中空FRP管钢筋混凝土柱结构的研究进展.pdf

2 0 1 3 年 第 6 期 炼 油 与 化 REFI NI NG AND CHEMl CAL I NDUS T RY 7 中空F R P管钢筋混凝土柱结构的研究进展 周 岩 大庆石化公司矿区服务事业部 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 7 1 4 摘要 文中阐述了一种新型组合建筑构件一中空F R P 管钢筋混凝土柱。该组合构件具有良好的耐 腐蚀性， 并且 自重轻， 较实心组合柱经济。中空F R P 管钢筋混凝土柱集中很多优点于一身， 在工程 结构中有着一定的应用前景。 关键词 中空； F R P ； 管钢筋混凝土柱； 研究进展 中图分类号 T U 3 7 5 ． 3 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 4 9 6 2 2 0 1 3 0 6 0 0 0 7 0 3 中空 F R P 管钢筋混凝土柱是在 F R P 管实心混 凝土柱和中空钢管混凝土柱的结构基础上组合的 一 种新 型组合构件 ， 它是由 F R P9 [“ 管 、 P V C或其它 塑料管做内管以及两者之间填充配有纵筋的混凝 土组成的新型组合构件。其截面结构见图1 。 图 1组合截面结构 该新型构件 的外管主要包含环 向或接近环 向 纤维的F R P 管， 纵向刚度很小， 其主要作用是约束 混凝土 ， 使得核心混凝 土处于三向受力状态 ， 横 向 变形受 到限制 ， 承载能力和延性得到了提高 ， 并提 高抗剪承载力。 1中空F RP管钢筋混凝土柱的优点 实际工程中， 实心F R P 管混凝土通常被用于 轴心受压或荷 载偏心较小 的压弯构件 。然而 ， 当 构件长细比或荷载偏心率较大时， 其承载力很大 程度上将由其抗弯刚度控制 ， 而实心F R P 管混凝 土靠近截面形心部位的材料并不能提供多少抗弯 刚度， 但却增加了构件的自重， 同时构件截面也较 大 。为避免实心构件 的上述缺点而研究 中空 F R P 管钢筋混凝土组合构件是有意义 的。一方面 ， 可 以提高结构 的受力性能和抗震性能 ， 减小结构 自 重， 提高结构的抗弯刚度 ， 便于构件运输和施工安 装 ； 另一方面 ， 在海 洋 、 潮湿和盐碱地等恶劣环境 下 的建筑 、 桥梁和特殊结构具有 良好 的耐腐蚀性 好技术 。固态脱氯剂则作为脱氯较为彻底的一种 方法 ， 可以作为C h l o r s o r b 技术的一项补充 ， 这样既 实现 了再生气 中氯 的洁净处理 ， 又延长 了脱氯剂 的寿命 。 参考文献 [ 1 ]赵志海． I F P 与U O P 连续重整再生技术烧炭过程分析和比较[ J ] ． 石油化工应用 ， 2 0 1 1 ， 3 0 7 1 4 1 7 ． [ 2 ]秦文戈， 张卫琪． C h l o r s o r b 氯吸附技术与碱洗技术的应用x t L [ j ] ． 广州化工 ， 2 0 1 1 ． 3 9 1 8 1 3 9 1 4 2． [ 3 ] P a u l A，R o b i n s o n ，D e l ma r W．Me t h o d f o r r e d u c i n g c h l o r i d e e mi s s i o n s f r o m a mo v i n g b e d c a t a l y s t r e g e n e r a t i o n p r o c e s s S e c h r i s t U S ， 6 0 3 4 0 1 8 【 P j ． 2 0 0 0 4 7 ． [ 4 ]沈登海 ， 刘林洋．连续重整催化剂再生过程氯吸附C h l o r s o r b T艺 应用[ J ] ． 石油化工应用 ， 2 0 1 1 ， 3 0 1 0 7 8 8 2 ． [ 5 ]冯续． 国产脱氯剂及其在重整装置中的应用[ J ] ．催化重整通讯， 2 0 0 8 5 6 8 7 1 ． [ 6 ]汤杰国， 邢卫东， 李生运． 固态脱氯技术在重整催化剂再生系统的 开发应用[ J ] ．T业催化， 2 0 0 8 ， 1 6 3 3 3 3 5 ． [ 7 ]张相勇． G L 一 1 再生炯气脱氯剂在连续重整装置上的工业应用[ J ] ． 石油炼制与化工， 2 0 1 2 ， 4 3 1 7 一 l 0 ． 收稿 日期 2 0 1 3 一 O 1 2 l 作者简介 娄阳， 男 ， lT程师 ， 2 0 0 3 年毕业于沈阳化工学院材料化学专 业 ， 现从事芳烃工艺开发研究1 二 作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 炼 油 与 化 丁 8 R E F I N I N G A N D C H E M I C A L I N D U S T R Y 第2 4 卷 等优点。 该构件 中混凝土作为主要纵 向受力材料 ， 由 于混凝土的存在， 又能缓解 F R P 管薄壁构件的屈 曲。中空 F R P 管钢筋混凝土构件具有3 个优点。 1 白重较轻 ， 相对于实心钢筋混凝土构件而 言， 更节约了内部空心部分的混凝土； 2 施工方便 ， F R P 外管和内管可作为施工时 浇铸混凝土的模板； 提高结构耐久性， 耐腐蚀性能 好 ， 特别适合沿海桥墩处的复杂环境 ， 延性及抗震 性能好 ； 3 采用 F R P 管 ， 相对于钢管价格低 ， 且后期 维护费用低。 F R P 外管主要用作耐腐蚀保护层和混凝土的 约束材料， 故可相对较薄， 而较普通钢筋混凝土空 心构件而言 ， 该种新 型构件节约 了浇铸混凝土所 用模板 的费用 ， 在初始造价基本相当的情况下 ， 该 种新 型构件作为受压构件的承载力在大部分受力 状况下都大于空心钢筋混凝土构件， 而延性和耐 久性 的优越性则更加突出。 2应用现状 在 国内外 已有对 F R P管实心混凝 土柱 、 F R P 管实心钢筋 昆 凝土柱 、 中空钢管混凝土柱 、 F R P 一 混 凝土一 钢管组合柱的实验研究和理论分析， 加拿大 的F a mA l n i r Z 在2 0 0 1 年对中空F R P 素混凝土柱和 双 F R P管混凝土柱进行 了试验研究“ 。 ， 试验结果 表 明中空 F R P管素混凝土柱的延 性相当 ， 但其约 束性能有所降低。如加入适当刚度的内F R P 管， 则中空双 F R P 管混凝土内空柱的强度能相 当于实 心 F R P管混凝 土柱的力学性能。 2 ． 1 F R P约束混凝土柱应力一应变关系 藤锦光等提出了F R P 约束圆形截面混凝土柱 应力一应变关系模型 ； 吴刚等提出了F R P 约束圆 形截面混凝土柱有软化段时的应力一 应变关系模 型； Y o u s s e f 等在考虑截面有效约束的基础上提出 了F R P 约束方形截面混凝土柱应力一应变关系模 型； wu 等提出了基于强弱约束判别的F R P 约束矩 形截面混凝土柱应力一应变关系模型； 胡波提出 了改进的P o p o v ic s 模型 ， F R P 约束混凝土柱应力 一 应变关 系模型 ， 既可用于预测圆形和矩形截 面 的应力一应变关系， 也可用于预测有强化段时和 有软化段时的应力一应变关系。F R P 约束实心7 昆 凝土圆柱 ， 混凝土所受的约束是均匀的， F R P 约束 的矩形和环形截面柱 中， 混凝土所受 的约束是非 均匀的 ， 典 型的 F R P约束混凝土柱应力一应变 曲 线见图 2 。 图2 典型的 F R P 约束混凝土柱应力一应变 曲线 2 ． 2 F RP管组合受压构件力学性能 我 国对纤维增强聚合物 的研究 和国外相 比 ， 起步较晚。但经过我国学者的努力也取得了很大 的成就。2 0 0 6 年 ， 吴东辉等 通过对 F R P管混凝土 轴心受压后期强化阶段力学特征及组成材料相互 约束条件的研究， 归纳出F R P 管与核心混凝土的 轴压极限应力预测公式， 运用合成法得到F R P 管 混凝土的轴压极限强度， 分析了各设计参数对组 合结构轴压极限强度的影响。同年 ， 滕锦光等人 进行 了F R P 管一 混凝土一 钢管组合柱力学性能的试 验研 究 ， 介绍 了构件轴心受压 和四点弯 曲试验 的 结果， 并分析和探讨了其力学性能。基于轴心受 压试验所得到的应力一应变曲线 ， 对受弯构件进 行 了截 面分析 ， 分 析结果 与试验结果 基本吻合 。 2 0 0 7 年进行 了圆 F R P 管一混凝土一钢管组合轴心 受压短柱的试验研究 ， 结果表明， 组合柱的抗压强 度和荷 载一 变形 曲线与 F R P管 的厚度有 很大关 系 。Wo n g对圆 F R P管一 混凝 土一 钢管组合柱进 行了轴压试验 ， 结果表明 ， 虽然内部空心削弱了外 部 F R P的约束作用， 但这种损失的约束作用完全 可 以由内部钢管来补偿 ， 混凝 土在 内外管作用下 受到了很好的约束。胡波、 王建国 在平面应变条 件下对 F R P 一 混凝 土一 钢混合双管柱进行力学分 析， 考虑混凝土和钢管的弹塑性， 提出了F R P 与钢 双管约束混凝土应力一应变关系理论模型。钱稼 茹、 刘明学 对 F R P 一 } 昆 凝土一钢双壁空心管柱抗 震性能进行 了试验研究 。共完成 了9 根双壁空心 管柱试件和4根混凝土一钢空心管柱对 比试件在 定轴力和往复水平力作用下的试验。双壁空心管 柱试件有三种破坏形态 内层钢管受拉屈服， 混凝 土压坏 ； 内层钢管未受拉屈服 ， 混凝土压坏或在塑 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 第6 期 周岩， 等． 中空F R P 管钢筋混凝土柱结构的研究进展 【 j 性铰 区F R P管 出现多条树脂受压剪切裂缝 ； 塑性 铰区F R P 管压屈。结果表明， 由于 F R P的约束作 用， 双壁空心管柱试件的承载能力大于混凝土一 钢空心管柱试件 ， 变形能力和耗能能力显著大于 对比试件。 2 ． 3 F R P用于加固的研究现状 国内对于 F R P加 固这项技术的开发与世界其 他 国家 同步 。1 9 8 2 年 ， 北京 密云的公路桥就是采 用 C F R P 材料 加固的。对 F R P的进一步研究 和应 用始于2 0 世纪9 0 年代中期， 由清华大学和冶金建 筑科学 院展开研究 的。其成果应用 于部 分工程 ， 经检验在结构加固领域取得 了很好的效果 。进入 2 1 世纪 ， F R P 加 固技术开始 E t 趋成熟 ， 2 0 0 0 年用该 技术对百余项较大的工程进行了加固， 包括人民 大会堂和民族文化宫等工程。 合肥工业大学的王静峰在2 0 0 7 年对一种中空 双 F R P 管组合结构申请了专利 ， 但国内外尚没有 对 中空 F R P管钢筋混凝土柱 的试验研究和有限元 分析 ， 仅有对中空钢管混凝土柱的试验研究和理 论研究分析 。 2 0世纪 7 0年代 ， 美 国空军 飞行 力学研究 室 、 N o r t h r o p 公司等率先采用F R P 材料来修复飞机破 损 。同我 国一样 ， 美 国和 日本对 于 F R P材料在加 固领域的应用始于2 0 世纪8 O 年代 ， 到9 0 年代初 期 ， 才出现大批的科研机构。日本处于地震高发 区的 国家 ， 对 于 F R P加 固技术 的掌握相 对成熟 。 1 9 9 9 年， 13 本建筑防灾协会发行 连续纤维材料对 钢筋混凝土和钢骨混凝土结构抗震加固设计和施 工指南 。近年来， 特别是美国北岭与日本阪神地 震后 ， F R P材料加固钢筋混凝土结构起到了很大的 作用。 3结束语 中空 F R P 管钢筋混凝土柱集 中很多优点于一 身， 将在工程中有广泛的应用前景。但由于其理 论的研究 尚需完善 ， 应从 4 个方面开展 中空F R P钢 筋混凝土柱的研究工作。 1 进行 中空 F R P 管钢筋混凝土短柱和长住 承载力设计研究。 2 通过试 验研究 和有 限元模拟对此类构件 在各种受力作用状态下进行力学性能研究 ， 包括 轴压、 压弯及多种荷载组合下的力学性能。 3 研究相关参数对构件承载力的影响。包 括控制空心率、 F R P 管的径厚比、 构件的长细比、 混 凝土强度、 钢筋配筋率， 得到中空F R P 管钢筋混凝 土构件的承载力。 4 确定合理的空心率、 F R P 管的径厚比、 构 件的长细比、 混凝土强度和配筋率。 参考文献 [ 1 ]F a m A l n ir Z ，H R i z k a l l a ．S a m i ．B e h a v i o r o f A x i a l l y L o a d e d C o n e r e t e F i l l e d C i r e u l a r F i b e r R e i n fo r e e d P o l y m e r T u b e s [ J 1 ．A C I S t r u e t u r a l J o u r n a 1 ． 2 0 0 1 ， 9 8 3 2 8 0 2 8 9 ． [ 2 ]F a m A m i r ， R i z k a l l a S a m i ． L a r g e s c a l e t e s t i n g a n d a n a l y s i s o f h y b r i d c o n e r e t ／ e o m p o s i t e t u b e s f o r c i r e u l a r b e a m - c o l u m n a p p l i e a t i o n s [ J ] ． Co n s t r u e t i o n a n dBu i l d i n gMa t e r ia l s ， 2 0 0 3， 1 7 5 0 7 - 51 6 ． [ 3 ]滕锦光， 余涛． F R P 管一混凝土一钢管组合柱力学性能的试验研 究和理论分析[ J ] ． 建筑钢结构进展， 2 0 0 6 5 1 - 7 ． [ 4 ]胡波 ， 王建 国． F R P与钢双管约束混凝 土应力一应变关系理论模 型[ J ] ．工程力学， 2 0 1 0 ， 2 7 7 1 5 4 1 6 0 ． [ 5 ]吴东辉， 杨松， 唐桂云， 等． F R P 管增强混凝土结构的轴压极限强 度[ J ] 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