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CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究

王东锋, 邵永波, 欧佳灵

王东锋, 邵永波, 欧佳灵. CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究[J]. 工程力学, 2021, 38(10): 188-199. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0732
引用本文: 王东锋, 邵永波, 欧佳灵. CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究[J]. 工程力学, 2021, 38(10): 188-199. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0732
WANG Dong-feng, SHAO Yong-bo, OU Jia-ling. EXPERIMENTAL STUDY ON AXIAL COMPRESSIVE CAPACITY OF CORRODED CONCRETE FILLED CIRCULAR CFRP-STEEL TUBE STUBS[J]. Engineering Mechanics, 2021, 38(10): 188-199. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0732
Citation: WANG Dong-feng, SHAO Yong-bo, OU Jia-ling. EXPERIMENTAL STUDY ON AXIAL COMPRESSIVE CAPACITY OF CORRODED CONCRETE FILLED CIRCULAR CFRP-STEEL TUBE STUBS[J]. Engineering Mechanics, 2021, 38(10): 188-199. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.10.0732

CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究

基金项目: 工程结构安全评估与防灾技术四川省青年科技创新研究团队项目(2019JDTD0017);国家自然科学基金面上项目(52078441)
详细信息
    作者简介:

    王东锋(1994−),男,河南驻马店人,硕士生,主要从事结构防护加固方面的研究(E-mail: Learnner@126.com)

    欧佳灵(1996−),男,四川广安人,博士生,主要从事机械工程方面的研究(E-mail: jialingou@126.com)

    通讯作者:

    邵永波(1973−),男,山东烟台人,教授,博士,博导,主要从事海洋工程结构方面的研究(E-mail: ybshao@swpu.edu.cn)

  • 中图分类号: TU375.3

EXPERIMENTAL STUDY ON AXIAL COMPRESSIVE CAPACITY OF CORRODED CONCRETE FILLED CIRCULAR CFRP-STEEL TUBE STUBS

  • 摘要: 对不含腐蚀圆钢管混凝土(T4.5-CFST)短柱、含腐蚀缺陷圆钢管混凝土(C-CCFST)短柱以及碳纤维增强复合材料(CFRP)加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土(CFRP-C-CCFST)短柱的轴压承载力进行了试验研究。用材料去除的方式模拟腐蚀缺陷。共完成19个试件的轴压承载力试验,包括:T4.5-CFST短柱1个、C-CCFST短柱8个以及CFRP-C-CCFST短柱10个。试验结果表明:在试验参数范围内,相对于T4.5-CFST试件,C-CCFST试件极限承载力下降范围为3.0%~22.9%;相对于C-CCFST试件,CFRP-C-CCFST试件极限承载力提升范围为26.8%~49.8%。相比C-CCFST试件,由于外部CFRP的约束作用,CFRP-C-CCFST试件具有更大的轴压刚度和极限承载力,极限承载力均高于T4.5-CFST试件,表明CFRP加固试件具有更好的力学性能。CFRP加固能够有效地抑制腐蚀缺陷区域钢管的局部屈曲。此外,进一步对CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱极限承载力进行了理论研究,并采用试验结果验证其准确性。
    Abstract: The axial compressive capacities of non-corroded concrete filled circular steel tube (T4.5-CFST) stubs, corroded concrete filled circular steel tube (C-CCFST) stubs, and CFRP-corroded concrete filled circular steel tube (CFRP-C-CCFST) stubs were studied experimentally. The corrosion defects were simulated by material removal. A total of 19 specimens were tested, including one T4.5-CFST stub, eight C-CCFST stubs, and ten CFRP-C-CCFST stubs. Within the ranges of the test parameters, the test results show that the ultimate strengths of the C-CCFST specimens were lower than those of the T4.5-CFST specimen by 3.0% to 22.9%. The ultimate strengths of the CFRP-C-CCFST specimens were increased by 26.8% to 49.8% as compared with those of the C-CCFST specimens. Compared with the C-CCFST specimens, the CFRP-C-CCFST specimens had greater axial compressive stiffness and ultimate strengths due to the confinement effect of the CFRP. The ultimate strengths of the CFRP-C-CCFST specimens were higher than that of the T4.5-CFST specimen, indicating that the specimens strengthened by CFRP have better mechanical performance. The local buckling of the steel tubes with corrosion defects was effectively restrained by the CFRP. In addition, the ultimate strengths of the CFRP-corroded concrete filled circular steel tube stubs were studied theoretically. The accuracy was verified by the experimental results.
  • 钢管混凝土(Concrete filled steel tube,CFST)构件是由中空钢管填充混凝土而制成的构件[1]。钢管混凝土构件承受轴压荷载时,由于外围钢管的约束作用,使核心混凝土处于三向受压状态,显著提高了混凝土的抗压强度。核心混凝土的存在能有效抑制空钢管的变形,防止钢管轴压作用下失稳。钢管和混凝土协同作用,使得钢管混凝土构件具有优异的力学性能。

    钢管混凝土构件服役过程中,不可避免的会受到环境腐蚀的影响。许多学者对含腐蚀缺陷钢管混凝土进行了试验[2-8]、理论[9-11]、数值[12-13]研究,研究了包括截面形状、加载方式、腐蚀类型等参数对钢管混凝土构件力学性能的影响。Han等[14]对持续荷载和氯离子腐蚀两种情况下的方钢管混凝土进行了试验研究,分析了长期荷载和腐蚀对钢管混凝土构件性能的影响。花幼星等[15]建立了钢管混凝土在长期轴拉荷载与氯离子腐蚀共同作用下的力学性能有限元模型。王庆利等[16]对长期荷载-氯盐腐蚀耦合作用下圆钢管混凝土轴压短柱进行了试验研究,试验表明腐蚀率对钢管混凝土构件的承载力有显著影响。以往的研究多数是针对钢管混凝土构件的整体腐蚀,而实际工程中,钢管混凝土长期处于潮湿、酸雨或海洋等复杂环境中,容易产生局部的腐蚀缺陷。腐蚀缺陷的存在导致钢管的有效横截面面积减小,使得钢管混凝土中钢管及核心混凝土承载力均有所下降,进而影响结构安全性和耐久性[17]。为解决钢管混凝土构件承载力不足的问题,有学者提出用碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)加固钢管混凝土构件。近年来,已有许多围绕CFRP加固钢管混凝土构件的试验[18-24]、理论[25-26]和有限元[27-29]研究,研究了钢管厚度、CFRP层数、混凝土强度及截面形状等参数对CFRP加固钢管混凝土构件力学性能的影响。对于CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱的轴压承载力研究却鲜有涉及。分析腐蚀缺陷对圆钢管混凝土柱的轴压承载力影响规律,研究CFRP对腐蚀缺陷钢管混凝土柱的加固效果,对评估及保障结构安全具有重要的指导意义和工程实用价值。

    本文分别对不含腐蚀圆钢管混凝土短柱、含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱以及CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱的轴压承载力进行试验研究。对比研究不同腐蚀长度、腐蚀深度和腐蚀角度对圆钢管混凝土短柱轴压承载力的影响规律,以及CFRP加固对含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱的力学性能影响。

    试验共设计19个试件,包括1个不含腐蚀圆钢管混凝土(T4.5-CFST)试件、8个含腐蚀缺陷圆钢管混凝土(C-CCFST)试件和10个CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土(CFRP-C-CCFST)试件。试件核心混凝土采用同批次人工搅拌混凝土浇筑制成,所用钢管为热轧无缝钢管,长度l=399 mm,外径d=133 mm,厚度t=4.5 mm。为模拟试件腐蚀缺陷,采用铣削加工方式对钢管外表面进行材料去除,如图1所示。值得说明的是机械加工产生的腐蚀并不完全符合实际自然腐蚀的情况,考虑到自然腐蚀的随机性及复杂性,难以通过试验的方式对其进行参数化研究,故本试验采用材料去除的方式模拟腐蚀缺陷,以此方式[30-31]模拟腐蚀缺陷被认为是可行的。为防止腐蚀缺陷处因应力集中对CFRP造成损伤,试件加工过程中对钢管壁厚突变处进行倒角处理。在实际工程中,建议对凹凸不平的腐蚀表面进行平整及钝化处理之后再涂抹粘接剂,从而形成相对光滑的接触表面,以防止纤维因应力集中导致断裂,降低加固效果。

    图  1  C-CCFST试件 /mm
    Figure  1.  C-CCFST Specimens

    圆钢管混凝土短柱腐蚀尺寸主要考虑三个影响因素,分别为腐蚀长度CL、腐蚀深度CD和腐蚀角度CA。腐蚀长度包括:140 mm、160 mm及180 mm。腐蚀深度包括:1 mm、2 mm及3 mm。腐蚀角度包括90°、150°、210°及360°。除上述腐蚀尺寸参数外,还考虑了CFRP层数对CFRP-C-CCFST试件的影响,CFRP层数n包括:2层、3层及4层。未使用CFRP加固的C-CCFST试件,CFRP层数即为0层。试件命名规则如下:1)字母“T”表示钢管的厚度,其后数字为钢管的厚度值;2)“CFST”表示不含腐蚀钢管混凝土试件;3)字母“L”、“D”、“A”分别表示腐蚀长度、腐蚀深度和腐蚀角度;4)字母后面的数字表示对应的腐蚀参数值;5)最后一个数字表示碳纤维布层数。试件基本参数如表1所示。

    表  1  试件参数
    Table  1.  Parameters of specimens
    试件编号CL/mmCD/mmCA/(°)nNu/kNRd/(%)Re/(%)Nl'/kNNl'/NuNl/kNNl/Nu
    T4.5-CFST 0 0 0 0 1638
    T4.5-L140-D2-A150-0 140 2 150 0 1554 5.1
    T4.5-L140-D2-A150-3 140 2 150 3 2005 29.0 2079 1.04 1975 0.99
    T4.5-L160-D1-A150-0 160 1 150 0 1589 3.0
    T4.5-L160-D1-A150-3 160 1 150 3 2153 35.5 2300 1.07 2185 1.01
    T4.5-L160-D2-A90-0 160 2 90 0 1547 5.6
    T4.5-L160-D2-A90-3 160 2 90 3 2098 35.6 2113 1.01 2007 0.96
    T4.5-L160-D2-A150-0 160 2 150 0 1440 12.1
    T4.5-L160-D2-A150-2 160 2 150 2 1826 26.8 1798 0.98 1708 0.94
    T4.5-L160-D2-A150-3 160 2 150 3 2014 39.9 2079 1.03 1975 0.98
    T4.5-L160-D2-A150-4 160 2 150 4 2070 43.8 2360 1.14 2242 1.08
    T4.5-L160-D2-A210-0 160 2 210 0 1508 −7.9
    T4.5-L160-D2-A210-3 160 2 210 3 2048 35.8 2049 1.00 1947 0.95
    T4.5-L160-D2-A360-0 160 2 360 0 1263 22.9
    T4.5-L160-D2-A360-3 160 2 360 3 1892 49.8 2000 1.06 1900 1.00
    T4.5-L160-D3-A150-0 160 3 150 0 1307 20.2
    T4.5-L160-D3-A150-3 160 3 150 3 1824 39.6 1899 1.04 1804 0.99
    T4.5-L180-D2-A150-0 180 2 150 0 1481 9.6
    T4.5-L180-D2-A150-3 180 2 150 3 2027 36.9 2079 1.03 1975 0.97
    均值 1.04 0.99
    方差 0.044 0.041
    注:CL为腐蚀长度;CD为腐蚀深度;CA为腐蚀角度;n为CFRP层数;Nu为极限承载力试验值;Rd为退化率;Re为提高率;Nl'为式(4)计算值;Nl'/Nu为式(4)计算值比极限承载力试验值;Nl为式(5)计算值;Nl/Nu为式(5)计算值比极限承载力试验值。
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    钢管材料力学属性根据《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》(GB/T 228.1−2010)[32]进行拉伸试验获得,测得应力-应变曲线如图2所示。钢管材料力学属性试验获得数据如表2所示,表2Esfyfuμs以及ε分别代表钢材的弹性模量、屈服强度、极限抗拉强度、泊松比以及延伸率。CFRP材料拉伸试件依据《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》(GB/T 3354−2014)[33]制作,尺寸为230 mm×12.5 mm×1.336 mm,其中8层CFRP片材总厚度为1.336 mm。采用万能试验机进行拉伸试验,引伸计测量拉伸试件的应变,拉伸速率为2 mm/min,测得应力-应变曲线如图3所示,5个CFRP拉伸试件试验确定的CFRP材料参数见表3表3EcffcfδcfWcf以及tcf分别代表CFRP的弹性模量、极限抗拉强度、延伸率、单位面积质量以及厚度。核心混凝土材料属性采用与试件制作时浇筑并且同一条件下养护成型的150 mm×150 mm×150 mm立方体试块,依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081−2002)[34]进行试验,测得混凝土平均立方抗压强度为50.6 MPa。

    图  2  钢材应力-应变曲线
    Figure  2.  Stress-strain curves of steel
    表  2  钢管材料属性
    Table  2.  Material properties of steel tube
    尺寸/mm弹性模量
    Es/MPa
    屈服强度
    fy /MPa
    极限抗拉强度
    fu /MPa
    泊松比
    μs
    延伸率
    ε/(%)
    ϕ133×4.51920004315750.2832.9
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    图  3  CFRP应力-应变曲线
    Figure  3.  Stress-strain curves of CFRP
    表  3  CFRP材料参数
    Table  3.  Material properties of CFRP
    型号弹性模量
    Ecf/MPa
    极限抗拉强度
    fcf/MPa
    延伸率
    δcf
    单位面积质量
    Wcf/(g/m2)
    厚度
    tcf/mm
    T300-12K18100025491.413060.167
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    试验轴压加载装置为WDYS-5000B微机控制电液伺服万能试验机,最大加载荷载为5000 kN,加载装置见图4。钢管和CFRP表面进行测点布置,应变片位置如图5所示,其中点1、点3和点5处粘贴纵向和环向应变片,点2和点4粘贴纵向应变片。试件上端板布置位移计用以测量试件的轴向位移,通过数据采集系统自动采集试验荷载、应变和位移数据信息。试验开始前,采用有限元分析软件对试件极限承载力做出预估。试验采用分级加载的方式进行。加载前,先对试件进行循环预加载,采用位移控制使试件上端板与试验机上承板接触,切换荷载控制缓慢加载至荷载大小为试件预估极限承载力的10%,停止加载,缓慢卸载为零,循环此过程,直至试件不再偏压;正式加载时,在试件弹性阶段采用荷载控制方式加载,保持每2 min加载预估极限承载力的1/10;当荷载达到预估极限承载力的60%时,将每次加载荷载减小到预估极限承载力的1/20;当荷载达到预估极限承载力的80%时,将加载方式调整为位移控制,保持2 mm/min的速率加载至试件轴向位移为10 mm时停止试验。

    图  4  加载方案
    Figure  4.  Loading scheme
    图  5  测点位置
    Figure  5.  Distribution of measuring points

    图6给出了T4.5-CFST试件和C-CCFST试件轴压承载力试验典型失效模式。图6(a)为T4.5-CFST试件失效模式。加载初期,试件外观无明显变化。进一步持续加载,轴向变形快速增长而荷载保持稳定,试件表面出现鼓曲,并逐渐发展,试件呈腰鼓形,为外部钢管屈服失效。图6(b)图6(c)均为C-CCFST试件最终失效模式。C-CCFST试件加载初期,外观无明显变化。当荷载达到极限承载力附近时,试件腐蚀缺陷区域两端首先出现局部屈曲。达到极限承载力后,轴向变形快速增长而荷载持续下降,下降至平稳以后停止加载。观察各试件表面,发现腐蚀深度为2 mm,腐蚀角度为150°,腐蚀长度分别为140 mm、160 mm和180 mm的试件均发生局部屈曲,局部屈曲程度较为接近。相比T4.5-L160-D2-A150-0试件,腐蚀深度为1 mm的T4.5-L160-D1-A150-0试件以及腐蚀角度为90°的T4.5-L160-D2-A90-0试件并未出现明显的局部屈曲现象,如图6(b)所示。图6表明:未加固含腐蚀缺陷试件与不含腐蚀试件失效模式存在明显差异,腐蚀缺陷的存在可能导致圆钢管混凝土试件的失效模式发生改变。腐蚀深度为3 mm的T4.5-L160-D3-A150-0试件以及腐蚀角度为360°的T4.5-L160-D2-A360-0试件,局部屈曲现象最为显著。这表明腐蚀缺陷区域局部屈曲的程度可能与约束作用减小程度有关。

    图  6  T4.5-CFST试件和C-CCFST试件失效模式
    Figure  6.  Failure modes of T4.5-CFST specimen and C-CCFST specimens

    图7所示为CFRP-C-CCFST试件轴压承载力试验的失效模式。加载初期,试件外观变形不明显。随着荷载增大,偶尔听到“噼啪”清脆胶裂声,荷载继续增大,胶裂的声音基本消失。随后试件达到极限承载力,大量CFRP瞬间断裂,轴向变形急剧增加,并伴随巨大响声,此时认为试件失效,失效模式为CFRP断裂。持续加载,直至试件轴向发生过大变形,停止试验。观察试件表面,发现所有试件中部腐蚀缺陷区域CFRP断裂,断裂后的CFRP基本呈块状或条状,并且与钢管脱开,露出钢管表面。除试件T4.5-L180-D2-A150-3、T4.5-L160-D2-A150-3以及T4.5-L160-D2-A360-3之外,其余试件均未出现局部屈曲,表明CFRP加固能够有效抑制腐蚀区域钢管的局部屈曲。

    图  7  CFRP-C-CCFST试件失效模式
    Figure  7.  Failure modes of CFRP-C-CCFST specimens

    图8给出了各试件的荷载-轴向位移曲线。图8(a)为T4.5-CFST试件的荷载-轴向位移曲线,加载初期,荷载随轴向位移变化线性增加,为弹性阶段。随着轴向位移的增加,曲线呈现出非线性响应,进入弹塑性阶段。经过短暂弹塑性阶段后进入塑性阶段,位移增长速率明显加快,荷载基本保持稳定。图8(b)~图8(i)为C-CCFST试件和CFRP-C-CCFST试件的荷载-轴向位移曲线。对于C-CCFST试件,加载初期,荷载-轴向位移曲线基本呈线性发展,达到极限承载力以后,荷载略微下降,最终进入塑性阶段,荷载保持稳定。图8中的荷载-轴向位移曲线表明:C-CCFST试件的极限承载力均低于T4.5-CFST试件的极限承载力。原因是当外部钢管产生腐蚀缺陷后,钢管有效横截面面积减小,导致钢管混凝土构件中钢管部分所能承受的荷载减小,并且削弱外部钢管对核心混凝土的约束作用,降低构件的极限承载力。采用CFRP进行加固的CFRP-C-CCFST试件加载至弹塑性阶段后与C-CCFST试件和T4.5-CFST试件的荷载位移曲线有所不同。进一步持续加载,荷载随轴向位移再次呈现线性关系,表明CFRP开始发挥约束作用,试件达到极限承载力后,荷载急剧下降,腐蚀缺陷处CFRP断裂,CFRP-C-CCFST试件失效。图8表明:相比C-CCFST试件,CFRP-C-CCFST试件在弹性阶段具有更大的轴压刚度。此外,如图8(b)所示,轴压刚度随着CFRP层数的增加而增大。采用CFRP进行加固的CFRP-C-CCFST试件与C-CCFST试件极限承载力相比表现出显著的提升作用,这是由于钢管屈服后随着轴向持续加载,CFRP仍能够为核心混凝土提供约束,且CFRP限制了腐蚀区域钢管局部向外屈曲。值得注意的是,采用2层~4层CFRP加固后的含腐蚀缺陷试件极限承载力均高于未腐蚀试件(T4.5-CFST)极限承载力,表明CFRP具有良好的加固效果。

    图  8  试件荷载-轴向位移曲线
    Figure  8.  Load versus axial displacement curves of specimens

    表1给出了所有试件的极限承载力试验值Nu、C-CCFST试件的极限承载力退化率Rd及CFRP-C-CCFST试件的极限承载力提高率Re。极限承载力退化率是指C-CCFST试件极限承载力相对于T4.5-CFST试件极限承载力的折减百分比,极限承载力提高率是指CFRP-C-CCFST试件极限承载力相对于C-CCFST试件极限承载力的提高百分比。图9所示为含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件的极限承载力与腐蚀参数之间的关系。

    图  9  极限承载力-腐蚀参数
    Figure  9.  Parametric analysis of ultimate strengths

    图9(a)为腐蚀深度为2 mm,腐蚀角度为150°时,C-CCFST及CFRP-C-CCFST试件极限承载力与腐蚀长度之间的关系。对比不含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件,C-CCFST极限承载力分别退化5.1%、12.1%和9.6%。对比发现,随着腐蚀长度的增加,含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件的极限承载力并没有显著降低。相反,腐蚀长度为180 mm的T4.5-L180-D2-A150-0试件极限承载力比腐蚀长度为160 mm的T4.5-L160-D2-A150-0试件极限承载力有所提高。这是由于失效总是在薄弱横截面发生,而不同腐蚀长度的试件横截面仍然一致,这导致试件极限承载力对腐蚀长度变化并不敏感。采用3层CFRP分别对腐蚀长度分别为140 mm、160 mm和180 mm的C-CCFST试件进行加固,加固后极限承载力提高率分别为:29.0%、39.9%和36.9%。

    图9(b)为腐蚀长度为160 mm,腐蚀角度为150°时,C-CCFST试件及CFRP-C-CCFST试件极限承载力与腐蚀深度之间的关系。与不含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件进行对比,腐蚀深度为1 mm、2 mm和3 mm的C-CCFST试件的极限承载力分别退化3.0%、12.1%和20.2%。随着腐蚀深度的增加,C-CCFST试件的极限承载力基本呈线性下降趋势,表明腐蚀深度对圆钢管混凝土的极限承载力具有显著影响。采用3层CFRP对腐蚀深度为1 mm、2 mm和3 mm的C-CCFST试件进行加固,加固后极限承载力提高率分别为:35.5%、39.9%和39.6%。

    图9(c)为腐蚀长度为160 mm,腐蚀深度为2 mm时,C-CCFST试件及CFRP-C-CCFST试件极限承载力与腐蚀角度之间的关系。对比不含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件,极限承载力分别退化5.6%、12.1%、7.9%和22.9%。相对于C-CCFST试件,采用3层CFRP加固的CFRP-C-CCFST试件极限承载力提升率分别为:35.6%、39.9%、35.8%和49.8%。值得注意的是,从图9(c)可以看出,随着腐蚀角度的增加极限承载力整体呈下降趋势,相对于腐蚀角度为150°的试件,腐蚀角度为210°的试件极限承载力出现略微上升,原因可能是由于试验误差所导致。

    试件极限承载力与加固CFRP层数的关系如图9(d)所示。为考虑CFRP层数对试件极限承载力的影响,试验方案分别采用2层、3层和4层CFRP对腐蚀长度为160 mm,腐蚀深度为2 mm,腐蚀角度为150°的试件进行加固。图9(d)中表明:2层~4层CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件的极限承载力随着CFRP层数的增加而增大。原因是CFRP层数增加能够增强极限承载力状态下CFRP对核心混凝土的约束作用。

    通过对含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件的不同腐蚀参数进行试验研究表明:腐蚀深度和腐蚀角度对圆钢管混凝土试件的极限承载力影响较大,腐蚀长度的影响相对较小。采用CFRP加固,能够显著提升含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件极限承载力,且在当前参数范围内CFRP加固层数越多,极限承载力越大。

    部分试件荷载-应变曲线关系如图10所示。图10εslεst分别表示钢管表面纵向应变与钢管表面环向应变,εy为钢管屈服应变。

    图  10  钢管表面荷载-应变曲线
    Figure  10.  Load versus strain curves of surface of steel tube

    图10(a)可以看出,试件T4.5-CFST在轴压过程中点1处和点3处的纵向和环向应变基本重合。当纵向和环向应变达到屈服应变值时,试件荷载达到极限承载力。对于C-CCFST试件,图10(b)可知,试件T4.5-L160-D2-A150-0点3处钢管纵向应变与环向应变在极限承载力前已达到钢管屈服应变值,而点1处的钢管纵向与环向应变则是在极限承载力后才达到钢管屈服应变值。相较于试件T4.5-CFST,试件T4.5-L160-D2-A150-0的腐蚀缺陷区域在轴压过程中过早屈服。从图10(b)可以发现,加载初期,点1处出现纵向拉应变,环向压应变,原因可能是端板焊接不平。

    对于CFRP-C-CCFST试件,从图10(c)~图10(d)可以看出,点1处纵向应变在试件极限承载力之前均达到屈服应变值,而环向应变在试件达到极限承载力时达到屈服应变值。点3处纵向和环向应变均在试件极限承载力之前达到屈服应变值。采用2层及3层CFRP分别加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件,在达到钢管纵向和环向屈服应变值时,T4.5-L160-D2-A150-2和T4.5-L160-D2-A150-3试件承受荷载均高于未加固含腐蚀缺陷试件T4.5-L160-D2-A150-0,由于CFRP的存在,点1处纵向应变峰值点出现在屈服应变值之后,表明钢管屈服后CFRP仍能够对试件起约束作用。

    对于T4.5-L160-D1-A150-3和T4.5-L160-D3-A150-3试件点1处和点3处钢管表面和CFRP表面的荷载-应变曲线如图11所示。εcflεcft分别表示CFRP表面的纵向和环向应变。由图11可知,试验过程中,点1处和点3处CFRP与钢管应变基本重合,表明CFRP与钢管具有良好的协同变形能力。

    图  11  钢管和CFRP表面荷载-应变曲线
    Figure  11.  Load versus strain curves of surface of steel tube and CFRP

    为计算CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱轴压极限承载力,参考文献[25]中的理论分析方法,在其原有理论假定基础上,对调整后的理论公式增添如下假定:1)腐蚀缺陷处钢管满足Von Mises屈服准则,并且完成应力重分布后,其余钢管部分应力状态不再改变;2)忽略钢管腐蚀缺陷对混凝土造成的约束应力分布不均的影响;3)忽略腐蚀长度对构件极限承载力的影响;其余假定参考文献[25]。

    根据腐蚀横截面环向应力平衡:

    (σφ)ρ=r=1β(σφs)ρ=r (1)

    式中:σφ为腐蚀处钢管环向应力;σφs为未腐蚀处钢管环向应力;β=CDt为腐蚀深度比;ρ为径向坐标;r为钢管内半径。

    将式(1)代入文献[25]中的等式(15)中得到:

    (σφ)ρ=r=CβσbDβσzs (2)

    式中:σb为混凝土所承受的约束应力;σzs为钢管的轴向应力;C=η2AR2ζD=2BR2ζ

    A=2tr2nEcEs[Rζ+tη(nEc/Es)tμsζ(nEc/Es)],
    B=tμsζnEcEs[Rζ+tη(nEc/Es)tμsζ(nEc/Es)],
    η=R2+r2,ζ=R2r2

    式中:R为钢管外半径;Ec为混凝土的弹性模量;n为CFRP层数。

    腐蚀后钢管截面面积As表示为:

    As=π[ζR2+(RCD)2] (3)

    调整参考文献[25]中极限承载力计算公式,可得CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱极限承载力的理论计算公式:

    Nl=Ab[0.4f7/6cu+Kr(rfyQRAfyQ+RBNs,yAs+ntcffcf)]+Ns,y (4)

    式中:Ab为混凝土横截面积;K为侧压系数,此处取值为3.4;令式(2)中C=CβD=Dβ,其余参数如下:

    Ns,y=πζ1Mf2y+N2f2y4M2QPf2yMQ+πζNfy2MQ;
    Q=π2ζ2(N24M2PM)2M(KAb+πζN2M)2(N24MP),
    M=1+D+D2,N=1DC2DC,P=1+C+C2

    理论公式(4)计算结果Nl及其与试验值Nu比较列于表1中,从结果对比中可以发现,理论值基本比试验值略微偏高,这可能是由于理论计算采用的是CFRP材料拉伸试验所得的强度值,未考虑腐蚀缺陷对CFRP强度的影响。已有研究[19, 27]表明:曲率变化会导致CFRP抗拉强度低于材料拉伸试验强度值,故考虑安全情况下,为实现保守预测,在理论承载力计算公式中增添一个安全系数ξ,取值为0.95。CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱轴压承载力计算公式的最终形式如下:

    Nl=Abξ[0.4f7/6cu+Kr(rfyQRAfyQ+RBNs,yAs+ntcffcf)]+ξNs,y (5)

    极限承载力计算值Nl列于表1中,可以发现,在添加安全系数前Nl'/Nu的均值为1.04,方差为0.044;添加安全系数后Nl/Nu的均值为0.99,方差为0.041。说明式(5)计算结果与试验结果吻合良好,且相对保守。

    对不含腐蚀圆钢管混凝土短柱、含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱和CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱进行轴压承载力试验。从失效模式、荷载-轴向位移曲线、极限承载力以及荷载-应变曲线四个方面对圆钢管混凝土短柱的力学性能进行了分析。在已有研究基础上,推导得到CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱极限承载力计算公式。得出以下结论:

    (1) 不含腐蚀圆钢管混凝土试件为外部钢管屈服失效。含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件T4.5-L160-D1-A150-0及试件T4.5-L160-D2-A90-0,并未出现明显的局部屈曲现象,其余试件均在腐蚀区域出现钢管局部屈曲。CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件失效模式为腐蚀缺陷区域CFRP断裂。CFRP加固能够有效抑制腐蚀区域钢管局部屈曲。

    (2) 相对于不含腐蚀圆钢管混凝土试件,含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件极限承载力下降范围为3.0%~22.9%;相对于含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件,采用CFRP进行加固的含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件极限承载力提升范围为26.8%~49.8%。在当前参数范围内,随着CFRP层数的增加,CFRP-C-CCFST试件的轴压刚度及极限承载力不断增大。

    (3) 通过含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件的不同腐蚀参数进行试验研究表明:腐蚀深度和腐蚀角度对圆钢管混凝土的极限承载力影响较大,腐蚀长度的影响相对较小。

    (4) 对采用CFRP进行加固的含腐蚀缺陷圆钢管混凝土试件同一位置处CFRP表面荷载-应变曲线和钢管表面荷载-应变曲线进行对比,CFRP与钢管具有良好的协同变形能力。

    (5) 得到CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱轴压极限承载力的计算公式,并与试验值作对比,Nl/Nu的均值为0.99,方差为0.041,验证了理论公式的准确性。

  • 图  1   C-CCFST试件 /mm

    Figure  1.   C-CCFST Specimens

    图  2   钢材应力-应变曲线

    Figure  2.   Stress-strain curves of steel

    图  3   CFRP应力-应变曲线

    Figure  3.   Stress-strain curves of CFRP

    图  4   加载方案

    Figure  4.   Loading scheme

    图  5   测点位置

    Figure  5.   Distribution of measuring points

    图  6   T4.5-CFST试件和C-CCFST试件失效模式

    Figure  6.   Failure modes of T4.5-CFST specimen and C-CCFST specimens

    图  7   CFRP-C-CCFST试件失效模式

    Figure  7.   Failure modes of CFRP-C-CCFST specimens

    图  8   试件荷载-轴向位移曲线

    Figure  8.   Load versus axial displacement curves of specimens

    图  9   极限承载力-腐蚀参数

    Figure  9.   Parametric analysis of ultimate strengths

    图  10   钢管表面荷载-应变曲线

    Figure  10.   Load versus strain curves of surface of steel tube

    图  11   钢管和CFRP表面荷载-应变曲线

    Figure  11.   Load versus strain curves of surface of steel tube and CFRP

    表  1   试件参数

    Table  1   Parameters of specimens

    试件编号CL/mmCD/mmCA/(°)nNu/kNRd/(%)Re/(%)Nl'/kNNl'/NuNl/kNNl/Nu
    T4.5-CFST 0 0 0 0 1638
    T4.5-L140-D2-A150-0 140 2 150 0 1554 5.1
    T4.5-L140-D2-A150-3 140 2 150 3 2005 29.0 2079 1.04 1975 0.99
    T4.5-L160-D1-A150-0 160 1 150 0 1589 3.0
    T4.5-L160-D1-A150-3 160 1 150 3 2153 35.5 2300 1.07 2185 1.01
    T4.5-L160-D2-A90-0 160 2 90 0 1547 5.6
    T4.5-L160-D2-A90-3 160 2 90 3 2098 35.6 2113 1.01 2007 0.96
    T4.5-L160-D2-A150-0 160 2 150 0 1440 12.1
    T4.5-L160-D2-A150-2 160 2 150 2 1826 26.8 1798 0.98 1708 0.94
    T4.5-L160-D2-A150-3 160 2 150 3 2014 39.9 2079 1.03 1975 0.98
    T4.5-L160-D2-A150-4 160 2 150 4 2070 43.8 2360 1.14 2242 1.08
    T4.5-L160-D2-A210-0 160 2 210 0 1508 −7.9
    T4.5-L160-D2-A210-3 160 2 210 3 2048 35.8 2049 1.00 1947 0.95
    T4.5-L160-D2-A360-0 160 2 360 0 1263 22.9
    T4.5-L160-D2-A360-3 160 2 360 3 1892 49.8 2000 1.06 1900 1.00
    T4.5-L160-D3-A150-0 160 3 150 0 1307 20.2
    T4.5-L160-D3-A150-3 160 3 150 3 1824 39.6 1899 1.04 1804 0.99
    T4.5-L180-D2-A150-0 180 2 150 0 1481 9.6
    T4.5-L180-D2-A150-3 180 2 150 3 2027 36.9 2079 1.03 1975 0.97
    均值 1.04 0.99
    方差 0.044 0.041
    注:CL为腐蚀长度;CD为腐蚀深度;CA为腐蚀角度;n为CFRP层数;Nu为极限承载力试验值;Rd为退化率;Re为提高率;Nl'为式(4)计算值;Nl'/Nu为式(4)计算值比极限承载力试验值;Nl为式(5)计算值;Nl/Nu为式(5)计算值比极限承载力试验值。
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    表  2   钢管材料属性

    Table  2   Material properties of steel tube

    尺寸/mm弹性模量
    Es/MPa
    屈服强度
    fy /MPa
    极限抗拉强度
    fu /MPa
    泊松比
    μs
    延伸率
    ε/(%)
    ϕ133×4.51920004315750.2832.9
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    表  3   CFRP材料参数

    Table  3   Material properties of CFRP

    型号弹性模量
    Ecf/MPa
    极限抗拉强度
    fcf/MPa
    延伸率
    δcf
    单位面积质量
    Wcf/(g/m2)
    厚度
    tcf/mm
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-13
  • 修回日期:  2021-03-01
  • 网络出版日期:  2021-03-23
  • 刊出日期:  2021-10-17

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