CFRP-钢管混凝土轴压短柱承载力分析.doc

CFRP-钢管混凝土轴压短柱承载力分析笫23卷第1期Vo1.23No.12006年1月jan.2006工程ENG眦ERING力学MECHANICS149文章编号:1000.4750(2006)01.0149.05CFRP一钢管混凝土轴压短柱承载力分析顾威,赵颖华,尚东伟2(1.大连海事大学交通工程与物流学院,大连116026:2.沈阳市建筑研究院,沈阳110016)摘要:对CFRP.钢管混凝土轴压短柱这种新型构件的受力性能进行了理论分析,提出了此类构件承载力计算的基本假定;采用极限平衡法,推导出钢管屈服时构件承载力和碳纤维片拉断时构件极限承载力的解析计算式;对8根CFRP-钢管混凝土轴压短柱和4根钢管混凝土柱的极限承载力进行试验研究,并将解析分析结果与实验数据比较,证明了提出的解析计算式的正确性.关键词:钢管混凝土;CFRP.混凝土;极限平衡法;套箍系数:短柱中图分类号:TU393文献标识码:ALoADCARRYINGCAPACITYoFCoNCRETEFILLEDCFRP.STEELTUBESUNDERAXIALCOMPRESSIONGUWei,ZHAOYing.hua,SHANGDongwei(1.DalianMaritimeUniversity,Dalian116026.China;2.ShenyangConstructionInstitute,Shenyang110016,China)Abstract:AtheoreticalanalysisiscarriedoutfortheloadcarryingcapacitiesoftheaxiallycompressedconcretefilledCFRPsteeltube.Severalbasicassumptionsontheoverallmechanicalpropertyofthisstructureareproposed.TwoequationsarederivedforestimatingthestrengthofthesystemwhenthesteeltubeyieldsandCFRP-sheetbreaksthroughultimateequilibriummethod.Anexperimentalinvestigationwasperformedon12specimens,including8concretefilledCFRPsteeltubesand4concretefilledsteeltubes,inordertoverifythepresentstudy.Thecomparisonoftheexperimentaldataandtheresultsfromtheproposedequationsshowsgoodconsistency.Keywords:concretefilledsteeltube(CFST);CFRP-concrete;ultimateequilibriummethod;confiningparameter;shortcolumnCFRP.钢管混凝土结构L1J是用片状碳纤维增强树(CFRP)缠绕粘贴于钢管混凝土构件外围,形成三种材料组合的圆柱状构件.与钢管混凝土结构r2和CFRP筒内填充(钢筋)混凝土结构f3】的受力原理相似,都是利用外部套管(筒)与核心混凝土之间的受力特点,充分发挥各自的优势,以提高构件的承载力.CFRP.钢管混凝土构件可以解决大型钢管混凝土结构必须采用厚壁钢管或高强钢管的问题,降低耗钢量或减少大量高强钢的消耗,减轻构件自重,也可以在一定程度上解决钢管的腐蚀和避免CFRP筒塑性不足的问题.本文对CFRP.钢管混凝土柱的受力进行分析,提出此类构件承载力计算的基本假定,推导出承载力简化计算公式.为了证明理论公式的正确性,对收稿日期:2003123l;修改日期2004一O925基金项目:辽宁省自然科学基金(20031001);沈阳市计划科技项目(1022051301)作者简介:顾威(1977),男,辽宁沈阳人,博士生,从事工程力学研究;赵颖华(1954),女,辽宁沈阳人.教授,博士,博士生导师,从事固体力学研究(Email:)尚东伟(1966),男,辽宁沈阳人,高工,从事结构工程研究,工程力学8根CFRP.钢管混凝土轴压短柱和用于对比的4根同样尺寸的钢管混凝土柱进行试验研,并将试验结果与解析分析结果进行比较,验证了解析式的正确性.1CFRP钢管混凝土柱工作机理在轴压荷载作用下,CFRP一钢管混凝土结构中的钢管和钢管内的混凝土直接承担荷载,而外层包裹的碳纤维片则起径向紧箍作用.试验研究】表明:在初始加载阶段,由于混凝土的泊松比小于钢管的泊松比,钢管与核心混凝土共同承受轴向压力但两者之间不发生挤压.随着轴向应变的增加,混凝土内部产生微裂纹,其径向变形超过钢管的径向变形,在混凝土与钢管壁之间出现径向压力,钢管壁开始受到环向拉应力.同时,因为钢管壁的径向变形增加,在钢管和CFRP之间也出现径向压力,CFRP开始受到环向拉应力.此时,CFRP处于环拉应力状态,钢管处于轴压,环拉和径向受压的三向应力状态,混凝土处于三向应力状态(图1).仃rortcrotc(a)混凝土(b)钢管(cjCFRP图1CFRP.钢管混凝土轴压柱受力简图Fig.1SchematicofconcretefilledCFRP-steeltubeundercompression当处于三向应力状态的钢管还处于弹性阶段时,由于CFRP的约束作用,CFRP一钢管混凝土柱径向的变化不大,随着轴压荷载的增加,CFRP.钢管混凝土的变形加大,此时,核心混凝土的体积因为微裂纹发展而增大.当钢管和CFRP的环向拉应力不断增加,钢管的轴向压应力相应变小,由以轴向压应力为主的应力状态变为以环向拉应力为主,而同时混凝土轴向压应力增大.当钢管处于弹性极限状态时,可以求出的构件轴向承载力.由于CFRP提供了环向约束力,CFRP.钢管混凝土的弹性极限承载力高于普通钢管混凝土,并且在同样的荷载下,前者径向变形明显小于后者.随着纵向荷载的增加,钢管进入塑性阶段,CFRP环向拉应力增加,直到CFRP达到极限抗拉强度,此时.CFRP一钢管混凝土柱的承载力达到极限值.试验结果表明【6】,与钢管混凝土柱相比,CFRP一钢管混凝土构件由于外围CFRP的增强加固作用,在相同荷载作用下,CFRP.钢管混凝土的径向变形明显小于钢管混凝土的径向变形,CFRP的作用使承载力得以较大幅度提高.另一方面,与CFRP环向约束混凝土构件相比,后者易发生脆性破坏,而CFRP.钢管混凝土由于钢管具有很好的塑性性能,在碳纤维断裂时,钢管经过塑性阶段进入二次强化阶段,弥补了碳纤维断裂导致的环向约束的不足,改善了CFRP环向约束混凝土构件的延性较差的缺陷.2计算公式推导CFRP.钢管混凝土轴压短柱的承载力不受变形历史的影响,因此,可用极限平衡法求解.2.1计算假定参考试验结果和资料7-10】,对CFRP一钢管混凝土轴压短柱采取如下计算假定:(1)核心的混凝土处于三向受压状态,混凝土的轴向应力与侧压力之间具有线性关系【9】:=4-Ka,(1)式中为,=0时混凝土的轴心抗压强度值;K为由实验确定的侧压力系数,一般取4.对于本文的研究对象.设钢管对核心混凝土提供的侧压力为.CFRP筒对核心混凝土提供的侧压力为,则核心混凝土所受的总侧向压力为4-(图1,a),于是由式(1)有:.=4-4(Of4-)(2)(2)钢管处于轴压,环拉的双向应力状态由于钢管壁较薄,一般D/f20(D为钢管外径,f为钢管壁厚),因此,可以近似认为钢管的径向应力3=0.(3)将钢管当成理想弹塑性材料,服从VonMises屈服条件,由VonMises屈服条件有:4-1024-=Sy(3)式中为钢管轴向应力,为环向应力,厂Y为屈服极限.(4)CFRP筒处于环向受拉状态,由于CFRP筒壁很薄(设厚度为),可当作薄膜处理,只承受沿纤维方向(钢管环向)的拉应力.另设CFRP在断裂前为线弹性,由虎克定律:ocf=E(4)一,.工程力学151式中和分别为CFRP的环向应力和应变,为沿纤维方向的弹性模量.2.2CFRP.钢管混凝土的极限承载力CFRP一钢管混凝土各部分的受力情况如图1所示.由于钢管和CFRP简较薄,可假设,沿壁厚均匀分布,由图1(a),(b)得02=dc/(2t),=dc/(2tcf)(5)式中,为核心混凝土的直径.由于tc,<<,在第二式中用d代替d+tcf.核心混凝土的横截面积为=.4/4.设钢管和CFRP筒的横截面积为A和,可以近似取为As=ts和=t4,有dc/(2t)=2/As,dc/(2tcf)=2/Acr(6)由式(5),(6)得:=2o-rsAc/(7),=2r/Acr(8)根据虎克定律有ez=(一)/(9)式中,e2,和分别为钢管的环向应变,泊松比和弹性模量.下面分别讨论钢管屈服和碳纤维拉断两种情况下构件的承载力.(1)钢管屈服时CFRP一钢管混凝土柱的承载力钢管进入屈服状态时由式(3)解得=一3/4一a2/2,将式(7)代入得1=,3o-2s(A/A)一Ac/a(10)将式(7),(1o)代入式(9)并经过整理,有卦丧其中,=Asfy,为钢管的约束效应系数.设CFRP与钢管粘接完好,可以近似认为;e2,将式(11)带入式(4),可得剐2,彘(12)CFRP.钢管混凝土柱的承载力由混凝土和钢管共同提供,即N=A+Aal(13)由式(2),(10),(8),(12),(13),经过整理有小+厩(14)ct=3+2AAcyEcy一(2,fl=l-2AAcfEcf.AA也为了求得承载力最大值,由:o得doTs鲁=05)4ck9fl+3or2代入式(14),得钢管屈服状态下的承载力计算公式N加=厂c1+(+3)/3】(16)对于高强混凝土的情况,上式含的项应乘以折减系数0.9】,有NP=AJk1+O.9(+3)/3】(17)(2)碳纤维濒临破坏时CFRP一钢管混凝土的极限承载力碳纤维拉断之前构件的承载力可表示成_Ac_Ac小4警j+(18)f一3A2cD2Acors将式(8)代入式(18),整理得到Nu:Ns+Nf=A,础(1+13(/,)/+3/)+(19)2Acfa毛f其中=(1+13(/)/等+3/)Nf=2Acck毛f式中r=A,r/Ac为碳纤维约束效应系数.碳纤维的平均抗拉强度疗可根据试验中碳纤维的断裂应变得出.由式(4)算得,=1500MPa.CFRP.钢管混凝土的承载力可看作是钢管混凝土承载能力N加上由于碳纤维的约束作用使得核心混凝土强度提高的N,当二者均达到最大值时构件取得极限承载力.由dNyu:O得d:/2(20),如将上式代入式(19),当套箍指标1.235时N=Ns+Nf=/(1+2+2,)(21-1)当套箍指标1.235时N=+Nf=厂c(1+缶+2)(21_2)152工程力学在高强混凝土情况下,含的项乘以折减系数0.9,当套箍指标1.235时,有Ny=(1+1.8鼻+1.8)(22-1)当套箍指标晏1.235时Ny=1+o.9(晏+)+1.8e,j(222)3试验验证6】为了验证本文提出的承载力公式的正确性,对8个GFRP-钢管混凝土短柱和4个普通钢管混凝土短柱进行了轴压试验测试,并将试验数据与理论分析结果进行了比较.3.1试件概况试件形状尺寸见表1,其中核心混凝土直径d=124mm,钢管壁厚f取四种不同尺寸:1.5mm,2.5mm,3.5mm和4.5ram.CFRP片单层厚度为0.17mm.混凝土轴心抗压强度值L1=0.67fc=36.85N/mm,钢材弹性模量Es=2.0610MPa,泊松系数=0.3,CFRP沿纤维方向的弹性模量,=2.310MPa.表1承载力实测值与计算值对比TablelStrengthcomparisonofexperimentandanalyticalequations3.2试验结果与比较根据粘贴CFRP层数的不同将12个试件分成三组,分别为无CFRP,粘贴一层和粘贴两层,每组4件.表1为试件的屈服承载力计算值J:和实测值以及两者之比值,极限承载力计算值:和实测值以及两者之比值.由表可计算出:/N;均方差为0.020248,:/N:的均方差为0.0469,这说明在两种极限状态下CFRP钢管混凝土的理论值与实测值吻合较好,因此验证了本文提出的CFRP-钢管混凝土轴压短柱承载力计算公式(16)和(21)的正确性.图2表示CFRP对于钢管混凝土构件极限承载力的增强情况.可以看到,承载力的提高幅度与粘贴CFRP的层数成正比,而与钢管的厚度关系不大.粘贴一层CFRP时,极限承载力平均提高180kN,两层时提高360kN._Rl,鬈.L_/一蛘1200I-一.一.一f图2CFRP对钢管混凝土极限承载力的增强作用Fig.2ReinforcementeffectofCFRPonthestrengthofconcretefilledsteeltubes4结束语本文通过理论分析与试验研究取得如下成果:(1)提出了CFRP.钢管混凝土轴压柱在钢管屈工程力学l53服和碳纤维断裂两种极限状态下承载力的计算公式,该式简洁,物理意义明确,便于工程应用;(2)对12个试件进行试验测试,并将结果与解析分析结果进行比较,两者取得很好的吻合,其比值/和/的均方差分别为0.020248和0.o469,证明了本文理论的正确性;(3)理论分析和试验研究结果表明,由于外围CFRP的环向紧箍作用,钢管混凝土柱的承载力得以较大幅度提高,碳纤维的厚度对承载能力的提高起着直接作用.参考文献:3【4】王庆利,赵颖华.碳纤维一钢管混凝土结构的研究设想J.吉林大学(52学版),2003,33(增):352355.WangQingli,ZhaoYinghua.TheassumptionofconcretefilledCFRP-steeltubestructuresJ.JournalofJilinUniversity(EngineeringandTechnologyEdition),2003,33(Addition):352355.(inChinese)韩林海.钢管混凝土结构M.北京:科学出版社,2000.HanLinhai.ConcretefilledsteeltubularstructuresM.Beijing:SciencePress,2000.(inChinese)OmarChaallal,MohsenShahawy.Performanceoffiber-reinforcedpolymer-wrappedreinforcedconcretecolumnundercombinedaxialflexuralloadingJ.ACIStructureJournal,2000,97(4):659-668.于清.FRP约束混凝土柱研究与应用中的若干关键问题J_工业建筑,2001,31(4):1-4.YuQing.Severalkeyissuesofthestudyand印plicationofFRPconfinedconcretecolumnsJ1_IndustrialConstruction,2001,31(4):1-4.(inChinese)张东兴,黄龙男,王荣国.玻璃钢管混凝土柱力学性能的试验研究J】l哈尔滨建筑大学,2000,2(1):73_76.ZhangDongxing,HuangLongnan,WangRongguo.ExperimentalresearchofthemechanicalpropertiesofconcretefilledFRPtubularcolumnJ.JournalofHarbinUniversityofC.E.&Architecture,2000,2(1):7376.(inChinese)6顾威,王庆利,赵颖华.圆CFRP钢复合管混凝土轴压短柱试验研究J.沈阳建筑工程学院(自然科学版),2004,2(2):ll8l20.GuWei,WangQingli,ZhaoYinghua.ExperimentalstudyofconcentricallycompressedcircularconcretefilledCFRPsteelcompositetubularshortcolumnsJ.JournalofShenyangArchitecturalandCivilEngineeringUniversity(NaturalScience),2004,2(2):l18-120.(inChinese)【7】陈肇元,朱金铨,吴佩刚.高强混凝土及其应用【M.北京:清华大学出版社,1996.ChenZhaoyuan,ZhuJinquan,WuPeigang.HighstrengthconcreteanditsapplicationsM.Beijing:TsinghuaUniversityPress,1996.(inChin