F3-Y的峰值荷载略大，但两者的延性接近，这是由于试验中FRP管的抗拉强度没有得到充分利用导致的(FRP管上的环向应变较小)。对比试件F6-Y和试件F6-X可知，绕强轴方向加载的试件承载力峰值和延性都要远大于绕弱轴方向加载的试件。

a—试件F6-Y与F3-Y对比;b—试件F6-Y与F6-X对比。

屈服点; 峰值荷载; 80%残余荷载。图7 滞回曲线Fig.7 Hysteretic curves

2.3 曲率分布

如图3所示，在试件根部布置了3对LVDT，其标距范围均为200 mm，测量范围分别为距离柱墩顶面0～200 mm (LVDT-1和LVDT-2)、200～400 mm (LVDT-3和LVDT-4)和400～600 mm (LVDT-5和LVDT-6)。由此，柱身根部范围的平均曲率可根据式(3)进行计算[13]。

(3)

式中:φΔ为LVDT标距范围内的平均曲率;Δ1和Δ2为同一标距范围内的两个LVDT的位移读数;S为同一标距内两个位移计的水平距离;h为位移计的标距长度(即200 mm)。

图8为试件F6-Y和试件F6-X的曲率分布。如图所示，试件距柱墩顶面0～200 mm区域内的平均曲率要远大于200～400 mm和400～600 mm区域，即试件的损伤主要集中在柱身底部。由曲率分布可以看出，在距离柱墩顶面0～200 mm和200～400 mm区域内，两个加载方向的曲率基本相同，即试件两侧的损伤程度接近。对于距离柱墩顶面400～600 mm区域内，由于LVDT的读数都很小，由式(3)计算得出的两个加载方向曲率并不对称。

a—试件F6-Y;b—试件F6-X。位移量纲为mm。图8 沿柱高方向的平均曲率分布Fig.8 Average curvature along column height

基于OpenSees对矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱在恒定轴压和侧向往复荷载下的滞回曲线进行了数值模拟。如图9a所示，试件底部为固支端，沿试件纵向划分5个“nonlinearBeamColumn”单元，每个单元定义了5个Gauss-Lobatto积分点。图9b为试件F6-Y和F3-Y的截面纤维划分(两试件绕截面的强轴加载)，图9c为试件F6-X的截面纤维划分(试件绕截面的弱轴加载)。试件中的钢管采用OpenSees中内嵌的“ReinforcingSteel”模型；
混凝土模型采用OpenSees中内嵌的“FRPConfinedConcrete02”模型，在该模型中根据Zhang等关于矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱的本构模型定义混凝土的极限应力和极限应变[25]。研究中，FRP管中的玻璃纤维是环向缠绕于试件柱身的，轴向刚度很小，可忽略其对承载力的直接贡献。

a—力学模型；
b—F6-Y、F3-Y截面纤维划分；
c—F6-X截面纤维划分。图9 基于OpenSees的有限元模型Fig.9 Finite element models based on OpenSees

图10为矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱的试验结果与模型预测结果的对比。如图所示，本文的数值模型可以给出准确但偏于保守的预测结果。在定义“FRPConfinedConcrete02”模型的混凝土极限应力和极限应变时，采用了Zhang等关于矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱的本构模型[25]，而该模型是偏于保守的，进而导致图10中的预测结果偏于保守。

针对3个矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱开展了在恒定轴压和侧向往复荷载下的抗震性能试验，研究了FRP管厚度和水平力加载方向对其抗震性能的影响。

1)矩形FRP-混凝土-钢组合空心柱的滞回曲线饱满，具有优越的耗能能力。

2)试件的破坏主要集中在距柱墩顶面0～200 mm区域内；
此区域内FRP管有较多环形裂缝和外鼓现象，混凝土发生了压溃破坏，钢管有局部屈曲。

a—试件F6-Y;b—试件F3-Y;c—试件F6-X。图10 试验结果与预测结果的对比Fig.10 Comparison between experimental results and predictions

3)试件的FRP管越厚，试件的侧向承载力峰值越大；
绕强轴方向加载的试件承载力峰值和延性都要远大于绕弱轴方向加载的试件。

4)提出的OpenSees模型可以对FRP-混凝土-钢组合空心柱的滞回曲线给出准确但偏于保守的预测结果。

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