我国对海洋工程建设的重视程度日益提高，需要在海岛进行大规模的建设活动，大量使用混凝土，河砂、淡水资源紧缺是一方面问题，更大的问题就是从内陆大量运输建筑材料会导致工程运输成本提高、工期长。我国的海水、海砂和珊瑚等海洋资源十分丰富，如果能够就地充分利用，可望解决以上问题。

多年来，众多学者对海水海砂珊瑚混凝土进行了大量的研究^[1-5]。珊瑚骨料是由造礁珊瑚虫群体死后的遗骸形成的岩石状礁体经海洋运动被分解形成的，采用珊瑚礁石修建工程已具有数十年的历史，美国为方便太平洋地区军事设施建设，曾制定相关标准并指出：“如果缺乏常规骨料，工程建设可使用珊瑚骨料作为混凝土骨料”^[1]。王磊等^[6]研究发现珊瑚骨料属于天然轻骨料，孔隙率接近50%，珊瑚吸水率较高，表面粗糙，与水泥石之间的摩擦力较大，另外，珊瑚形状特殊，需更多的水泥包裹使施工性能较好；余红发等^[7]研究发现高强全珊瑚海水混凝土具有高初始氯离子含量、高表面自由氯离子含量和高表观氯离子扩散系数；达波等^[8]研究全珊瑚海水混凝土的破坏呈脆性，典型破坏形态为劈裂破坏；相同强度的全珊瑚海水混凝土比普通混凝土和轻集料混凝土的脆性更强；Huang等^[9]研究发现采用海水海砂珊瑚混凝土破坏比淡水河砂珊瑚混凝土严重；海水提高了珊瑚混凝土的强度和弹性模量，但海砂却在一定程度上会降低珊瑚混凝土的性能；为了提高珊瑚混凝土的延性，学者们又提出了在珊瑚混凝土中掺加碳纤维、不锈钢纤维或硅灰等材料^[10-11]。

为了解决海水海砂珊瑚混凝土中氯离子含量高、力学性能较差等问题，国内外学者研究表明纤维增强树脂复合材料(FRP)具有良好的抗腐蚀性能，且其还具有轻质、高强等优点^[12-14]，可用于约束海水海砂珊瑚混凝土，各种纤维增强复合材料中，碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)的弹性模量和抗拉强度最高，但碳纤维具有导电性可能会对钢材造成电化学腐蚀，有研究表明碳纤维与钢材间用具有电绝缘性的环氧树脂胶作为粘结剂可有效降低电化学腐蚀的腐蚀速率，还可以显著提高复合材料间的粘结效果^[15-16]。Wang等^[17]对玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)约束海水珊瑚骨料混凝土柱进行了轴向压缩试验，研究发现：GFRP管约束普通骨料混凝土的轴压承载力优于GFRP管约束海水珊瑚骨料混凝土柱，但是GFRP管约束海水珊瑚骨料混凝土柱延性较好；Zhang等^[18]研究了GFRP约束珊瑚混凝土柱的微观性能和力学性能，发现珊瑚混凝土柱表现出明显的脆性破坏；GFRP的约束使其力学性能明显提高。

然而FRP在实际应用中具有弹模低、延性差的缺陷，其与钢材结合使用，能够扬长避短。如与钢管共同约束混凝土，能够获得较好的综合力学性能；同时，FRP包覆于钢管内外的复合，利用FRP良好的耐久性能，能够完美地解决海水、海砂和珊瑚中氯离子的腐蚀性问题。国内外大量学者对FRP-钢复合管约束混凝土结构开展了丰富的研究^[19-22]，目前，对FRP-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土的轴压性能尚无研究，多数研究是围绕FRP-钢复合管约束海水海砂混凝土展开的。研究结果表明FRP能有效延缓甚至抑制钢管的局部屈曲，与钢管形成FRP-钢复合管，从而有效地提高试件承载能力及变形能力。Li等^[23]研究了不锈钢管、GFRP管、不锈钢管和GFRP双层套管约束海水海砂混凝土柱的应力-应变关系曲线，并分别提出了单管约束和双层套管约束海水海砂混凝土柱的承载能力预测模型；另外，Li等^[24]研究了多种类型FRP(包括CFRP、玄武岩纤维增强树脂复合材料(BFRP))组合管约束海水海砂混凝土柱静力轴压性能，研究表明CFRP的弹性模量及抗拉强度优于BFRP，更有效地提高了试件的力学性能；柏佳文等^[25]对12根CFRP-碳钢复合管约束海水海砂混凝土柱进行了轴压试验，试验参数包括CFRP 层数和核心混凝土强度等级。

基于以上研究，本文提出一种圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚柱结构，通过在圆形钢管内外壁用环氧树脂粘贴碳纤维布形成CFRP-钢复合管，再将海水海砂珊瑚混凝土浇筑于复合管内部形成，以解决海水、海砂和珊瑚中氯离子的腐蚀问题并提高结构的力学性能。

1.   圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土结构概念

图1为圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土结构的横断面图。CFRP-钢复合管即由内向外依次由内壁CFRP、钢管和外壁CFRP组成。CFRP纤维布通过环氧树脂胶完全浸润，然后分别包覆缠绕于钢管内、外壁，待环氧树脂胶凝固，形成CFRP-钢复合管；海水海砂珊瑚混凝土浇筑于复合管核心，其能够实现海洋工程建设中海水海砂珊瑚混凝土的直接利用。试件在轴向荷载的作用下，圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土柱的承载力由钢管、CFRP及海水海砂珊瑚混凝土共同承担，其中钢管处于双应力状态，既提供纵向应力，又提供环向约束力f_ls，而CFRP的纵向应力可忽略不计，仅提供环向约束力，在本文结构中CFRP提供的环向约束力由钢管内壁CFRP环向约束力f_lf,i和钢管外壁CFRP约束力f_lf,o共同组成，如图2所示。

图  1  圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土结构横断面

Figure  1.  Cross section of CFRP-steel composite tube filled circular seawater sea-sand coral concrete structure

D—Diameter; FRP—Fiber reinforced plastics

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  2  CFRP-钢复合管受力状态

Figure  2.  Stress state of CFRP-steel composite tube

f_l—Lateral confining pressure provided by FRP and steel tube; f_ls—Steel tube lateral confining pressure; f_lf,i—Inner FRP lateral confining pressure; f_lf,o—Outer FRP lateral confining pressure

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.1   圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土试件设计与制备

本试验共制备了14根试件，其中包括圆形纯钢管海水海砂珊瑚混凝土对比试件2根及圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土柱试件12根，试件的高径比均为3，钢管的厚度均为4.5 mm，试件的尺寸分为两种：(1) 高度400 mm，外径133 mm；(2) 高度477 mm，外径159 mm。试验参数为钢管径厚比(35.33、29.56)、CFRP层数(内壁1层，外壁1、2、3层)，试件具体参数见表1。

表  1  圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土柱试件轴压试验结果

Table  1.  Test results of CFRP-steel composite tube filled circular seawater sea-sand coral concrete columns under axial compression

Specimen number	Height H/mm	Diameter D/mm	Steel thickness ts/mm	D/ts	Inner-CFRP layers	Outer-CFRP layers	Ultimate stress fcu/MPa	Ultimate strain εcu
ST-I	400	133	4.5	29.56	–	–	–	–
SC1TC1-I-1	400	133	4.5	29.56	1	1	136.6	0.0171
SC1TC1-I-2	400	133	4.5	29.56	1	1	133.3	0.0175
SC1TC2-I-1	400	133	4.5	29.56	1	2	163.8	0.0240
SC1TC2-I-2	400	133	4.5	29.56	1	2	166.2	0.0229
SC1TC3-I-1	400	133	4.5	29.56	1	3	174.1	0.0253
SC1TC3-I-2	400	133	4.5	29.56	1	3	181.6	0.0272
ST-II	477	133	4.5	35.33	–	–	–	–
SC1TC1-II-1	477	159	4.5	35.33	1	1	116.5	0.0168
SC1TC1-II-2	477	159	4.5	35.33	1	1	111.1	0.0160
SC1TC2-II-1	477	159	4.5	35.33	1	2	122.1	0.0175
SC1TC2-II-2	477	159	4.5	35.33	1	2	129.3	0.0176
SC1TC3-II-1	477	159	4.5	35.33	1	3	135.7	0.0176
SC1TC3-II-2	477	159	4.5	35.33	1	3	138.5	0.0191
Notes: Specimens were numbered according to the different parameters of the specimens. Two specimens with the same parameters were prepared, and they were distinguished by "-1" and "-2". The "S" represents the seawater sea-sand coral concrete; the "C" and the number after it represent the inner CFRP layer; the "T" represents the steel tube; the "C" and the number after it represent the outer CFRP layer. "I" is added after the number of the specimen with a diameter-to-thickness ratio of 29.56 and "II" is added after the number of the specimen with a diameter-to-thickness ratio of 35.33. ST-I—Steel tube filled circular seawater sea-sand coral concrete column with diameter thickness ratio of 29.56; ST-II—Steel tube filled circular seawater sea-sand coral concrete column with diameter thickness ratio of 35.33; SC1TC2-I-1—CFRP-steel composite tube filled circular seawater sea-sand coral concrete column with diameter thickness ratio of 29.56 and one-layer inner-CFRP and two-layers outer-CFRP; SC1TC2-II-1—CFRP-steel composite tube filled circular seawater sea-sand coral concrete column with diameter thickness ratio of 35.33 and one-layer inner-CFRP and two-layers outer-CFRP.

下载: 导出CSV 

| 显示表格

为了减小试验误差，相同参数的试件均制备了2个，因此用“−1”和“−2”区分；因为所有钢管厚度均为4.5 mm，但钢管的径厚比却分为两种，所以用“−I”和“−II”区分。为了介绍本文试件的命名的方法，以“SC1TC2-I-1”和“SC1TC3-II-2”为例，“SC1TC2-I-1”表示径厚比29.56的钢管内壁粘贴1层CFRP，外壁粘贴2层CFRP的圆形CFRP-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱1号试件；“SC1TC3-II-2”表示径厚比35.33的钢管内壁粘贴1层CFRP，外壁粘贴3层CFRP的圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土柱2号试件。另外，“ST-I”代表钢管高度400 mm、外径133 mm的纯钢管海水海砂珊瑚混凝土试件。

图3为具体的试件制备过程。圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土的具体制作流程如下：(1) 将同一批次生产的钢管用打磨机除锈，并用酒精擦拭；(2) 碳纤维布需先用按规定比例配制的环氧树脂胶浸透，碳纤维布紧贴钢管，滚动钢管使碳纤维布贴合，同时挤压排出气泡，碳纤维布保留150 mm的搭接长度；(3) 采用30 mm或40 mm宽的碳纤维布条对试件上下两端头进行环向缠绕加固以避免在轴压过程中试件两端过早发生局部破环；(4) 将圆形CFRP-钢复合管通过玻璃胶临时固定在底模板上，然后采用薄膜缠绕于CFRP-钢复合管外表面；(5) 按照设计混凝土配合比制备海水海砂珊瑚混凝土，分3次装入复合管内，每次加料后用振捣棒振捣密实，用抹刀抹平顶部多余的混凝土；(6) 拆除底模板后，所有试件均用塑料薄膜覆盖，养护至少28天，养护前期每天洒海水养护；(7) 用502胶水将应变片粘贴到设计位置，并用万能表测试应变片是否可用。

图  3  圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土试件制备过程

Figure  3.  Fabrication process of CFRP-steel composite tube filled circular seawater sea-sand coral concrete columns

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图4为试验用海砂及珊瑚粗骨料。试验用海水、海砂均为取自连云港的原状海水海砂，珊瑚进口自菲律宾海域，直径为0.5~2 cm，堆积密度约为920 kg/m³，海水海砂珊瑚混凝土配合比为水泥∶海水∶海砂∶珊瑚∶减水剂=1∶0.49∶1.42∶1.23∶0.0016。本试验与试件同一批次浇筑了3个直径150 mm、高度300 mm的标准海水海砂珊瑚圆柱体，测得其圆柱体抗压强度为42.1 MPa，峰值应变为0.0027。

图  4  圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土轴压试验用材料

Figure  4.  Test materials of axial compression test of CFRP-steel composite tube filled circular seawater sea-sand coral concrete

下载: 全尺寸图片 幻灯片

钢管材料性能试验参考《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T 228.1—2010)^[26]，测得厚度4.5 mm，钢管平均屈服强度f_y为317.6 MPa，极限强度f_su为491.5 MPa，弹性模量205.0 GPa。CFRP材料性能依据《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》(GB/T 3354—2014)^[27]测得，平均极限抗拉强度f_f为3475.9 MPa，弹性模量243.5 GPa，平均断裂应变ε_f为1.42%。

1.2   试件加载及测量装置

图5 为轴压试验加载及测量装置。加载装置为3000 kN高刚度岩石试验机，轴向荷载由试验机自身荷载传感器采集，同时采用TDS-530数据采集仪进行同频率收集位移和应变等数据。在每个试件沿高度方向的中部四周对称粘贴四个纵向应变片(AF)和四个横向应变片(LF)。在试件两侧对称垂直布置两个普通电测位移计以测量试件高度范围内的变形，在另外两侧对称布置两个激光位移计，用于测量试件沿高度方向中间标距范围内(360 mm或437 mm)的位移。试件正式加载前，对每个试件进行3次预加载，预加载采用试验力控制，以消除试件的间隙；正式加载采用变形控制，初期加载速率为0.3 mm/min，在试件的荷载-位移曲线进入残余阶段后，采用分级加载的方式，逐步提速至0.5 mm/min，试件变形达到30 mm时停止试验。

图  5  圆形CFRP-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱轴压试验加载及测量装置

Figure  5.  Axial compression test loading and measuring device of CFRP-steel composite tube filled circular sea-water sea-sand coral concrete columns

LF—Transverse strain gauges; AF—Axial strain gauges; JD1, JD2—Laser displacement meters; D1, D2—Linear variable displacement transducers

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   轴压试验结果与分析

2.1   圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土破坏形态

海水海砂珊瑚混凝土圆柱体在加载初期，荷载直线上升，由于没有环向的约束作用，早期素混凝土圆柱体表面就出现微小纵向裂缝；而后，随着荷载的增加，素混凝土圆柱体表面开始起皮，裂缝宽度不断增大，裂缝长度沿柱身方向延伸，试件表面出现多条竖向略微倾斜的裂缝；在试件的轴向荷载达到峰值后，试件破坏，混凝土呈碎块状剥落。最终发现裂缝贯穿珊瑚骨料形成破坏面，如图6所示，且此过程中裂缝的出现具有突然性，呈现出明显的脆性，这与普通混凝土的破坏有较大区别，普通混凝土的破坏面主要绕过了碎石骨料发生^{[4, 17]}，这主要是因为珊瑚骨料空隙率大、脆性强和强度低，所以珊瑚本身容易发生破坏。

图  6  海水海砂珊瑚混凝土圆柱体破坏面

Figure  6.  Damage surface of seawater sea-sand coral concrete cylinder

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图7为圆形纯钢管海水海砂珊瑚混凝土对比试件破坏形态。对于纯钢管海水海砂珊瑚混凝土柱，试验加载初期，试件表面无明显变化，加载至峰值荷载时，钢管表面除锈迹鼓起外无其他迹象；继续加载，试件两端头及中部凸起，且随着纵向变形的增大，端头及中部凸起越来越明显，最终呈现试件端头单边凸起与中部单边凸起严重的剪切破坏。

图  7  圆形纯钢管海水海砂珊瑚混凝土试件破坏模式

Figure  7.  Failure modes of steel tube filled circular seawater sea-sand coral concrete columns

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图8为典型圆形CFRP-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱试件的破坏形态。在轴压试验初期，观察试件表面并无任何明显变化，此时钢管和CFRP对海水海砂珊瑚混凝土柱的约束还未起作用；继续施加荷载，钢管进入屈服阶段，试件表面环氧树脂胶轻微裂开声。随着荷载的增加、变形的增大，CFRP的环向约束开始发挥作用；继续加载，试件中部出现轻微鼓起，且伴有CFRP轻微断裂声；加载至极限荷载时，中部CFRP剧烈炸开，荷载直线下降，且CFRP炸开基本呈现条带状；随着变形的继续增大，CFRP从最初炸开的中部往上或往下相继扩展炸裂开，且随着CFRP层数的增加，CFRP炸裂开的宽度更大、炸裂声更剧烈。试验后期，随着变形的增大，试件中部及两端头的凸起变形越来越明显，柱身出现明显的剪切滑移线。最终试件多数两端部凸起变形严重，中部也出现严重的单边凸起，呈现剪切破坏形式，剪切角度约为60°~65°。

图  8  圆形CFRP-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱破坏形态

Figure  8.  Failure modes of CFRP-steel composite tube filled circular seawater sea-sand coral concrete columns

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土名义应力-纵向应变关系曲线

图9为海水海砂珊瑚混凝土圆柱体应力-纵向应变关系曲线。图10为圆形纯钢管海水海砂珊瑚混凝土柱对比试件及圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土柱综合应力-纵向应变关系曲线。其中纵坐标为应力，是轴压荷载除以试件横截面面积所得值，横坐标为纵向应变，弹性阶段的纵向应变是采用电阻应变片测得的数据，之后各个阶段的纵向应变均采用普通电测位移计测得的数据换算而成。

图  9  海水海砂珊瑚混凝土圆柱体应力-纵向应变关系曲线

Figure  9.  Stress-axial strain curves of seawater sea-sand coral concrete cylinders

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  10  圆形CFRP-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱应力-纵向应变关系曲线

Figure  10.  Stress-axial strain curves of CFRP-steel composite tube filled circular seawater sea-sand coral concrete columns

下载: 全尺寸图片 幻灯片

对于海水海砂珊瑚混凝土圆柱体对比试件，应力-纵向应变关系曲线主要分为线弹性阶段、弹塑性上升阶段和下降阶段。对比普通混凝土圆柱体的应力-纵向应变曲线发现，海水海砂珊瑚混凝土圆柱体的平均峰值应变(0.0027)较普通海水海砂混凝土(0.0020)^[25]大，这主要是由于珊瑚骨料内部存在大量孔隙，其在轴压作用下内部孔隙需压紧而发生较大的变形。此外，珊瑚混凝土的应力下降段也较陡，说明珊瑚混凝土具有很强的脆性。

对于圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土试件，试验初期，随着纵向变形的增加，荷载增长很快，试件的应力随纵向应变的增加呈线性增长趋势，试件处于弹性阶段；随着试件的纵向压缩变形的增加，荷载上升速率逐渐缓慢，钢管开始纵向屈服，此时试件处于非线性过渡阶段；钢管纵向屈服后，只能提供恒定的环向约束力，随后钢管内外壁的CFRP明显发挥环向约束作用，曲线进入强化线性阶段，变形增长加快呈现线性增长趋势，此阶段主要由CFRP提供约束作用，钢管对强化线性阶段试件刚度影响较小；继续加载至极限承载力，CFRP发生断裂，轴向荷载直线下降，随后试件进入残余阶段，该阶段CFRP的约束作用失效，应力-纵向应变关系曲线基本维持在稳定状态，伴有轻微的上下浮动，此时钢管提供恒定的环向约束力，保证了试件的延性，由于此阶段CFRP仍有残余，且此前阶段CFRP有效抑制了钢管的局部屈曲，因此圆形CFRP-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱的残余承载力要高于圆形纯钢管海水海砂珊瑚混凝土柱。

如图10所示，CFRP层数对试件的初始截面刚度影响较小，对于纯钢管海水海砂珊瑚混凝土柱试件，钢管屈服后，应力显著下降，曲线上出现明显下降段后逐步趋于平稳，相比而言，CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土试件中的钢管屈服出现的较晚，当试件进入线性强化阶段后，该阶段的刚度主要取决于CFRP参数，不同CFRP层数的试件的应力-纵向应变曲线有明显的差异，随着FRP层数的增加，试件线性强化阶段的斜率显著增大，说明试件的二次刚度显著增大。

2.3   圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土参数对比分析

本试验的试验参数为CFRP层数(1、2、3层)和钢管径厚比(35.33、29.56)。以下分析中提到的极限应力和纵向极限应变的提高比均为实测极限应力、纵向极限应变的平均值与素海水海砂珊瑚混凝土圆柱体的峰值强度及峰值应变的平均值的比值。

2.3.1   CFRP层数的影响

图11为CFRP层数对试件轴压性能的影响。极限应力提高对比如图11(a)所示，在相同外径的条件下，CFRP对试件的约束作用显著，随着CFRP层数的增加(1~3层)，约束增强效果的变化十分明显，试件的极限承载能力及极限变形能力得到了显著的提高，呈近似线性增长趋势，对应FRP断裂时的极限位移也越大，但CFRP层数越多，试件力学性能的提高幅度出现降低的现象。对于钢管径厚比29.56的圆形CFRP-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱，外壁CFRP层数由1层增至2层时，试件的极限应力、纵向极限应变分别提高约22.3%和22.3%，CFRP层数由2层增至3层时，试件的极限应力、纵向极限应变分别提高约7.8%和14.9%；对于钢管径厚比35.33的试件也有相似规律。

图  11  CFRP层数对圆形CFRP-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱轴压性能影响

Figure  11.  Effect of CFRP layers on axial compression behavior of CFRP-steel composite tube filled circular seawater sea-sand coral concrete columns

下载: 全尺寸图片 幻灯片

纵向极限应变提高对比如图11(b)所示，在钢管径厚比29.56时，随着外壁CFRP层数的增加，其极限应力提高比约为3.21~4.23倍，纵向极限应变提高比约为6.41~9.72倍；在钢管径厚比35.33时，其极限应力提高比约为2.70~3.26倍，纵向极限应变提高比约为6.07~6.79倍。由此可见径厚比较小的试件由于其极限承载能力和极限变形能力也越强。

2.3.2   钢管径厚比的影响

图12为钢管径厚比对试件轴压性能的影响。当钢管径厚比从35.33降至29.56时，由于试件受压面积减小，试件的极限应力分别增加了18.63%(1层CFRP)、31.26%(2层CFRP)、29.76%(3层CFRP)；试件的纵向极限应变增加了5.5%(2层CFRP)、33.6%(2层CFRP)、43.1%(3层CFRP)。当钢管径厚比较小时，钢管对核心海水海砂珊瑚混凝土的约束作用更强，试件极限承载能力和极限变形能力也更强。

图  12  钢管外径对圆形CFRP-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱轴压性能影响

Figure  12.  Effect of steel tube thickness on axial compression behavior of CFRP-steel composite tube filled circular seawater sea-sand coral concrete columns

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   圆形CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土轴压承载力模型评估

本文设计的圆形CFRP-钢复合管约束混凝土柱与普通FRP和钢管复合约束混凝土柱相比，主要区别在于本文的约束混凝土柱的钢管内外两壁均粘贴有CFRP，且混凝土为海水海砂珊瑚混凝土。因此，收集了近几年普通FRP和钢管复合约束混凝土轴压试验下代表性的承载力计算模型，如表2所示，并进行了对比分析。

表  2  普通FRP-钢复合管约束混凝土承载力计算模型

Table  2.  Calculation model of bearing capacity of ordinary FRP-steel composite tube filled concrete

Model source	Calculation formula
Tao et al. (2007)[28]	${N_{\text{u}}} = \left( {1 + 1.02{\xi _{\text{s}}}} \right){f_{{\text{c}}0}}{A_{{\text{sc}}}} + 1.15{\xi _{\text{f}}}{f_{{\text{c}}0}}{A_{\text{c}}}$
Park et al. (2011)[29]	$\dfrac{{{f_{{\text{cu}}}}}}{{{f_{{\text{c}}0}}}} = 1 + {\text{5}}{\text{.72}}\dfrac{{\left( {{t_{\text{s}}}{f_{\text{y}}} + {t_{\text{f}}}{f_{\text{f}}}} \right)}}{{D{f_{{\text{c}}0}}}}$
Lu et al. (2014)[30]	${N_{\text{u}}} = \left( {1 + 1.8{\xi _{\text{s}}} + 1.15{\xi _{\text{f}}}} \right){A_{\text{c}}}{f_{{\text{c}}0}}$
Ding at al. (2018)[31]	${N_{\text{u}}} = \left( {1 + 1.7{\xi _{\text{s}}} + 1.7{\xi _{\text{f}}}} \right){f_{{\text{c}}0}}{A_{\text{c}}}$
Wei et al. (2021)[32]	$\dfrac{{{f_{{\text{cu}}}}}}{{{f_{{\text{c}}0}}}} = 1 + 1.27{\xi _{\text{s}}} + 1.28\left( {{\xi _{{\text{f,i}}}} + {\xi _{{\text{f,o}}}}} \right)$
Notes：fcu—Ultimate stress of specimen; fc0—Cylinder concrete strength; fy—Yield stress of steel tube; ff—Ultimate strength of FRP; ts—Thickness of steel tube; tf—Thickness of FRP; ξs—Steel tube confinement index; ξf—FRP confinement index; ξf,o—Confinement index provided by the outer FRP; ξf,i—Confinement index provided by the inner FRP；Nu—Axial compressive bearing capacity; As—Area of the steel tube section; Ac—Area of the core concrete; Asc—Cross-sectional area of the column.

下载: 导出CSV 

| 显示表格

为了评价上述各个FRP-钢复合管约束混凝土柱模型的准确性和通用性，采用三大指标作为评价指标对各个模型进行评价，将本文的数据代入到上述的模型中得出理论计算值，再将理论计算值与试验值进行对比，三大指标包括：试验值与理论计算值之比的平均值(A)、标准差(S)和平均绝对误差(E)，计算方法如下：

图13为试件极限应力的模型理论计算值与试验值结果对比。其中，横坐标为极限应力试验值与素混凝土圆柱体柱抗压强度f_c0的比值，纵坐标为极限应力计算值与素混凝土圆柱体柱抗压强度f_c0比值。

图  13  圆形FRP-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱极限应力模型计算值与试验结果对比

Figure  13.  Comparison of ultimate stress model calculation and test results of FRP-steel composite tube filled circular seawater sea-sand coral concrete columns

下载: 全尺寸图片 幻灯片

从图13可知，本文的试验Park等^[29]模型、Lu等^[30]模型和Ding等^[31]模型的平均预测精度分别为1.122、1.108和1.249，且平均绝对误差均较大，说明这三个模型明显高估了FRP-钢复合管的约束作用，从而高估了约束混凝土的极限应力；Tao等^[28]模型的平均预测精度为0.896，明显低估了约束混凝土柱的极限应力；反观，Wei等^[32]模型的预测结果较精准，平均预测精度为0.962，且平均绝对误差为3%。Wei等^[32]模型不仅考虑了FRP应变效率系数的影响，还分别考虑了钢管内外壁FRP的有效约束系数，合理全面且与本文的结构较为符合，较适用于本文结构承载力计算。

4.   结 论

(1) 海水海砂珊瑚混凝土的最终破坏面主要发生在珊瑚骨料本身，而普通混凝土的最终破坏面绕过碎石骨料发生；由于珊瑚骨料内部存在大量空隙，海水海砂珊瑚混凝土在轴压作用下的峰值应变略大于普通混凝土；且海水海砂珊瑚混凝土的应力-纵向应变曲线的下降段较陡，说明珊瑚混凝土的具有很强的脆性。

(2) 圆形碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱到达极限承载力时，中部CFRP最先炸开，CFRP的炸开十分剧烈，伴随着爆炸声；最终呈现既有明显剪切滑移线的有剪切破坏形式，剪切角度约为60°。

(3) 圆形CFRP-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱试件应力-纵向应变曲线的初始刚度受CFRP层数影响较小；CFRP约束的钢管混凝土试件的钢管屈服相较于纯钢管混凝土试件出现得较晚，说明CFRP有效地抑制了钢管的局部屈曲；随着CFRP层数的增加，试件在钢管屈服后的二次刚度增加。

(4) 对于不同试验参数的圆形CFRP-钢复合管约束海水海砂珊瑚混凝土柱，试件在弹性阶段的应力-纵向应变关系曲线差别不大，随着CFRP层数的增加和钢管径厚比的减小，试件的极限承载力及极限变形能力均得到了有效的提高，且当CFRP层数越多，其力学性能的提高幅度出现降低的现象。

(5) 通过对多个普通代表性的FRP-钢复合管约束混凝土柱模型的准确性和通用性的评价发现，Wei等^[32]模型较合理、全面，较适用于本文的圆形 CFRP-钢复合管海水海砂珊瑚混凝土结构。