轴压下GFRP管-混凝土-钢管组合柱的尺寸效应*
李文1, 孟瑞1, 那昱2
1. 东北石油大学 土木建筑工程学院, 黑龙江 大庆 163318
2. 上海送变电工程公司 (变电、土建)施工分公司, 上海 200235

作者简介: 李 文(1969-),男,河北唐山人,教授,硕士,主要从事组合结构等方面的研究.

摘要

为了研究尺寸效应对GFRP管-混凝土-钢管组合柱力学性能的影响,在满足几何相似性的条件下,利用静力加载的方法对具有不同试件尺寸、不同混凝土强度等级的8根试件的轴压力学性能进行了试验研究.对8根组合柱试件的试验破坏现象、荷载-应变曲线、极限承载力以及应力值变化进行相应的分析比较,结果表明,随着试件尺寸的增大,试件抵抗变形能力减弱且尺寸效应明显,而增加GFRP管壁厚可以提高试件承载力、增强试件力学性能、减少尺寸效应的影响.

关键词: GFRP管-混凝土-钢管组合柱; 尺寸效应; 受压试件; 轴心受压; 静力加载; 试验研究; 荷载-应变曲线; 极限承载力
中图分类号:TU378.2 文献标志码:A 文章编号:1000-1646(2017)04-0464-05 doi: 10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.20
Size effect of GFRP-concrete-steel tubular composite columns under axial compression
LI Wen1, MENG Rui1, NA Yu2
1. School of Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China
2. Power Transformation and Civil Engineering Branch Company, Shanghai Power Transmission and Transformation Engineering Company, Shanghai 200235, China
Abstract

In order to study the influence of size effect on the mechanical properties of GFRP-concrete-steel tubular composite columns, the mechanical properties of 8 specimens with different specimen sizes and different concrete strength grades under axial compression were tested and studied with the static loading method under the condition of satisfying the geometrical similarity. In addition, the failure phenomenon, load-strain curve, ultimate bearing capacity and stress value change of 8 specimens of composite columns were analyzed and compared. The results show that with increasing the specimen size, the deformation resistance of specimens decreases, and the size effect is obvious. With increasing the thickness of GFRP tube, the bearing capacity of specimens gets improved, the mechanical properties of specimens get enhanced, and the effect of size effect reduces.

Keyword: GFRP-concrete-steel tubular composite column; size effect; compression specimen; axial compression; static loading; experimental study; load-strain curve; ultimate bearing capacity

GFRP管-混凝土-钢管组合柱(简称DSTC)具有质量轻、强度高和耐腐蚀性好的特点, 并且由于外置的FRP管可以作为施工中的永久性模板而节约施工时间与成本, 因此, 该种结构具有很高的研究价值.通过讨论DSTC短柱的轴压力学性能、GFRP管壁厚、混凝土强度和破坏形态等影响因素, 并对不同尺寸间构件的破坏形态、实际试验现象、荷载-应变曲线和极限应力等进行对比, 分析其中的差异, 进行了尺寸效应对DSTC力学性能影响的研究[1, 2, 3, 4, 5].

1 试验概况
1.1 试验概述及目的

为了深入研究GFRP管-混凝土-钢管组合柱的轴压力学性能, 直观了解尺寸效应对其力学性能是否存在影响及其影响程度, 本文通过2组不同工况下的GFRP管-混凝土-钢管组合柱轴压力学性能试验, 对不同尺寸工况下试件的力学性能进行了深入研究.

1.2 材料性能

所选材料是否符合工程试验要求对于试验能否顺利进行有着重要影响, 并且部分材料还要进行材料试验, 试验所用材料的性能参数如表1~3所示.

表1 钢材材料设计参数 Tab.1 Design parameters for steel material
表2 GFRP管材料参数 Tab.2 Material parameters for GFRP tubeMPa
表3 混凝土配合比 Tab.3 Mix ratio of concrete(kg· m-3)
1.3 试件设计及制作

试件参数设计及现场制作[6]表4和图1所示.

表4 试件参数设计 Tab.4 Parameter design for specimens

图1 混凝土搅拌及试件浇筑Fig.1 Concrete mixing and specimen casting

1.4 测点布置

测点布置示意图如图2所示.图2a中H表示环向, Z表示纵向, 图2b为测点布置立面示意图, 图2c为测点示意图.

图2 测点布置Fig.2 Arrangement of measuring points

1.5 测量设置

试件受压时, 为了测定试件能够产生的最大轴向与环向变形, 在试件上布置百分表, 用于测定试件轴心受压时所产生的位移, 试件底部放置两个百分表用于测定轴向位移.试验中应变片的数据通过DH3818静态电阻应变测量仪记录.试件百分表布置与静态电阻应变箱的实物图如图3所示.

图3 测量设置Fig.3 Arrangement of measurement

1.6 试验加载

加载设备为YAW-5000微机控制电液伺服压力试验机, 试验机最大量程为5000kN.试验加载方式为力控制加载, 根据试件承载力不同分别采用1.5、2.0和2.5kN/s的速率进行加载, 具体加载方案为:采用分级加载方式, 在预估极限承载力的70%之前, 每一级荷载按照其预估极限承载力的10%加载, 之后依次累加; 当达到极限承载力的70%之后, 按照预估值的20%进行加载, 每一级荷载都持荷约90s, 并记录试验数据, 当试件破坏时, 停止数据记录, 即停止试验.

2 试验分析
2.1 试验现象

8根试件试验现象较为相似, 以Ⅰ -1试件为例, 其试验现象为:试验初始, 先对试件进行预加载, 试验机上下承压板与试件紧密接触, 待持荷稳定后进行正式加载.在加载过程中, 当加载至63.3、126.6、189.9、253.2以及316.5kN时, 试件之上并无异常现象发生, 应变和轴向位移稳步增长, 压力试验机显示荷载增长速率稳定, 此时试件处于正常的工作状态.当加载至379.8kN时, 试件出现轻微的响声, 钢管上1号应变片读数消失, 截面1-1的7号应变片读数消失; 当加载至443kN时, 试件再次出现轻微声响, 钢管上4号和6号应变片读数消失, FRP管截面3-3上的4号应变片读数消失; 当加载至506kN时, 试件出现较大响声, 并无明显现象, 但是试件在持荷时不稳定; 当加载至538kN时, 承压板顶部有混凝土轻微掉落; 当加载至569kN时, 试件在持荷时不稳定, 出现较大声响, 并发现FRP管上边缘有轻微泛白; 当加载至601kN时, 混凝土出现轻微掉落, 持荷时压力试验机采集到的荷载曲线先高后低最后保持稳定, 钢管上5号应变片读数消失, 应变电阻箱上各个测点的应变读数均有较大变化.此时撤去架设在试件上的百分表以防止试件破坏时损坏仪器.继续加载直至试件破坏.最终由压力试验机测得试件破坏荷载为626kN.试件破坏模式为上端部FRP管受拉撕裂破坏, 破坏截面混凝土部分被压碎, 试件加载以及破坏图片如图4所示.

图4 Ι -1试件加载及破坏Fig.4 Loading and failure of Ι -1 specimen

2.2 荷载-应变曲线分析

对8根GFRP管-混凝土-钢管组合柱经过轴心受压试验后所得到的试验数据进行整理分析, 取其中部截面所得数据的平均值, 绘制荷载-应变曲线如图5~6所示, 其中, 轴向为负, 环向为正.

图5 Ⅰ 组荷载-应变曲线Fig.5 Load-strain curves in group Ⅰ

图6 Ⅱ 组荷载-应变曲线Fig.6 Load-strain curves in group Ⅱ

由图5、6可知, 各个试件的曲线增长趋势都较为接近, 在加载初期应变增长量较小, 轴向应变增长略高于环向应变增长; 随着荷载的增加, 试件产生较大的环向变形, 具体表现为随着试件尺寸增大, 试件抵抗变形的能力减弱, 表现出尺寸效应[7].但是由于FRP管的约束作用, 导致后期曲线的增速放缓, 说明增加管壁厚度可以提高试件承载力、增强试件力学性能和减少尺寸效应的影响.

2.3 极限承载力及应力值变化

Ⅰ 组和Ⅱ 组试件极限承载力及应力值如表5、6所示.由表5可知, 在几何相似的条件下, 极限应力并没有因尺寸的增加而提高到相应程度, 而是随着试件尺寸的增加, 提高的幅度在减小[8].Ⅰ -C30-0.50-600-4.8试件的极限荷载为Ⅰ -C30-0.48-450-4.5试件的1.29倍, 极限应力值降低百分比为68%; Ⅰ -C30-0.46-750-4.0试件的极限荷载为Ⅰ -C30-0.48-450-4.5试件的1.95倍, 极限应力值降低百分比为61%.由表6可知, Ⅱ -C40-0.50-600-4.8试件的极限荷载为Ⅱ -C40-0.48-450-4.5试件的1.21倍, 极限应力值降低百分比为64%; Ⅱ -C40-0.46-750-4.0试件的极限荷载为Ⅱ -C40-0.48-450-4.5试件的1.71倍, 极限应力值降低百分比为53%.由此可知, 试件承载能力并没有因尺寸增大而提高到相应程度.对于试件而言, 随着尺寸的增加, 试件的极限承载力提升不超过2倍, 但极限应力值却随尺寸增大降低到约60%, 表现出尺寸效应.无论是对Ⅰ 组试件还是Ⅱ 组试件而言, 在承载能力的变化上均出现了明显的尺寸效应[9, 10].

表5 Ⅰ 组承载力及应力值 Tab.5 Bearing capacity and stress value in group Ⅰ
表6 Ⅱ 组承载力及应力值 Tab.6 Bearing capacity and stress value in group Ⅱ
3 结 论

在考虑几何相似性的前提下, 对8根GFRP管混凝土钢管组合柱试件进行了轴压力学性能试验研究, 通过对试验现象、极限承载力、荷载应变曲线和破坏形态等因素进行分析, 研究了尺寸效应对GFRP管混凝土钢管组合柱轴压力学性能的影响.通过对以上影响因素进行分析, 得到了如下结论:

1) 本文进行的两组GFRP管混凝土钢管组合柱轴压力学性能试验表明, 其破坏模式为GFRP管受拉撕裂破坏, 混凝土被压碎, 观察内部钢管并未有明显的屈曲变形, 破坏模式一致, 并未受到试件尺寸变化的影响;

2) Ⅱ 组试件的荷载应变曲线的差异性小于Ⅰ 组, 说明相对于Ⅰ 组试件而言, Ⅱ 组试件受到尺寸效应影响较弱;

3) 在几何相似性的基础上, 随着截面尺寸增加, 试件的承载能力提升不超过2倍, 但极限应力却降低约60%, 说明小尺寸试件与大尺寸试件的承载能力间并不存在明显的关联, 表现出尺寸效应.

The authors have declared that no competing interests exist.

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