钢管混凝土是在钢管中填充混凝土的一种组合结构，具有承载力高，延性好，抗震性能优异，便于施工等优点，被广泛应用于高层建筑、工业厂房，桥梁结构和海上风电结构中。在钢管混凝土外部缠绕纤维增强复合材料(Fiber-Reinforced Plastics，FRP)，可以进一步提升柱的力学性能：FRP可延缓或限制钢管的局部屈曲，与钢管一同增强对核心混凝土的约束能力，改善柱的受力性能，有效避免厚壁钢管的使用，减轻结构自重[1]。此外，在海洋结构中，钢管腐蚀问题突出(图1)，在柱外部缠绕FRP，可有效解决其腐蚀问题[2－3]。FRP约束钢管混凝土柱在实际工程中具有广阔的应用前景。
图1 海洋结构中钢管的腐蚀问题
Fig.1 Corrosion of steel tube in marine structures
目前，国内外学者针对FRP柱开展了一系列试验研究与理论分析。对于其静力性能，研究结果表明：FRP能较好的抑制钢管的局部屈曲，提高钢管混凝土柱的轴压承载力和抗弯承载力，且随着碳纤维层数的增加，承载力和变形能力增大[1,4－16]。在扭矩作用下，环向缠绕FRP能在一定程度上提高钢管混凝土柱的抗扭承载力[17－18]。在压弯荷载下，受压区横向FRP对试件有明显的约束作用，延缓了受压区钢管的鼓曲；受拉区纵向FRP提高了试件的抗弯承载力，延缓了试件的弯曲变形[19]。同时，研究基于已有试验结果，提出了相应的构件承载力计算公式和应力-应变模型[20－22]。部分学者对FRP约束钢管混凝土柱在轴压或压弯荷载下的抗震性能进行了研究[1,23－28]。研究表明，采用FRP对钢管混凝土柱潜在塑性铰区域提供附加横向约束，可以有效延缓钢管的局部屈曲及疲劳断裂，减缓由此引起的核心混凝土约束不足问题[1,23]。环向FRP约束可以显著增强其抗震性能，但不能有效提高柱的抗弯承载力；纵向FRP约束可显著增强柱的抗弯承载力，但会严重破坏延性，不利于抗震性能提升。增大轴压比和纵向FRP增强系数均可提高试件的抗弯承载力，延缓试件的刚度退化，但会降低试件的累积耗能及延性。此外，研究提出了相应的承载力计算公式[24－26]。文献[27]通过有限元模型研究了CFRP的层数、轴压比和长细比等参数对CFRP-钢管混凝土压弯构件滞回性能的影响，指出轴压比影响最显著：并提出了恢复力模型。文献[28]研究提出了在往复荷载下的约束混凝土本构计算模型。
但目前已有文献中，缺乏对FRP约束钢管混凝土构件在压弯扭复杂荷载下的力学性能研究；而相关研究及工程实践表明：海洋结构构件的受力特点之一是同时承受风、浪、流等复杂荷载的作用，构件的受力状态非常复杂，很可能处于压弯扭复合受力状态。此外，地震作用下的建筑结构，曲线梁桥等也可能处于压弯扭复合受力状态[17－18,29]。因此，本文以CFRP层数和轴压比为参数开展了CFRP约束钢管混凝土柱在弯扭、压弯扭往复荷载下的力学性能研究，为CFRP约束钢管混凝土柱在弯扭、压弯扭往复荷载下的力学性能研究提供了理论依据。
1 试验概况
1.1 试件设计
本次试验共设计了6个试件，包括4个圆CFRP环向约束钢管混凝土柱和2个圆钢管混凝土柱，主要参数为CFRP层数和轴压比，单层CFRP厚度为0.167 mm，试件具体信息如表1和图2所示。对于CFRP环向约束钢管混凝土柱，所有试件均在柱高范围内缠绕2层CFRP，4层与6层试件仅在柱脚上300 mm范围内进行局部加厚。弯扭和压弯扭加载下扭臂为400 mm，对应弯扭比为2.56。为保证在扭转荷载下试件端部钢管内的混凝土能参与截面整体受力，在端板上焊接十字型抗剪件(图2(a))。
表1 试件参数
Table 1 Specimen details
注：试件命名规则：首字母C表示圆形截面，中间字母表示加载方式，BT为弯扭加载，CBT为压弯扭加载，末尾数字为CFRP层数。
试件编号 截面尺寸/mm 高度/mm CFRP层数 轴力值/kN C-BT-0 φ200×2.6 800 0 0 C-BT-2 φ200×2.6 800 2 0 C-CBT-0 φ200×2.6 800 0 500 C-CBT-2 φ200×2.6 800 2 500 C-CBT-4 φ200×2.6 800 4 500 C-CBT-6 φ200×2.6 800 6 500
图2 CFRP环向约束钢管混凝土试件尺寸
Fig.2 Dimension of a CFRP circumferentially confined CFST specimen
混凝土强度等级为C30，按标准试验程序测得边长为150 mm立方体试块抗压强度均值为37.9 MPa。
钢管强度等级为Q235，其实测屈服强度和极限强度如表2所示。
表2 钢管材性指标
Table 2 Properties of the steel tube
厚度/mm 屈服强度/MPa 极限强度/MPa 2.6 345.43 506.23
根据《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》(GB/T 3354―1999)[30]规定，制作图3所示材性试件，测得材性结果如表3所示。
图3 CFRP材性试验
Fig.3 CFRP material properties test
表3 CFRP材性试验结果
Table 3 Properties of CFRP
厚度/mm 抗拉强度/MPa抗拉弹性模量/MPa 极限应变/(%)0.167 2442.65 2.45×105 1.0
1.2 加载装置
如图4所示，试验加载装置由底座、加载梁、十字铰、水平作动器、二力杆、三角反力架、滑动小车、竖向千斤顶以及球形顶铰等部件组成。通过锚杆将试件底座固定于地面，并施加预拉力防止其发生滑移；此外，为防止试件滑动，在混凝土底座沿作动器方向两侧各采用两个千斤顶抵住试件。加载梁与试件上端板通过12.9级高强螺栓相连。水平作动器和二力杆的两端分别连接在反力墙和加载梁上，为了保证“压弯扭”加载时加载梁能够在竖直平面和水平面自由转动，在与加载梁连接的一端，采用十字铰连接；将三角反力架用锚杆固定于反力墙上，并施加预拉力防止发生竖向滑移。滑动小车固定在三角反力架上，竖向千斤顶固定在滑动小车上，可在三角反力架水平轴方向上自由滑动。
图4 加载装置示意图
Fig.4 Loading equipment
只有水平作动器作用时可以实现“弯扭”加载，如图5(a)所示；水平作动器和竖向千斤顶同时加载可以实现“压弯扭”加载(图5(b))。
图5 试件加载方式示意图
Fig.5 Loading modes of specimens
1.3 量测方案
施加弯扭荷载时，试件的量测方案如图6(a)所示，量测内容包括水平作动器加载点的集中力和位移、试件的柱顶水平位移；施加压弯扭荷载时，试件的量测方案如图6(b)所示，除弯扭荷载下需量测内容以外，还需测得竖向千斤顶的作用力。
图6 力-位移量测方案示意图
Fig.6 Force-displacement measurement scheme
1.4 加载制度
压弯扭加载时，选取典型工况，即按《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936―2014)计算轴压比为0.3时对应的轴压力500 kN为试验设计轴力值。竖向荷载加载时，先预加载至100 kN，随即卸载至0 kN，以消除试件的虚位移；然后将轴力加载至设计荷载值，并在试验全过程中保持轴力稳定，具体加载制度见图7(a)。水平荷载采用位移控制的加载方法，荷载加卸载的速度保持一致。预加载2次：随后，以一倍构件屈服位移Δy为级差，每个加载级循环两次，加载至下降段达到峰值荷载的85%后卸载至0，具体加载制度见图7(b)。
图7 加载制度
Fig.7 Loading process
2 试验现象及破坏模式
试验过程中，所有试件都显示出了较好的耗能能力，其破坏模式为弯型破坏。对于钢管混凝土试件，弯扭和压弯扭荷载下以试件底部钢管局部屈曲为破坏标志。试件的破坏部位见图8。
对于CFRP约束钢管混凝土试件，弯扭以及压弯扭荷载下试件的破坏过程为：加载初期CFRP胶裂——塑性铰区域钢管局部屈曲、CFRP形成环向裂纹——CFRP断裂——CFRP与钢管剥离——钢管严重局部屈曲，试件破坏。
图8 各试件破坏部位
Fig.8 Failure parts of each specimen
在压弯扭复合荷载作用下，随着厚度的增加(CFRP层数为6层时)，除柱脚弯矩最大处外，在距钢管约80 mm处钢管也发生了斜向鼓曲。这是因为随着CFRP层数的增加，附加约束增强，塑性铰区域的高度提高，能量耗散转移到刚度较小的区域，钢管发生局部鼓曲。但由于柱脚处弯矩更大，所以仍以柱脚处钢管屈曲为破坏标志。随着厚度的增加，CFRP与钢管剥离程度有所减轻。
轴力存在时，钢管的鼓曲方向与水平线夹角相较于弯扭加载时更小，破坏状态更接近于“象腿”式，同时CFRP发生层间撕裂的程度更严重。
3 试验结果分析
3.1 耗能能力分析
3.1.1 荷载-变形滞回曲线
试件在弯扭、压弯扭作用下的扭矩-扭转角滞回曲线如图9所示，位移为正表示正向加载，位移为负表示反向加载，可以看出：
弯扭作用下，钢管混凝土与CFRP约束钢管混凝土试件滞回曲线均出现了“捏缩”现象，且扭转角较大时钢管底部局部屈曲较为明显，出现了明显的强度退化现象。CFRP的附加约束对钢管混凝土的承载力、延性提高不明显。这是因为扭矩作用下，试件产生斜向的主拉应力，但由于CFRP单向受力的特点，其沿纵向的强度较小，被撕裂成多个破坏环，使得对钢管的整体约束被削弱。
图9 扭矩-扭转角滞回关系
Fig.9 Hysteretic relationship of torque-torsion angle
压弯扭作用下，钢管混凝土与CFRP约束钢管混凝土试件滞回曲线均比较饱满，具有较好的耗能能力。加载初期刚度均较大，当荷载到达峰值承载力后，均出现了强度退化现象，且强度退化速率较快。随着CFRP层数的增加，试件的耗能能力明显提高，这是在约束较弱时，钢管屈曲起控制作用，CFRP在屈曲部位被拉断；在约束较强时，CFRP约束钢管屈曲效果较好，CFRP沿纵向受到的拉力起控制作用，CFRP先被撕裂成多个圆环，最后再沿纵向被拉断，这个破坏过程相较于前者更漫长，延迟了试件破坏的时间，CFRP的强度和约束效应能更好的发挥，故耗能能力更好。但由于环向缠绕的CFRP其沿纵向的抗拉强度可以忽略，所以承载力提高不明显。此外，在到达极限承载力之后柱的滞回曲线出现了负刚度现象，因为混凝土在往复荷载下存在裂缝反复张开闭合的过程，在达到极限承载力的下降段，混凝土内部裂缝发展严重，塑性损伤程度较大，在卸载过程中，裂缝逐渐闭合，这个过程更加缓慢，而此时的弹性模量仍然较小。此外，在达到极限承载力后的下降段，钢管局部鼓曲变形程度很大，出现局部失稳，而鼓曲部位的碳纤维已断裂无法继续约束钢管的屈曲。
试件在弯扭、压弯扭作用下的弯矩-柱顶位移滞回曲线如图10所示，可以看出：
图10 弯矩-柱顶位移滞回关系
Fig.10 Hysteretic relationship of moment-displacement of column top
弯扭作用下，钢管混凝土与CFRP约束钢管混凝土试件滞回曲线均出现了“捏缩”现象和明显的强度退化。CFRP的附加约束对钢管混凝土的承载力、延性提高不明显，因为本试验中采用的弯扭比较大，且二阶效应明显，弯矩起主要作用，试件沿高度方向受拉。而CFRP是单向受力材料，只能在环向承受拉力发挥强度高的优势约束钢管，而沿纵向对试件的约束性能可以忽略。
压弯扭作用下，钢管混凝土与CFRP约束钢管混凝土试件滞回曲线均比较饱满，具有较好的耗能能力。加载初期刚度均较大。可以看到，随着CFRP层数的增加，试件的耗能能力明显提高，承载力略有提高。
3.1.2 滞回曲线特征参数
试件在弯扭、压弯扭作用下的扭矩-扭转角滞回曲线特征参数以及弯矩-柱顶位移特征参数(粘滞阻力系数及累计耗能)如图11~图12所示。
对比CFRP约束钢管混凝土试件与钢管混凝土试件可以看出，CFRP约束钢管混凝土与钢管混凝土试件的特征参数变化趋势大体相似。在相同位移下，CFRP约束钢管混凝土柱累计耗能均大于钢管混凝土柱，说明CFRP的附加约束能够在一定程度上增强试件的耗能能力，提高其抗震性能。且随着CFRP层数的增加，试件的总耗能(图13)提高明显。其中当CFRP层数为6层时提高幅度达到177.2%(抗扭)、176.4%(抗弯)。
图11 钢管混凝土与CFRP约束钢管混凝土构件滞回曲线特征参数对比
Fig.11 Comparison of characteristic parameters of hysteretic curves of CFST columns and CFRP confined CFST columns
图12 CFRP约束钢管混凝土柱弯扭、压弯扭滞回曲线特征参数对比
Fig.12 Comparison of characteristic parameters of hysteretic curves of CFRP confined CFST columns under bending-torsion and compression-bending-torsion load
图13 各试件的总耗能
Fig.13 Total energy consumption of each specimen
在压弯扭作用下，同一循环圈数和位移幅值的CFRP约束钢管混凝土试件的粘滞阻尼系数略低于钢管混凝土试件。这是因为：① 在加载初期，柱的塑性变形较小，CFRP约束作用并不明显。② CFRP附加约束在一定程度上提高了试件的抗扭、抗弯、抗压刚度，试件应变能也会增大。在同一位移幅值下，当滞回环面积相差不大时，试件的等效粘滞阻尼系数会略小。③ 轴力的存在加大了钢管的塑性变形。峰值荷载后，对于CFRP约束试件，变形耗能集中在未被CFRP约束的钢管鼓曲部分；而钢管混凝土试件受拉屈服与受压屈曲的变形范围更大，塑性耗能更大，整体耗散能量反而更好。④ 轴力的存在使得混凝土处于三向受压的状态，在同一位移幅值其膨胀变形也相对更小，塑性耗能更小。
随着CFRP层数增加，同一循环圈数和位移幅值下等效粘滞阻尼系数略有降低。因为随着厚度的增加，CFRP对钢管的约束作用增强，对试件的刚度退化延缓更好，试件的应变能也更大。
对比弯扭以及压弯扭作用下的CFRP约束钢管混凝土试件(图12)可以发现，随着滞回圈数的增加，试件滞回曲线的等效粘滞阻尼系数及耗散能量均有增长的趋势，压弯扭试件的增长幅度和速率均明显高于弯扭试件。且压弯扭试件滞回曲线上每个滞回圈的等效粘滞阻尼系数及耗散能量均大于弯扭试件，说明轴力的存在能增强试件的耗能能力。
3.2 刚度退化
试件的刚度退化如图14~图16所示，CFRP约束钢管混凝土与钢管混凝土试件刚度退化曲线在轮廓上大体相似，随着位移的增加退化明显。
图14 抗扭刚度退化比较
Fig.14 Comparison of torsional stiffness degradation
图15 抗弯刚度退化比较
Fig.15 Comparison of bending stiffness degradation
图16 弯扭、压弯扭荷载下CFRP约束钢管混凝土试件刚度退化比较
Fig.16 Comparison of stiffness degradation of CFRP confined CFST specimens under bending-torsion and compression-bending-torsion load
在弯扭荷载下，CFRP约束钢管混凝土与钢管混凝土试件的刚度退化速度十分接近。在压弯扭荷载下，随着加载位移的增加，钢管混凝土试件刚度退化速度比约束试件更大。轴力的存在会加快试件的刚度退化。
随着CFRP层数的增加，试件刚度退化的速度略有减缓。说明CFRP附加约束有效阻止了钢管的变形，提高了对核心混凝土的约束，限制了裂缝的发展，能更有效的发挥其延性性能。CFRP约束钢管混凝土试件初始刚度较小是可能源于试验的离散性。
3.3 荷载-变形骨架曲线
试件的扭矩-扭转角骨架曲线如所示，弯矩-柱顶位移骨架曲线如图17所示，不同荷载作用下CFRP约束钢管混凝土试件的骨架曲线如图18所示。从试件的骨架曲线中提取出试件的关键受力特征点数据，试件的屈服点根据图解法[31]确定，极限转角(位移)定义为荷载下降至峰值荷载的85%对应的转角(位移)或加载过程中达到的最大转角(位移)[24]。
图17 钢管混凝土柱与CFRP约束钢管混凝土柱扭矩-扭转角骨架曲线对比
Fig.17 Comparison of torque-torsion angle skeleton curves of CSFT column and CFRP confined CFST column
图18 钢管混凝土柱与CFRP约束钢管混凝土柱弯矩-柱顶位移骨架曲线对比
Fig.18 Comparison of skeleton curves of moment-displacement of column top of CSFT column and CFRP confined CFST column
从图17~图18可以看出，CFRP的附加约束对钢管混凝土在弹性阶段贡献有限，对其在弹塑性阶段的受力情况影响较大。
CFRP约束钢管混凝土试件屈服位移(转角)平均值以及极限位移(转角)均大于钢管混凝土试件，说明CFRP对钢管混凝土有一定的约束作用，能够有效提高钢管混凝土的延性。但其对混凝土试件的峰值弯矩(扭矩)提高程度较小。
在压弯扭复合荷载下，随着CFRP层数的增加，试件的屈服位移、极限位移以及极限承载力都有所增加，说明增加CFRP厚度能够更有效的约束钢管的局部屈曲，提高对核心混凝土的约束，增强试件的抗震性能。
对比不同荷载作用下CFRP约束钢管混凝土试件的骨架曲线(图19)可以看出，轴压力有对试件的抗扭和抗弯承载力有明显提高作用，在500 kN轴压力的作用下，试件的抗扭承载力提高21.5%，抗弯承载力提高52.2%。轴力对抗扭刚度、抗弯刚度有有利影响，压弯扭试件的抗扭和抗弯刚度均明显高于弯扭试件；但对对抗扭和抗弯延性没有提升作用。
图19 CFRP约束钢管混凝土柱弯扭、压弯扭下骨架曲线对比
Fig.19 Comparison of skeleton curves of CFRP confined CFST column under bending-torsion and compression-bending-torsion load
4 结论
本文开展了4个CFRP环向约束钢管混凝土柱以及2个钢管混凝土柱在弯扭以及压弯扭两种荷载工况下的拟静力试验，并对比分析了不同荷载工况和CFRP的层数对柱受力性能的影响，可以得出以下结论：
(1)弯扭荷载下，CFRP环向约束钢管混凝土柱的滞回曲线出现了“捏缩”现象。压弯扭荷载下，CFRP环向约束钢管混凝土柱的滞回曲线较为饱满，柱具有较好的耗能能力，此外，轴力的存在能明显提高柱的抗扭承载力和抗弯承载力、抗扭刚度和抗弯刚度，但对延性没有提升作用。
(2)弯扭荷载下，CFRP环向约束对钢管混凝土柱的延性以及承载力提高不明显。压弯扭荷载下，CFRP环向约束能有效提高钢管混凝土柱的延性，但对承载力提高程度不明显。
(3)CFRP的附加约束在一定程度上能增强钢管混凝土柱在弯扭以及压弯扭往复荷载下的耗能能力。
(4)CFRP层数越多，CFRP环向约束钢管混凝土柱的屈服位移和极限位移越大，极限承载力越高，表明增加CFRP层数能有效的约束钢管局部屈曲，提高核心混凝土的约束，增强柱的耗能性能。
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