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.pdf
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1、第 45 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.45 No.4Aug.2023土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英 文)Journal of Civil and Environmental EngineeringCFRP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)摘要:对圆中空夹层钢管混凝土(CFDST)短柱和 CFRP 约束 CFDST(CFRP-CFDST)短柱进行了轴压试验,研究混凝土强度和 CFRP 粘贴层数对 CFRP 约束 CFDST 短柱轴压性能的影响,得到了 CFDST 短柱和 CF
2、RP约束 CFDST 短柱的典型破坏模式、荷载位移曲线及荷载应变曲线。试验结果表明:与 CFDST 试件相比,CFRP约束 CFDST 试件的极限承载能力显著提高,且贴布层数越多,钢管混凝土短柱的极限承载力越高。给出了避免内钢管先于外钢管屈曲破坏的内钢管最小壁厚计算式,并提出了 CFRP约束 CFDST 短柱的轴压极限承载力计算式,该计算式计算结果与试验结果吻合较好。关键词:钢管混凝土;短柱;碳纤维增强聚合物(CFRP);极限承载力中图分类号:TU375.3 文献标志码:A 文章编号:2096-6717(2023)04-0124-09Experimental research on axial
3、 compression performance of CFRP-confined concrete-filled double skin steel tube stub columnsLIAO Jing,TANG Hongyuan,YUE Zhaoyang,ZENG Yuejia,ZHOU Xiaojun(Institute of Structural Engineering,Xihua University,Chengdu 610039,P.R.China)Abstract:In this work,the axial compression tests of circular concr
4、ete-filled double skin steel tube(CFDST)stub columns and CFRP-confined CFDST(CFRP-CFDST)stub columns were carried out.The influences of concrete strength,the number of CFRP layers on the axial compression performance of CFRP-confined CFDST stub columns were investigated.The typical failure modes,the
5、 load-displacement curves and load-strain curves of CFDST stub columns and CFRP-confined CFDST stub columns were obtained.The test results show that the ultimate bearing capacity of CFRP-confined CFDST specimens is significantly improved compared with that of CFDST specimens.And the more layers of C
6、FRP,the higher the ultimate bearing capacity of CFST stub columns.Finally,the calculation formula of the minimum wall thickness of the inner steel tube to avoid the buckling failure of the inner steel tube prior to that of the outer steel tube is given.And a DOI:10.11835/j.issn.2096-6717.2021.109收稿日
7、期:20210310基金项目:教育部春晖计划合作项目(Z2016156)作者简介:廖静(1996-),女,主要从事结构工程研究,E-mail:。唐红元(通信作者),博士,教授,E-mail:。Received:20210310Foundation items:Chunhui Project of Ministry of Education(No.Z2016156)Author brief:LIAO Jing(1996-),main research interest:structural engineering,E-mail:.TANG Hongyuan(corresponding autho
8、r),PhD,professor,E-mail:.开放科学(资源服务)标识码OSID:calculation formula of the ultimate bearing capacity of CFRP-confined CFDST stub columns under axial compression is proposed.The prediction results of the presented calculation method agree well with the experimental results.Keywords:concrete-filled steel t
9、ube;stub columns;carbon fiber reinforced polymer(CFRP);ultimate bearing capacity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
10、,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
11、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 C
12、FRP 层数和混凝土强度对 CFRP-CFDST 短 柱 极 限 承 载 力 的 影 响,提 出 CFRP-CFDST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。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
13、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。然后将碳纤表 1试件测量数据Table 1The measured data of specimens注:Do为外钢管直径;to为外钢管厚度;Di为内钢管直径;ti为内钢管厚度;L为试件高度;fcu为混凝土立方体抗压强度。试件编号由 3部分组成,分别表示外钢管的公称直径、混凝土强度等级和 CFR
14、P层数。第 4 期廖静,等: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calculation formula of the ultimate bearing capacity of CFRP-confined CFDST stub columns under axial compression is proposed.The prediction results of the presented calculation method agree well with the experimental results.Keywords:concrete-filled steel tu
15、be;stub columns;carbon fiber reinforced polymer(CFRP);ultimate bearing capacity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,
16、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
17、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 CF
18、RP 层数和混凝土强度对 CFRP-CFDST 短 柱 极 限 承 载 力 的 影 响,提 出 CFRP-CFDST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。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
19、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。然后将碳纤表 1试件测量数据Table 1The measured data of specimens试件编号C12040-0C12040-2C12040-4C12060-0C12060-2C12060-4CFRP层数024024Doto121.33 mm4.43 mm121.27 mm4.33
20、mm121.42 mm4.36 mm121.25 mm4.37 mm121.30 mm4.25 mm121.47 mm4.23 mmDiti57.87 mm4.03 mm57.96 mm3.98 mm57.56 mm4.00 mm57.71 mm4.03 mm57.77 mm3.93 mm57.71 mm3.91 mmL/mm360360360360360360fcu/MPa50.250.250.266.566.566.5注:Do为外钢管直径;to为外钢管厚度;Di为内钢管直径;ti为内钢管厚度;L为试件高度;fcu为混凝土立方体抗压强度。试件编号由 3部分组成,分别表示外钢管的公称直径、混凝
21、土强度等级和 CFRP层数。125第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英 文)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。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 228.12010)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2.08 105 MPa;内钢管的屈服强度fyi为 430.0 MPa,抗 拉 强 度fui为 5
22、70.0 MPa,弹 性 模 量Ei为2.20 105 MPa。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cf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
23、 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
24、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。2试验结果及分析2.1试验观察结果2.1.1CFDST 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(a)CFDST应变片布置 (b)CFRP-CFDST应变片布置(c)应变片立面布置 (d)试验装置图(e)试验装置照片图 2应变片布置及试验装置Fig.2Strain gauge arrangement and experimental device(a)端部线切割(c)CFRP布粘贴(b)构件端部打磨
25、完成(d)外部应变片粘贴图 1试件制作过程Fig.1Making process of specimen126第 4 期廖静,等: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,
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