GFRP管实心混凝土组合柱的研究现状与发展

２０１８正２　江　究　ＧＦＲＰ管实心混凝土组合柱的研究现状与发展　■陈摘硕，蔡焕琴，齐梦，强亚林疆河北建筑工程学院，河北张家口０７５０００　要：本文介绍了当前ＧＦＲＰ管实心混凝土组合柱的组合形式，归纳总　结了学者之前所研究的成果，指出了ＧＦＲＰ管实心混凝土组合柱　当前存在的一些问题，提出了相应的改进建议及研究展望。　关键词：ＧＦＲＰ混凝土组合柱　柱力学特征的影响，实验结果反映出管壁厚越大，承载力也越　大。李杰　有限元分析了ＧＦＲＰ管径厚比这个影响参数对混凝　土柱力学特征的影响，得出类似的结果。　２．３混凝土强度等级　ＧＦＲＰ管实心混凝土组合柱是一种新型组合结构形式，由研　究院Ａｍｉｒ　ｍｉｒｍｉｒａｎ提出…，由于此混凝土组合结构性能突出，受　周涛　等对Ｃ４０与Ｃ６０两种混凝土强度等级的０。、３０。、　４５。、纤维铺设方向的ＧＦＲＰ管混凝土组合柱进行了轴心受压试　到国内外很多学者的关注。在ＧＦＲＰ管内浇筑混凝土可以有效　防止此种薄壁结构局部失稳问题，防止因局部屈曲而发生破坏，　同时薄壁可以有效约束内部混凝土，提高混凝土强度和变形能　力。由于ＧＦＲＰ材料的抗腐蚀性强，在极端恶略的工程情况下　可以有效提高混凝土的耐久性。ＧＦＲＰ材料比强度高，相同条件　下与钢管混凝土相比，虽然在承载力方面降低了７％，但是在质　量上却降低了３０％，表现出良好的受力性能　Ｊ。随着现代建筑　向着大开问、大跨度和高层方向发展，对柱在使用功能上、经济　性方面提出了更高的要求。因此开发整体性好、刚度大、质量　轻、满足使用要求的新型柱是当前建筑工程技术领域的一项亟　待解决的新课题。所以研究ＧＦＲＰ管实心混凝土组合柱具有一　定的研究价值。本文介绍了国内外关于ＧＦＲＰ管混凝土组合柱　的研究成果，提出了对该组合柱设计的相关建议，并对其未来的　发展做出了展望。　１　ＧＦＲＰ管实心混凝土组合柱的工作机制　ＧＦＲＰ管作为约束材料，对核心混凝土强度和极限应变的提　高有较大的帮助，ＧＦＲＰ管混凝土组合柱的应力一应变曲线与相　同约束管含量的钢管混凝土柱的应力一应变曲线　有较大的差　别，钢管混凝土存进入塑性阶段后轴向承载力增加很少，然而　ＧＦＲＰ管为完全弹性材料，因此ＧＦＲＰ管混凝土的轴向承载力随　轴向应变的增加单调增加。ＧＦＲＰ管约束混凝土组合柱与与钢　管约束混凝土柱的增强机理与增强效果有显著差别，所以钢管　混凝土计算理论不能完全适用于ＧＦＲＰ管混凝土结构。其能够　作为组合结构的前提在于其泊松比小于混凝土以及其良好的受　力性能　Ｊ。与钢管混凝土柱相比，由于混凝土与钢泊松比有差　异，导致在二者同时受力初期，钢管的横向变形要比混凝土的变　形大，故不能有效的提供侧向作用力，但是ＧＦＲＰ管可以通过合　理的工艺设计得到的ＧＦＲＰ管泊松比小于混凝土。　２　ＧＦＲＰ管实心混凝土组合柱受力性能的影响因素　２．１　ＧＦＲＰ管纤维丝铺设角度　周乐　等考虑纤维铺设角度完成了４根ＦＲＰ管混凝土轴心　受压实验，考虑分析了纤维铺设角度这个影响参数对柱力学特　性的影响，实验结果反映出纤维丝铺设角度越小，承载力越大；　Ｐａｒｖｉｎ＿５　等实验分析了纤维铺设方向与横向截面成一定角度时，　ＧＦＲＰ管横向与纵向这两个方向上均有一定大小的模量与强度，　当纤维的铺设角度达到±４５。时，结构的剪切破坏形态得到了很　大的改善。Ｊａｍｗａｌ等　。采用非线性有限元研究分析了ＦＲＰ管　的壁厚与纤维铺设角度对ＦＲＰ管混凝土组合柱力学性能的影　响，实验结果表明：在相同壁厚ＦＲＰ管的情况下，纤维丝以角度　环向角度铺设的ＦＲＰ管混凝土组合柱的承载力比纤维丝以环向　角度环向铺设的ＦＲＰ管混凝土组合柱的承载力小。　２．２　ＧＦＲＰ管径厚比　周乐　等实验分析了ＧＦＲＰ管径厚比这个影响参数对此类　·２４·　验，Ｃ４０混凝土组合柱极限承载力增大幅度分别在２２０％、　１８２％、６５％左右；Ｃ６０混凝土组合柱极限承载力增大幅度分别在　２１２％、１６８％、４９％左右；相比于混凝土强度为Ｃ４０且０。、３０。、　４５。纤维铺设方向的组合柱，混凝土强度为Ｃ６０且Ｏ０、３００纤维　铺设方向的组合柱其平均极限承载力增大幅度皆在１０％以上，　４５。纤维铺设方向的组合柱仅在５％左右，其极限轴向环向应变　下降幅度均在６％之内，因此纤维铺设角度在３０　以内的高强　度混凝土组合柱的极限承载力明显高于一般强度混凝土柱的极　限承载力，但极限轴向环向应变有不同幅度减小的趋势，依据已　有学者研究成果，建议此类组合柱选用混凝土强度等级不应过　高，以５０ＭＰａ左右且纤维铺设角度在３０。以内为宜；通过总结学　者过往的一些研究，可以总结归纳出以下几点结论：①混凝土强　度越高柱承载力越大；②ＧＦＲＰ管壁越厚，柱承载力越大；⑧　ＧＦＲＰ管纤维铺设角度越小，柱承载能力越大，纤维铺设角度越　大，柱抗剪切能力得到提升，但是柱承载能力下降。说明ＧＦＲＰ　管混凝土柱的抗剪切性能与大的极限承载力不能够兼得。　３　ＧＦＲＰ管实心混凝土组合柱设计建议　ＧＦＲＰ管实心混凝土组合柱设计建议：①考虑到ＧＦＲＰ材料　的造价问题，在设计时我们应该确定ＧＦＲＰ管最佳径厚比，管壁　太薄，约束能力不够。管壁太厚，材料的力学性能不能够全部得　到充分的发挥，所以我们可以设计最佳径厚比，得到造价合理，　满足承载力高性能的组合柱；＠ＧＦＲＰ材料属于线弹性脆性材料　及各向异性材料，考虑到与高强混凝土组合成的组合柱延性较　差、抗剪切性能较差，将钢纤维加入到高强混凝土中，从而加强　其延性，及组合柱的抗剪切破坏能力。　４研究展望　虽然目前国内外专家学者对ＧＦＲＰ管组合柱存轴压、偏　和抗震试验大量的研究，取得了很多的成果，但是任然存在很多　问题需要进一步的研究，针对研究现状以及结合新的趋势，认为　今后在ＧＦＲＰ管组合柱的研究上需要重视一下几点工作研究：　①对于ＧＦＲＰ管混凝土组合柱梁柱节点研究相对较少，随着我　国倡导装配式建筑的大力发展，节点问题义是装配式建筑关键　技术问题，所以有必要对梁柱节点问题进行系统深入的研究；②　考虑到ＦＲＰ结构的广泛应用，相关科研单位应该完善ＦＲＰ结构　的相关规范工法，便于ＦＲＰ结构的推广使』｝ｊ。　参考文献　［１］Ｍｉｒｎｆｉｒａｎ．Ａｍｉｒ．Ａ　ｎｅｗ　ｅｏｎｅｒｅｔｅ—ｆｉｌｌｅｄ　ｈｏｌｌｏｗ　ＦＲＰ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏｌｕｍｎ　［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，１　９９６，２７（Ｂ）：２６３—２６８．　［２］张东兴，黄龙男，赵景海．玻璃钢管混凝土柱力学件能的试验研究　［Ｊ］．哈尔滨建筑大学学报，２０００（１）：７３—７６．　［３］范征字，赵景海．玻璃钢管混凝土短柱轴心乐缩性能试验研究［Ｊ］．低　温建筑技术，２００３（３）：７—８，　［４］周乐，秦国鹏．ＦＲＰ管高强混凝土轴压力学性能研究［Ｊ］．沈阳建筑大　学学报（自然科学版），２００９，２５（１）：１２１—１２４．　［５］Ｐａｒｖｉｎ　Ａｚａｄｅｈ，ｗｕ　Ｓ．Ｐｌｙ　Ａｎｇｌｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｗｒａｐｐｅｄ　ｒｅｉｎ－　ｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ——ｃｏｌｕｍｎ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ｕｎｄｅｒ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ａｘｉａｌ　ａｎｄ　ｃｙ－－　［８］周涛．ＦＲＰ管实心混凝土柱承载力的试验研究［Ｄ］．浙江工业大学，　２０１４．　ｃｌｉｃｌｏａｄｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，２００８，８２（４）：５３２—５３８．　［６］Ｊａｍｗａｌ　Ａｄｉｔｙａ　Ｓ．Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｗｒａｐ　ｔｈｉｃｈｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｐｌｙ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｃｏｍ—　ｐｏｓｉｔｅ．ｃｏｎｆｉｎｅｄ　作者简介：陈硕（１９９３年生），河北张家口市人，硕士研究生，研究方　向：新型结构体系与新型结构材料；　齐梦（１９９２年生），河北张家口市人，硕士研究生，研究方向：新型结　构体系与新型结构材料；　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ［ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，２００５，６７（４）：４３７—４４２．　［７］李杰，薛元德．ＦＲＰ管混凝土组合结构试验研究［Ｊ］．玻璃钢复合材　料，２００４（６）：７—９．　强亚林（１９９２年生），山西临汾市人，硕士研究生，研究方向：建筑产　业化。　基金项目：河北建筑工程学院研究生创新基金项目（ＸＡ２０１７２２）。　（上接第２０页）红粘土干湿循环情况模拟不足，因此要得到更精　［５］王中文，洪宝宁，刘鑫，等．红粘土抗剪强度的水敏性研究［Ｊ］．四川大　学学报（工程科学版），２０１１（１）：１７—２２．　【６］刘葵之，李永豪．不同ｐＨ值条件下干湿循环作用对桂林红粘土力学　性质的影响［Ｊ］．自然灾害学报，２０１４（５）：１０７—１１２．　［７］赵雄飞，陈开圣．干湿循环条件下红粘土的胀缩变形特性研究［Ｊ］．贵　州大学学报（自然科学版），２０１６，３３（１）：１３２—１３５．　［８］褚卫军．干湿循环作用下红粘土胀缩变形特性及裂缝扩展规律研究　［Ｄ］．贵州大学，２０１５．　［９］ＧＢＴ５０１２３—１９９９土工试验方法标准［Ｓ］．　作者简介：汤小林（１９９４年生），男，四川仪陇人，大学本科学生，曾获　重庆市普通高校“三好学生”荣誉称号，多次获国家励志奖学金等。　确的变化规律，有待于更长期的干湿循环影响研究。　参考文献　［１］杜忠全，黄涛，黄凯．贵州红黏土工程性质探讨［Ｊ］．河南建材，２０１５，９　（４）：２７—２８．　［２］谭罗荣，孔令伟．某类红粘土的基本特性与微观结构特征［Ｊ］．岩石力　学与工程学报，２００１，７（４）：４５８—４６２．　［３］熊探宇，张永双，曲永新，等．滇西北红粘土的工程地质特性及其灾害　效应［ｃ］．２００８年地质灾害风险评估与管理学术讨论会，２００８：１８９４　—１８９９．　［４］关键超．柳州白莲机杨红粘土胀缩性分析［Ｊ］．城市勘测，２００７，１０　（５）：１１７—１２０．　（上接第２１页）验。如２４小时试验所需样块一块以上时，自恒　湿室中，取出的样块，应盖以湿在直至试验时为止。自水槽中取　出者，应置于水盘内，直至试验的时为止，盘内水的温度为２３。±　１．７℃，水深须足以没过样块。样品试验时应拂拭至表面干的程　度，样品与夹口接触部份，如附着有松散的沙粒及其他物质，应　予除去。夹口的承压面应得保持清洁不可附着沙粒及其他物　质。夹口的滚轴加适当的润滑，俾能自由滚动。夹子架应保持　清洁，尖轴的松紧应有适当的调节，使夹子能在尖轴上自由转　动。样品置于夹子内时，应注意对正中间，不可偏斜，负荷以每　分钟２７５±１０公斤的速度连续增加。　２．４砂浆的保水性试验　在碗上，重新拌和１５秒，再把碗上的砂浆装满于保水性试验仪　的多孔浅盘内，先用捣棒在盘的四周敲击１０次，使砂浆均匀充　满盘的四周，再用捣棒在盘的中央附近敲击５次。取钢直尺，把　多余砂浆盖平，打开三通管栓接通至大气压力中。从开始时的　砂浆拌和至加真空压力必须在８分钟内完成。将盘子取出，用　湿布擦拭水珠，再用削刀在盘子内拌和，然后置人流度模内量取　流度值（从开始时的砂浆拌和至全部过程完成，必须在１　１分钟　内完成）。　参考文献　［１］齐玉花．随机抽样方法在红砖检测中的运用研究［Ｊ］．科技展望　２０１６，２６（２９）．　欲测试的砂浆拌和后，做流度试验记录其流度值，但其流度　需在１０５％～１１５％范围内，在流度试验后把流度台上的砂浆放　［２］陆伟圣．砂浆强度试验方法应改进［Ｊ］．建筑工人，１９９２（１２）．　（上接第２３页）　［５］秦鸿根，刘斯凤，孙伟，等．钢纤维掺量和类型对混凝土性能的影响　［Ｊ］．建筑材料学报，２００３，６（４）：３６４—３６８．　［６］李国明．钢纤维混凝土的性能及其应用实例［Ｊ］．广东建材，２００５（６）：　２２—２４．　参考文献　［１］Ａｈｍａｄ　Ｈ，Ｌａｇｏｕｄａｓ　Ｄ　Ｃ．Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｅｌａｓｔｉｃ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｆｉｂｅｒ—Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｗｉｔｈ　Ｒａｎｄｏｍ　Ｆｉｂｅｒｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，　１９９１，１１７（１２）：２９３１—２９３８．　［２］Ｓａｎｄｅｒｓ　Ｄ　Ｈ，Ｗｕ　Ｑ．Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　Ｓｔｅｅｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　［Ｃ　Ｊ．／／Ｓｔｕｃｔｕｒｅｓ　Ｃｏｎｇｒｒｅｓｓ　ＸＩＩ．ＡＳＣＥ，２０１５．　［７］中华人民共和国建设部．ＧＢ５００１０—２００２混凝土结构设计规范［Ｓ］．　中国建筑工业出版社，２００２．　［８］中华人民共和国建设部．ＧＢ／Ｔ　５００８１—２００２普通混凝土力学性能试　验方法标准［ｓ］．中国建筑工业出版社，２００３．　通讯作者（　）：杨晓林。　［３］关宇．钢纤维混凝土的组成、特点及应用［Ｊ］．当代建设，２００３（６）：ｌ１９　—１２０．　［４］黄承逵．纤维混凝土结构［Ｍ］．机械工业出版社，２００４．　·２５·