FRP管约束混凝土柱的抗震性能是结构设计者和研究者都很关注的一个问题, 目前研究主要集中在对构件进行水平往复荷载作用下的拟静力试验上。Katsumata和Kobatale等^[1]首先对FRP管约束混凝土柱的抗震性能进行了研究, 结果表明FRP管约束混凝土柱相对于普通混凝土柱延性有大幅提高, 抗震性能显著改善。Shao与Mirmiran^[2]针对6根GFRP管混凝土柱展开了低周反复加载试验, 结果表明:当沿轴向纤维铺层较少时柱会发生延性破坏, 当沿轴向纤维铺层较多时柱会发生脆性破坏, GFRP管混凝土组合长柱中配置适量钢筋可以较大地改善柱的抗震性能。Yunita Idris等^[3]对3根方形截面高强混凝土FRP管柱进行了恒定轴向荷载和低周反复荷载共同作用下的力学性能试验, 试验结果表明, 方形截面的高强混凝土FRP管柱具有较强的非弹性变形能力;随着轴向荷载的增加以及混凝土强度等级的提高, 柱的变形性能变差。王清湘等^[4]对1根素混凝土柱和4根GFRP管混凝土组合柱进行了低周反复加载试验, 观察研究了其破坏特性和滞回性能, 分析了轴压比、混凝土强度等级等试验参数对组合柱变形的影响。王吉忠等^[5]以轴压比、纤维加固量及加固形式为参数, 采用有限元方法对CFRP约束高强混凝土柱进行了抗震性能研究。肖建庄等^[6]以再生粗骨料取代率和混凝土强度等级为主要参数, 开展了6根GFRP管再生混凝土柱试件的低周反复试验。

　　 通过上述研究可知, 目前针对FRP约束混凝土组合柱的抗震性能研究都是对构件进行水平低周往复荷载作用下的拟静力试验, 构件受轴压比、长细比等因素影响的研究还不够全面, 尤其是对纤维的缠绕方式对抗震性能的影响研究几乎未曾涉及, 且关于FRP管约束混凝土组合柱在水平往复荷载作用下的刚度退化问题也有待于进一步分析研究。

　　 为了了解GFRP管混凝土组合长柱的抗震性能, 对其进行水平低周往复加载试验, 研究不同纤维缠绕角度θ下组合长柱的抗震性能, 设计制作的试件相关参数见表1, 相关参数含义见图1 (a) 。

　　 GFRP管混凝土组合长柱两端限制水平移动, 但可小幅转动, 保证加载过程中组合长柱上、下端处于铰接状态。整体试验加载装置如图1所示。

　　 GFRP管混凝土组合长柱混凝土设计强度等级为C40, 在实验室内进行浇筑。GFRP管组成纤维的抗拉强度为616MPa, 弹性模量为14.4GPa, 基体即将纤维粘结成型的以环氧树脂为基本材料的粘结剂的抗拉强度为48MPa, 弹性模量为1.8GPa。

　　 考虑到试验过程中侧向位移可能较大, 加载过程采用位移控制方法。在竖向按轴压比为0.4的要求施加轴压力后保持不变, 水平荷载由拟静力液压伺服水平作动器分级施加于长柱中部, 水平荷载加载制度如图2所示。

　　 加载初期, GFRP管混凝土组合长柱在弹性范围内工作, 表面无明显变化, 随着水平位移的不断加大, 试件的侧向变形和弯曲曲率逐渐增大, 长柱中部背向作动器一侧的GFRP管首先出现少量泛白区 (图3) 。随后泛白区的面积不断增加, 直到加载后期能听到泛白区“吱吱”的纤维断裂声, 水平荷载施加点上方一定范围内可发现环向分布的细小裂缝, 破坏时试件跨中偏上受拉一侧的纤维被撕裂, 裂口迅速发展, 受压一侧纤维快速堆积, 长柱发生较大程度的倾斜并断裂 (图4) 。不同纤维缠绕角度的长柱破坏现象类似, 不同之处在于柱FCZ1-2承载时出现沿30°方向发展的泛白区, 并且发生断裂的时间也较晚。

　　 试验得到的两根GFRP管混凝土组合长柱的滞回曲线如图5所示。分析滞回曲线的特点可知, 曲线整体呈梭形, 表明GFRP管混凝土组合长柱抗震性能和耗能能力良好。随着水平荷载的逐级增加, 滞回环围成的面积越来越大, 滞回曲线愈加饱满。同时, 随着水平荷载的增大, 试件的残余变形增加, 曲线斜率减小, 说明GFRP管混凝土组合长柱刚度出现退化。当GFRP管混凝土组合长柱水平恢复力达到最大值时, 随着加载次数的增加, 曲线出现下降段, 表明试件的承载能力降低。

　　 图5 试件FCZ1-1, FCZ1-2滞回曲线

　　 对比两个试件的滞回曲线可以发现, 试件FCZ1-2的水平承载力大于试件FCZ1-1, 其滞回曲线更加饱满, 说明纤维缠绕角度为30°的GFRP管混凝土组合长柱抗震性能优于纤维缠绕角度为0°的组合长柱。这是因为当纤维缠绕角度为30°时, GFRP管材纵向弹性模量较大, 则其抗弯刚度较大, 因此抗弯能力较强, 能够承受更大的水平荷载。而纤维缠绕角度为0°的GFRP管材在垂直于纤维方向上的抗拉强度和弹性模量较低, 为试件纵向提供的增强作用有限。

　　 图6为两根GFRP管混凝土组合长柱的骨架曲线, 即滞回曲线包络线, 可以看到GFRP管混凝土组合长柱依次经历了弹性、弹塑性和破坏3个阶段, 试件整体延性较好。在同样水平位移条件下, 试件FCZ1-2对应的恢复力要大于试件FCZ1-1, 说明在试验条件下, 试件FCZ1-2的抗震性能更好。

　　 图6 试件FCZ1-1, FCZ1-2骨架曲线

　　 由于试验所涉及的GFRP管混凝土组合长柱较少, 无法全面揭示其抗震性能, 在试验的基础上, 建立有限元数值模型, 分析轴压比、长细比、纤维缠绕角度等因素对GFRP管混凝土组合长柱滞回性能的影响, 探讨在各个因素影响下试件抗震性能的变化规律, 可为该类试件抗震性能的深入研究提供一定的参考。

　　 在固定轴力和水平往复荷载共同作用下, 考虑长柱的长细比、轴压比和GFRP管纤维缠绕角度3个参数对GFRP管混凝土组合长柱滞回性能的影响。为了便于与试验作比较, GFRP管的有限元模型参数与试验取值一致, 柱的长细比λ分别为30, 53.3, 70, 轴压比n分别为0.2, 0.4, 0.6, 纤维缠绕角度θ分别为0°, 30°, 45°, 填充混凝土强度等级仍采用C40, 所有试件的具体参数如表2所示, 有限元模拟试件的命名方法为S30-A00-N02, 其中S代表长细比, A代表纤维缠绕角度, N代表轴压比, S30-A00-N02即为试件的长细比为30, 纤维缠绕角度为0°, 轴压比为0.2。

　　 采用ABAQUS软件建立有限元模型, 混凝土采用软件提供的混凝土损伤塑性模型, 另外还需定义卸载线和再加载线。连接卸载点与残余塑性应变点所得直线即为卸载线和再加载线, 两直线重合。其中残余塑性应变采用Karsan和Jirsa^[7]提出的公式进行计算。由于模型水平往复荷载采用位移控制加载, 因此采用牛顿-拉普森法。该算法在非线性分析中以增量的形式加载给定荷载求解, 并逐步获得最终解。

　　 有限元分析中收敛准则采用默认的残余差力容许值为整个荷载阶段作用于试件上的平均荷载的0.5%, 程序会在整个分析过程中自动计算此平均荷载;要求位移修正值小于位移总增量的1%。只有同时满足以上两个收敛准则, 才能认为该迭代步收敛。

　　 选取与试验试件相同参数的GFRP管混凝土组合长柱S53-A00-N04和S53-A30-N04做滞回分析, 得到试件的骨架曲线, 并将由试验结果得到的骨架曲线与数值分析得到的骨架曲线进行比较, 如图7所示。由图7可以看出, 总体上来说, 有限元模拟所得骨架曲线与试验结果吻合较好, 两骨架曲线的形状类似, 发展趋势大致相同, 得到的水平极限承载力也比较相近, 说明所采用的有限元模型分析方法及参数是可行的, 由此开展对各工况下的GFRP管混凝土组合长柱进行滞回性能的延拓分析结果是可信的。

　　 通过比较不同工况下组合长柱的滞回曲线特点可得到轴压比、长细比和GFRP管纤维缠绕角度对GFRP管混凝土组合长柱滞回性能的影响。

　　 图8为长细比为30、不同纤维缠绕角度时, 轴压比对试件滞回曲线的影响, 其他长细比、纤维缠绕角度条件下轴压比对试件滞回曲线的影响相似。

　　 在试件长细比和纤维缠绕角度保持恒定时, 轴压比对滞回曲线的影响显著, 具体表现为:1) 试件进入塑性加载阶段时, 随着位移加载幅度的不断增加, GFRP管混凝土组合长柱的水平承载能力逐渐降低, 曲线开始收敛, 可见试件的承载力因循环加载次数的增加而下降;并且试件卸载时的残余变形逐渐增加。2) 轴压比越小, 滞回曲线越饱满;轴压比越大, 滞回曲线包围的面积越小, 耗能能力逐渐变差, 表明轴压比较大时 (n>0.5) , 试件因过快丧失承载能力而使塑性得不到充分发展。

　　 轴压比对GFRP管材纤维缠绕角度较大的试件影响更大。当纤维缠绕角度为45°时, 轴压比为0.2和0.6的试件所对应的滞回曲线面积差值明显大于纤维缠绕角度为0°时相应滞回曲线面积的差值。

　　 图9为轴压比和纤维缠绕角度保持恒定时, 不同长细比对试件滞回曲线的影响, 其他纤维缠绕角度、轴压比条件下长细比对试件滞回曲线的关系相似。分析不同纤维缠绕角度及轴压比条件下, 长细比与滞回曲线的关系可得:1) 随着长细比的增大, GFRP管混凝土组合长柱中部发生同样水平位移时的恢复力逐渐减小, 试件的水平承载力明显降低, 强度和刚度均显著下降;长细比越小, 滞回曲线越饱满, 试件的耗能能力越强。2) 长细比较小的试件在达到峰值荷载后承载力下降速率快, 试件退出工作较早;而长细比较大的试件相对能承受更大的水平荷载, 曲线下降段较为平缓。但是长细比的增加导致试件承载力的下降比较显著, 刚度也有明显降低。因此, 总体来说还是长细比较小的试件滞回曲线包围的面积更大, 具有更好的抗震能力。

　　 图10为轴压比和长细比保持恒定时, 不同纤维缠绕角度对试件滞回曲线的影响, 其他长细比和轴压比条件下纤维缠绕角度对滞回曲线的关系也相似。

　　 由图10可知:1) 当轴向力较小 (轴压比为0.2, 0.4) 时, 纤维缠绕角度越大, GFRP管混凝土组合长柱的滞回曲线越饱满, 抗震能力越好。这是因为GFRP管材的纤维缠绕角度越大, 试件在纵向上的弹性模量和刚度也越大, 因此抗弯能力越强, 能承受的水平荷载较大, 耗能能力越好。2) 当轴向力较大 (轴压比为0.6) 时, 纤维缠绕角度越小, GFRP管混凝土组合长柱的滞回曲线越饱满, 抗震性能越好。3) 纤维缠绕角度对试件抗震性能的影响与轴压比、长细比的影响相比要小得多, 故在选择试件参数时, 首先要考虑合适的轴压比与长细比, 纤维缠绕角度应作为最后选项。

　　 (1) GFRP管混凝土组合长柱的抗震性能与钢管混凝土柱的性能相似, GFRP管对内部混凝土具有一定的约束作用, 可以提高长柱的承载能力和变形能力, 但其提高幅度要远小于短柱的提高幅度。

　　 (2) 轴压比对长柱抗震性能影响显著, 当轴压比小于0.5时, 适当的轴压力对长柱抗震性能的影响是有利的;当轴压比大于0.5时, 轴力的增加会加速长柱的失稳破坏。

　　 (3) 长细比是影响长柱抗震性能的重要参数, 长细比越小, 滞回曲线越饱满, 试件的耗能能力越强;但长细比较大的试件相对能承受更大的水平位移, 骨架曲线下降段较为平缓。

　　 (4) 纤维缠绕角度对试件滞回曲线的影响比轴压比和长细比的影响要小, 其影响规律与试件轴压比的大小有关。当轴向力较小 (轴压比为0.2, 0.4) 时, 纤维缠绕角度越大, 组合长柱的滞回曲线越饱满, 抗震能力越好;而当轴向力较大 (轴压比为0.6) 时, 纤维缠绕角度越小, 组合长柱的滞回曲线越饱满, 抗震性能越好。