内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土偏压短柱试验的学习体会

文献概况与结构创新

本文出自沈阳建筑大学李帼昌等学者，发表于《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》2009年第25卷第5期，研究利用PVC管为模管缠制CFRP圆管后，将其内置于方钢管之中并浇筑高强混凝土，在500 kN压力机上进行偏压试验。该结构形式将CFRP圆管、方钢管和高强混凝土组合使用，形成一种新型组合构件。

从钢管与管件制造的角度来看，方钢管通常采用冷弯成型工艺制造，其焊接接头为直缝焊缝。CFRP圆管采用缠绕成型工艺，其制造工艺与金属钢管完全不同。两者的组合需要在连接节点处解决不同材料之间的协同工作问题。

试验方法与结果分析

文献通过偏压试验，研究了内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土试件的受力特点。试验绘制了荷载-应变曲线，分析了组合材料的协同工作性能，总结了偏压荷载作用下组合材料泊松比的变化规律。

试验结果表明，偏心率越大，试件承载力越小。含钢率越大试件承载力越大。CFRP平均增加一层，试件承载力提高约10%。此种新型组合试件同普通钢管混凝土试件相同存在大小偏压，其界限偏心率为0.3。

CFRP圆管的制造工艺与质量控制

CFRP圆管采用缠绕成型工艺，其制造工艺和质量控制与金属钢管完全不同。从制造角度，需要关注以下要点：

缠绕工艺参数：CFRP圆管的缠绕角度、缠绕速度、树脂含量等工艺参数直接影响圆管的力学性能。建议采用计算机控制缠绕工艺，确保缠绕参数的精确控制。

固化工艺：CFRP圆管的固化温度、固化时间等参数影响圆管的最终性能。建议采用阶梯升温固化工艺，避免固化过程中产生内应力和缺陷。

质量检验：CFRP圆管的质量检验通常采用超声检测（UT）、热成像检测（IRT）等方法，检测圆管内部的气孔、分层、纤维断裂等缺陷。根据ISO 15114标准，CFRP制品的质量检验应满足相关标准要求。

方钢管与CFRP圆管的连接设计

方钢管与CFRP圆管的连接是组合结构的关键薄弱环节。由于两种材料的力学性能差异较大，连接设计需要特别关注以下要点：

连接方式选择：方钢管与CFRP圆管的连接可采用机械连接（螺栓、销钉）或胶接方式。机械连接对CFRP圆管的局部强度要求较高，胶接则对胶层质量和界面处理要求较高。

界面处理：CFRP圆管与高强混凝土的界面处理直接影响两者的协同工作性能。建议采用机械锚固和胶接相结合的方式，提高界面粘结强度。

残余应力控制：方钢管的焊接残余应力和CFRP圆管的固化残余应力会影响组合结构的整体性能。建议采用以下措施控制残余应力：

• 方钢管焊接后去应力退火处理，消除有害残余应力。
• CFRP圆管采用阶梯升温固化工艺，减少固化内应力。
• 组合结构整体进行低温固化处理，协调两种材料的残余应力状态。

高强混凝土的施工质量控制

高强混凝土的施工质量控制是组合结构性能的关键。从施工角度，需要关注以下要点：

混凝土配合比设计：高强混凝土的强度等级通常不低于C60，其配合比设计需要特别关注水胶比、骨料级配和外加剂选择。建议采用低水胶比（≤0.35）和高效减水剂，确保混凝土的强度和耐久性。

浇筑工艺：在方钢管和CFRP圆管之间的狭小空间中浇筑高强混凝土，需要特别关注混凝土的泵送性能和振捣质量。建议采用自密实混凝土（SCC）或采用小振幅高频振捣，确保混凝土的密实度。

养护要求：高强混凝土的养护要求较高，建议采用蒸汽养护或热水养护，确保混凝土强度的正常发展。养护温度和养护时间应根据混凝土强度等级和工程要求确定。

工程实践启示

该文献的研究成果对内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土组合结构的工程应用具有重要指导意义。在实际工程中，建议采用以下策略：

1. CFRP圆管设计优化：根据承载力要求，合理设计CFRP圆管的层数和缠绕角度，建议采用多层缠绕以提高承载力。
2. 方钢管壁厚优化：根据承载力要求，合理设计方钢管壁厚，建议通过增加壁厚提高承载力，但需注意壁厚增加对制造成本的影响。
3. 界面处理加强：对方钢管与CFRP圆管、CFRP圆管与高强混凝土的界面进行加强处理，提高界面粘结强度。
4. 施工质量控制：严格控制高强混凝土的浇筑质量和养护条件，确保混凝土强度的正常发展。

该文献从偏压性能角度揭示了内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土组合结构的优势，为新型组合结构的设计提供了试验依据。在钢管制造和CFRP圆管制造环节，应充分认识到两种材料的协同工作性能对组合结构整体性能的影响，在制造过程中严格执行相关标准，确保组合结构在服役期间的安全性和可靠性。