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1、國內(nèi)外研究概況
纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)管混凝土組合結(jié)構(gòu)是以預(yù)制FRP筒體作為模板，在管內(nèi)澆注混凝土而形成的結(jié)構(gòu)。對這種組合結(jié)構(gòu)的研究是當(dāng)前土木界的一個熱點。FRP管混凝土具有三大優(yōu)點:①保護(hù)鋼筋和混凝土，提高結(jié)構(gòu)的耐性;②作為核心混凝土縱橫向加強(qiáng)材料提高構(gòu)件的承載力;③作混凝土的永久性模板。Mirmiran等進(jìn)行了FRP管混凝土柱軸壓和壓彎試驗及理論分析。由試驗可見軸壓柱發(fā)生失穩(wěn)破壞，壓彎柱當(dāng)軸壓力較小時，破壞始于受拉區(qū)混凝土開裂，隨后FRP管受拉面開裂，終導(dǎo)致破壞。當(dāng)軸壓力較大時，由于受壓側(cè)FRP壓潰導(dǎo)致柱子破壞。破壞預(yù)兆較小，但破壞還是緩慢發(fā)生，具有相當(dāng)?shù)难有浴Ｔ趬簭澲蠵-Δ效應(yīng)很明顯。原因是由于FRP管的抗彎剛度較低。隨后Mirmiran等進(jìn)行了大比例的FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)試驗，試驗發(fā)現(xiàn)由于FRP管剛度較小，試件撓度較大。試件的破壞模式取決于軸向荷載大小和FRP配置率的多少。在軸力較小時由受拉控制，當(dāng)軸力較大時由受壓控制。從試驗實測的數(shù)據(jù)可知彎矩一曲率曲線和荷載--撓度曲線均為雙線型，斜率由混凝土
的剛度控制，第二斜率由FRP管的剛度控制，兩個斜率的交點表明核心混凝土明顯開裂。Fam等進(jìn)行了FRP混凝土實心和空心軸壓短柱以及FRP混凝土實心偏壓長柱的試驗研究。短柱試驗表明，由于管子的約束，混凝土強(qiáng)度和延性增加。由于GFRP管的彈性模量較低，強(qiáng)度提高不多。空心管約束效果明顯減小。長柱試驗表明彎矩--軸力相關(guān)曲線上存在一個平衡點，在這一點拉壓破壞同時發(fā)生。從Fam的試驗和理論分析可知，GFRP混凝土管梁的荷載--撓度曲線幾乎成雙線性，開裂荷載比極限荷載小很多。開裂以后的剛度由FRP鋪層結(jié)構(gòu)和徑厚比控制。壁較厚或軸向纖維含量較高的混凝土FRP管受彎作用時，往往受壓破壞。混凝土抗壓強(qiáng)度對FRP混凝土管抗彎性能影響很小，而FRP管剛度對抗彎性能影響很大。FRP管的M-N相關(guān)曲線與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱很相似，在初始階段，隨著軸向荷載增加，抗彎承載力增加，破壞由受拉側(cè)FRP拉斷控制，達(dá)到一個平衡點后曲線改變方向，隨著軸向荷載增加，抗彎承載力減小，破壞由受壓邊FRP壓潰控制。5eible等著重研究碳纖維板殼在橋梁墩柱和橋面大梁中的應(yīng)用。卓衛(wèi)東、范立礎(chǔ)、薛元德采用FRP管混凝土制成的橋墩進(jìn)行低周反復(fù)載荷試驗和振動臺模擬地震試驗。李杰、薛元德進(jìn)行了FRP管混凝土梁柱試驗。
2 試驗介紹
試驗所用的FRP管采用纏繞法制成，類型I由4層玻璃纖維和一層碳纖維鋪設(shè)而成，鋪層角度為90/士45/0/90,0度的鋪層為碳纖維，沿試件縱向。類型II由4層玻璃纖維鋪設(shè)而成，鋪層角度為901土45/90,0玻璃纖維為無堿粗紗Z400Tex，每層厚度為0. 5mm，碳纖維厚度為。0.11mm，重量為200g/m2，基體為不飽和聚酯樹脂，固化劑和固化促進(jìn)劑采用過氧化甲乙酮和辛酸鈷，脫模劑為美國產(chǎn)M-0811。梁編號為B-CG-0、B-CG-4,B-G-0, B-G-2. 1、B-G-4;柱編號為BC-CG-4-0.8 、BC-CG-4-I .BC-CG4-4-I.2、BC-G-2.1-0.5、BC-G-2.1-1 .0、BC-G-2.1-1 .2;短柱編號為C-CG-4-a、C-CG-4-b、C-G2.1-b。編號含義B(梁)-CG(碳纖維玻璃纖維)-4(鋼筋直徑);BC(長柱)-CG(碳纖維玻璃纖維)-4(鋼筋直徑)-1.0(偏心距);C(短柱)-CG(碳纖維玻璃纖維)-4(鋼筋直徑)一a(殼體不受力)(b為殼體受力)。梁在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行四點抗彎試驗(梁B-CG-O采用三點抗彎試驗)，長柱(柱高=9O0mm)在電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行偏壓試驗，短柱(柱高=220mm,264mm)在行程控制的萬能試驗機(jī)上進(jìn)行軸壓試驗。
3 理論分析方法
3.1 FRP材料的基本力學(xué)性能
FRP單層板的材料常數(shù)按細(xì)觀力學(xué)的方法確定如下:
(1)式中,E1、E2、Ef、Em、為纖維方向的表觀彈性模量、垂直纖維方向的表觀彈性模量、纖維彈性模量、基體彈性模量；V12、Vf、vm、為單層板泊松比、纖維泊松比、基體泊松比G12、 Gf、Gm、為單層板剪切模量;纖維剪切模量、基體剪切模;Vf、vm纖維體積含量、基體體積含量。FRP是正交各向異性材料，單層板在非彈性主方向的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式見式(2).式中折減剛度矩陣的各個元素見式(3)。
FRP殼體計算采用層合板理論，層合板的合力和合力矩見式(4)。
式中σcεc是約束混凝土的應(yīng)力和應(yīng)變;f分鐘cc、εcc是約束混凝土的應(yīng)力峰值和應(yīng)變峰值;f分鐘cc、 ε0為非約束混凝土的應(yīng)力峰值及其對應(yīng)的應(yīng)變，取ε0=0.002;Ec為混凝土的初始切線彈性模量。F1為
4、理論與試驗對比
4.1彎矩曲率關(guān)系計算
(1)彎矩一曲率曲線理論和試驗對比。由圖1可知GFRP管混凝土試件的彎矩一曲率曲線幾近重合，原因可能是因為徑厚比很小，破壞主要由GFRP管控制，偏心距大小對其影響不大。圖1又示理論計算與試驗結(jié)果相當(dāng)吻合。
(2)軸壓比對彎矩一曲率曲線的影響。圖2計算參數(shù)如下:直徑d=300mm，混凝土強(qiáng)度的等級C20，縱向鋼筋φ14，單層玻璃纖維厚度t1=0. 5mm，類型II。計算表明彎矩-曲率曲線為雙線性，當(dāng)軸壓比n從0增加到0.8時彎矩增加而極限曲率減小，延性降低;當(dāng)軸壓比從0.8增加到1.2時彎矩和極限曲率均減小，延性降低。原因可能是因為軸壓比較小時破壞取決于受拉區(qū)FRP拉斷和受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，軸壓比較大時破壞取決于GFRP殼體的壓潰。
圖3計算參數(shù)如下:d=88mm,C15,64φ4、t1=0. 5mm，類型II(含義同上)。計算表明彎矩一曲率曲線幾近重合，這和試驗結(jié)果是一致的。
(3)徑厚比對彎矩-曲率曲線的影響。圖4計算參數(shù)如下:d=300rmm, n=0.4、C20、6φ14、類型II，計算表明隨著徑厚比d/t的減小，第二剛度增加，極限彎矩和曲率提高，剛度和剛度轉(zhuǎn)折點彎矩變化較小。
(4))混凝土強(qiáng)度等級對彎矩-曲率曲線的影響。圖5計算參數(shù)如下:d=300mm、n=0.4、C20、6φ14、t1=0. 5mm、類型II，計算表明隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，剛度轉(zhuǎn)折點彎矩和極限彎矩提高，剛度略有提高而第二剛度變化較小。
(5)配筋率對彎矩一曲率曲線的影響。圖6計算參數(shù)如下:d=300rmm, n=0.4、C20、t1=0. 5mm、類型II，計算表明隨著配筋率的提高，極限彎矩提高，耗能能力增加。
(6)鋪層角度對彎矩一曲率曲線的影響。圖7計算參數(shù)如下:d=300rmm, n=0.4、C20、6φ14、類型II，計算表明隨著纖維與桿件與縱軸的角度減小，第二剛度和極限彎矩略有提高，當(dāng)鋪層角度接近土45度時極限曲率大。
4.2彎矩一軸力相關(guān)曲線計算
不同F(xiàn)RP配置率t/d對彎矩一軸力相關(guān)曲線影響見圖8。計算參數(shù)如下:d=300rmm, n=0.4、C20、6φ14類型II，計算結(jié)果表明隨著徑厚比d/t增加，彎矩-軸力相關(guān)曲線上移，承載力明顯提高。
5 結(jié)論
(1) FRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)能有效地提高構(gòu)件的承載力，并由于FRP管的約束作用而提高混凝土強(qiáng)度和延性;
(2)彎矩一曲率曲線為雙線性，剛度取決于混凝土剛度，隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，剛度轉(zhuǎn)折點彎矩和極限彎矩提高，但剛度提高程度較小，第二剛度取決于FRP殼體剛度，隨著徑厚比d1t的減小，第二剛度增加，極限彎矩和曲率提高;
(3)軸壓比對彎矩一曲率曲線影響與徑厚比有關(guān)，當(dāng)徑厚比較小時軸壓比對彎矩一曲率曲線影響較小，當(dāng)徑厚比較大時，隨著軸壓比增加，彎矩和極限曲率先增后減;
(4)配筋率的提高，對彎矩一曲率曲線影響較小，因此在FRP管混凝土可按小配筋率配置;
(5)隨著纖維與桿件縱軸的角度減小，第二剛;極限彎矩提高當(dāng)鋪層角度接近士45度時極限。90/士45/90纖維的鋪層方法較為適宜;
(6) GFRP管約束混凝土的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)該仔細(xì)合理選用。