Axial compression behavior of novel concrete-filled circular CFRP-UHPC composite tubular columns
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摘要: 为研究超高性能混凝土(UHPC)管替代碳纤维增强聚合物(CFRP)-钢管混凝土组合柱中钢管的可行性，提出一种外部缠绕CFRP的UHPC预制管、内部现浇填充普通混凝土的新型CFRP-UHPC组合管混凝土(Concrete-filled CFRP-UHPC tube，CFFUT)柱。对10个CFFUT圆柱(包含2个对比柱)进行了单调轴压试验，研究了UHPC管壁厚度、CFRP环向包裹层数和核心混凝土强度等的影响规律。结果表明：CFRP-UHPC管可以有效提高组合柱的承载力、变形能力和延性；CFFUT圆柱破坏形态为核心混凝土压溃、UHPC管开裂和CFRP拉断，破坏后整体性较好，属延性破坏模式；CFFUT圆柱的极限承载力与UHPC管壁厚度、CFRP层数和核心混凝土强度呈正相关；延性系数随UHPC管壁厚度、CFRP层数增加而提高，随核心混凝土强度增加先提高后降低。揭示了CFFUT柱的界面增强作用机制，CFFUT柱极限承载力与同等截面普通混凝土柱相比提高93.9%~203.5%，且CFFUT柱极限承载力一定程度上与CFRP-钢管混凝土柱相当。建立了CFFUT圆柱轴压极限承载力理论计算模型，并通过有限元模拟验证，理论值、模拟值和试验结果吻合较好。Abstract: In order to study the feasibility of replacing steel tubes of concrete filled carbon fiber-reinforced polymer (CFRP)-steel tube columns with ultra high performance concrete (UHPC) tubes, a novel concrete-filled CFRP-UHPC tube (CFFUT) column was proposed. The CFFUT column consists of a combination of UHPC precast tubes externally wrapped with CFRP and an internal cast-in-place filled normal concrete. Ten CFFUT columns, including two contrast columns, were tested under monotonic axial compression, and the influences of UHPC tube thickness, CFRP layer numbers and filled concrete strength were investigated. The results show that CFRP-UHPC tube can effectively improve the bearing capacity, deformation capacity and ductility of composite columns. The failure of CFFUT column is mainly manifested as the collapse of filled concrete, cracking of UHPC tube and rupture of CFRP. The integrity of CFFUT column is good after failure, and it belongs to ductility failure mode. The ultimate bearing capacity of CFFUT column is positively correlated with the thickness of UHPC tube, the number of CFRP layers and the strength of filled concrete. Ductility factor increases with the increase of UHPC tube thickness and CFRP layer number, and increases first and then decreases with the increase of filled concrete strength. The interface strengthening mechanism of CFFUT column is revealed. The ultimate bearing capacity of CFFUT columns is 93.9%-203.5% higher than that of normal concrete columns with the same section, and the ultimate bearing capacity of CFFUT columns is equivalent to that of concrete-filled CFRP- steel tube columns to a certain extent. The theoretical calculation model of ultimate bearing capacity is established and verified by finite element analysis. The calculated and simulated values are in good agreement with the test results.
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工程用水泥基复合材料(Engineered cementitious composites，ECC)是一种通过微观力学和断裂力学原理对材料体系进行系统设计和优化的短纤维乱向水泥基复合材料[1-2]，国内外学者围绕ECC的受拉、受弯等基本力学性能开展了大量相关研究工作，并取得了众多优异成果[3-8]。然而ECC的抗拉强度仍然有限，用于结构加固时对构件的抗拉、抗弯承载力和抗裂性能的增强效果有限，仍需与性能优异的增强材料共同使用，为此，众多学者相继开展筋材、网材等用于增强ECC受力性能的研究。
Fischer等[9]、Mihashi等[10]进行了钢筋增强ECC单轴拉伸试验，结果表明，钢筋增强ECC试件裂缝分布更加均匀，减小了裂缝宽度，提高了变形能力。郑宇宙等[11]、朱忠锋等[12]对纤维增强ECC复合材料进行了单轴拉伸试验，结果表明，增强材料可以明显改善ECC的受拉性能，其轴向刚度、极限承载力也得到了显著提高。但是已研究的增强材料中，采用普通钢筋时，ECC的优越性能不能完全发挥，使用纤维编织网增强材料又降低了经济性。而高强不锈钢绞线抗拉强度高，具有良好的耐腐蚀性能和经济性。相关学者对高强不锈钢绞线加固混凝土结构的研究表明，其能有效提高加固构件的抗弯、抗剪承载力和刚度[13-17]。目前该加固技术已成功应用于实际工程，并取得了优异的效果[18-19]。
综上分析，高强不锈钢绞线网是由不锈钢绞线编制而成，本身具有很强的耐腐蚀、抗锈蚀能力；ECC具有良好的裂缝分散能力，正常使用状态裂缝宽度很小[1-10]，二者结合后，可以使ECC开裂后钢绞线不发生锈蚀，耐久性好。因此，朱俊涛等[20]提出了新型高性能复合材料“高强不锈钢绞线网增强ECC”。已对高强不锈钢绞线网与ECC的粘结锚固性能[21-22]进行了试验和理论研究，结果表明，在试验所得的粘结滑移曲线中，平均粘结应力达到峰值开始微下降至峰值的85%左右之后，即进入延性强化段，该阶段平均粘结应力不再降低，仅滑移量呈水平线增长，说明高强不锈钢绞线网与ECC具有良好的粘结锚固性能。为了尽快使该复合材料在实际工程中得到应用，本文对高强不锈钢绞线网增强ECC的受拉性能进行试验和理论研究。
1. 试验概况
1.1 试件设计及材性试验
为了研究ECC抗拉强度、高强不锈钢绞线网受拉方向配筋率及高强不锈钢绞线网增强ECC试件宽度三个影响因素对高强不锈钢绞线增强ECC抗拉性能的影响，共设计了9组试件，每组3个共27个试件，各组试件参数见表1。为了避免试件在加载过程中在变截面处应力集中破坏，本试验受拉试件均采用哑铃型试件，试件变截面处为弧形，试件示意图如图1所示。试验中ECC的两种配合比见刘伟康[5]研究成果，试件标准养护28天。对预留的ECC受拉薄板试件(280 mm×40 mm×15 mm)进行拉伸试验，得到两种ECC配合比的抗拉性能，各组试件的ECC抗拉性能见表2。高强不锈钢绞线直径均为2.4 mm，对其进行拉伸试验(3根)，得到高强不锈钢绞线应力-应变曲线如图2所示。
表 1 高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料(ECC)试件参数Table 1. Parameters of engineered cementitious composites(ECC) reinforced by high-strength stainless steel wire mesh specimensGroup number Test section width bc /mm Steel strand spacing/mm Reinforcement ratio of steel strand TC12 80 50 0.0028 TC22 70 40 0.0032 TC32 60 30 0.0037 TC42 50 20 0.0048 TC52 90 30 0.0037 TD12 80 50 0.0028 TD22 70 40 0.0032 TD32 60 30 0.0037 TD42 50 20 0.0048 ![]()
图 1 高强不锈钢绞线网增强ECC试件设计详图(虚线表示钢绞线)Figure 1. Design details of ECC reinforced by high-strength stainless steel wire mesh specimens (Dotted line indicates steel strand)表 2 ECC受拉试验结果Table 2. Tensile test results of ECCGroup number Tensile strength/MPa Ultimate tensile strain Cracking stress/MPa Cracking strain TC12 3.53 0.0179 2.45 0.000204 TC22 3.53 0.0179 2.45 0.000204 TC32 3.53 0.0179 2.45 0.000204 TC42 3.53 0.0179 2.45 0.000204 TC52 3.53 0.0179 2.45 0.000204 TD12 3.46 0.0297 2.39 0.000189 TD22 3.46 0.0297 2.39 0.000189 TD32 3.46 0.0297 2.39 0.000189 TD42 3.46 0.0297 2.39 0.000189 ![]()
图 2 高强不锈钢绞线应力-应变曲线Figure 2. Stress-strain curves of high-strength stainless steel strand1.2 加载及测试方法
单轴拉伸试验采用100 kN电液伺服万能试验机。试验加载采用位移控制，加载速率为0.2 mm/min。试件正反面分别粘贴应变片，测试区段两侧面分别布置量程为30 mm的位移计。
1.3 试验现象及机制分析
高强不锈钢绞线网增强ECC试件受拉试验的加载装置如图3(a)所示。当荷载达到极限荷载的25%~30%时，在试件接近中间位置表面出现一条细微裂缝(如图3(b)所示)，宽度仅为0.02 mm。随着荷载的增加，试件表面不断出现新的裂缝，已有的裂缝宽度缓慢增大；当荷载增加到极限荷载的85%~90%，裂缝数量达到饱和状态(如图3(c)所示)，试件表面布满相互平行的细微裂缝，此时各试件的最大裂缝宽度为0.2~0.28 mm，该状态的荷载远远超过了规范GB 50010—2010[23]规定的正常使用极限状态。继续加载，试件表面不再出现新裂缝，已有裂缝变宽。达到极限荷载时，试件表面的某条裂缝发展成主裂缝，同时伴随着明显的纤维拔出和断裂声，随后主裂缝处的纵向高强不锈钢绞线拉断。试件破坏形态如图3(d)所示。
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图 3 高强不锈钢绞线网增强ECC试件受拉破坏过程Figure 3. Tensile failure process of ECC reinforced by high-strength stainless steel wire mesh specimens分析上述试验现象发现，高强不锈钢绞线的加入增加了ECC裂缝分散能力，其机制主要是钢绞线表面的螺旋进一步限制了ECC裂缝的开展，使受拉试件在达到极限承载力的85%~90%时，最大裂缝宽度依然满足规范GB 50010—2010[23]中正常使用极限状态裂缝要求。充分表明了本文研究的新型复合材料高强不锈钢绞线网增强ECC具有良好的抗裂性能；验证了高强不锈钢筋网和ECC具有很好的粘结性能。
2. 试验结果及分析
2.1 试验结果
各组高强不锈钢绞线网增强ECC试件拉伸试验结果见表3 (试验值均取同一组试件的平均值，应力为试验拉力除以受力面积)。
表 3 高强不锈钢绞线网增强ECC试件拉伸试验结果Table 3. Tensile test results of ECC reinforced by high-strength stainless steel wire mesh specimensGroup number Cracking stress/MPa Cracking strain Ultimate tensile stress/MPa Ultimate tensile strain Elastic modulus/MPa TC12 2.20 0.000156 7.09 0.030874 14 471 TC22 2.25 0.000162 7.94 0.034056 14 122 TC32 2.41 0.000171 8.77 0.030581 14 492 TC42 2.56 0.000182 10.65 0.034815 14 578 TC52 2.54 0.000181 8.82 0.033683 14 642 TD12 1.97 0.000145 6.41 0.031929 14 216 TD22 1.99 0.000149 7.81 0.043660 14 727 TD32 2.07 0.000139 8.62 0.041116 14 460 TD42 2.19 0.000159 10.30 0.035051 14 496 2.1.1 试件宽度对高强不锈钢绞线网增强ECC受拉性能的影响
对比表3中TC32组和TC52组试件，结果表明，增大截面宽度对受拉试件的开裂应力和极限应力几乎没有影响。
2.1.2 高强不锈钢绞线配筋率对高强不锈钢绞线网增强ECC受拉性能的影响
对比表3中TC12~TC42及TD12~TD42试件的试验结果可知，随着高强不锈钢绞线配筋率的增大，受拉试件的开裂应力略有增大，极限应力明显增大。
2.1.3 ECC抗拉强度对高强不锈钢绞线网增强ECC受拉性能的影响
对比表3中TC12组与TD12组、TC22组与TD22组、TC32组与TD32组及TC42组与TD42组试件结果可知，随着ECC抗拉强度的增大，受拉试件的开裂应力和极限应力均明显增大。
2.2 高强不锈钢绞线网增强ECC受拉应力-应变曲线
高强不锈钢绞线网增强ECC试件在单轴荷载作用下的受拉应力-应变曲线如图4所示。可知，高强不锈钢绞线网增强ECC试件受拉应力-应变曲线呈现出明显的两阶段特征，故可将其分为两个阶段：(1)可表征为弹性阶段，从试件开始加载到试件开裂为止，为峰值的25%~30%。在该阶段ECC和不锈钢绞线均处于弹性工作状态；应力-应变曲线接近为直线；(2)可表征为弹塑性阶段，对应于试件ECC开裂至完全破坏(纵向高强不锈钢绞线拉断)。该阶段应力-应变曲线为非线性关系，试件表现出明显的弹塑性性质。此阶段主要是ECC裂缝出现和发展，由于裂缝处的聚乙烯醇(PVA)纤维尚未从水泥基中拔出或拉断，而高强不锈钢绞线表面的螺旋增大了与ECC的粘结力。因此，该阶段ECC和高强不锈钢绞线依然共同承担拉力，亦是高强不锈钢绞线网增强ECC受拉的主要阶段。由图4还可以看出，极限应力是开裂应力的3~5倍，极限应变为开裂应变的200倍以上，达到3%~5%，超过了本文采用的ECC和高强不锈钢绞线本身的极限拉应变，显示了该新型高性能复合材料优越的变形能力。
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图 4 高强不锈钢绞线网增强ECC试件受拉应力-应变曲线Figure 4. Tensile stress-strain curves of ECC reinforced by high-strength stainless steel wire mesh specimens3. 高强不锈钢绞线网增强ECC受拉本构模型
3.1 模型提出
由图4可知，高强不锈钢绞线网增强ECC受拉应力-应变曲线可分为弹性阶段(OA段)和应变硬化阶段(AB段)。弹性阶段即认为应力-应变为线性关系；弹塑性(应变硬化)阶段应力由ECC和钢绞线共同承担，其本构模型由二者应力-应变关系组合而成。同时考虑该阶段高强不锈钢绞线网和ECC可能产生相对滑移，用γ表示钢绞线的应力发挥系数。本文提出了高强不锈钢绞线网增强ECC受拉本构模型，如图5所示。其表达式如下：
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图 5 高强不锈钢绞线网增强ECC受拉应力-应变曲线模型Figure 5. Tensile stress-strain curve model of ECC reinforced by high-strength stainless steel wire meshσse={Eseεse(εse⩽ (1) 式中：σse、σse,cr和σse,u分别为高强不锈钢绞线网增强ECC试件的受拉应力、开裂应力和极限拉应力；σe和σs分别为ECC和高强不锈钢绞线的应力；Ese为高强不锈钢绞线网增强ECC的弹性模量；εse、εse,cr和εse,u分别为高强不锈钢绞线网增强ECC试件的受拉应变、开裂应变和极限拉应变；γ为高强不锈钢绞线的应力发挥系数；ρs为高强不锈钢绞线的配筋率。
3.2 模型参数分析
3.2.1 弹性阶段
高强不锈钢绞线网增强ECC受拉试件开裂前，由高强不锈钢绞线和ECC共同承担外部荷载；该阶段高强不锈钢绞线网与ECC间无滑移。根据应变协调原理得出弹性阶段高强不锈钢绞线网增强ECC受拉试件的弹性模量Ese如下式：
{E_{\rm{se}}} = {E_{\rm{e}}} + {E_{\rm{s}}}\frac{{{A_{\rm{s}}}}}{{{A_{\rm{se}}}}} (2) 式中：Ee和Es分别为ECC和高强不锈钢绞线的弹性模量；Ase和As分别为高强不锈钢绞线网增强ECC和高强不锈钢绞线的截面面积。
3.2.2 弹塑性阶段
首先建立高强不锈钢绞线受拉本构模型。对本试验得到的高强不锈钢绞线应力-应变曲线(图2)采用三次多项式进行拟合，如下式：
\frac{{{\sigma _{\rm{s}}}}}{{{\sigma _{\rm{s,u}}}}} = a\frac{{{\varepsilon _{\rm{s}}}}}{{{\varepsilon _{\rm{s,u}}}}} + (3 - 2a){\left( {\frac{{{\varepsilon _{\rm{s}}}}}{{{\varepsilon _{\rm{s,u}}}}}} \right)^2} + (a - 2){\left( {\frac{{{\varepsilon _{\rm{s}}}}}{{{\varepsilon _{\rm{s,u}}}}}} \right)^3}\tag{3a} (3a) 式中：σs,u为高强不锈钢绞线的极限拉应力；εs和εs,u分别为高强不锈钢绞线应变和极限拉应变。
根据式(3a)，基于最小二乘法对试验数据进行回归分析，得到待定常数a的值。对三组数据进行拟合，其值分别为3.37、3.26和3.36。由拟合结果可知，各组值较接近，故可取其平均值a=3.33。将a代入式(3a)，则有：
\frac{{{\sigma _{\rm{s}}}}}{{{\sigma _{\rm{s,u}}}}} = 3.33\frac{{{\varepsilon _{\rm{s}}}}}{{{\varepsilon _{\rm{s,u}}}}} - 3.66{\left( {\frac{{{\varepsilon _{\rm{s}}}}}{{{\varepsilon _{\rm{s,u}}}}}} \right)^2} + 1.33{\left( {\frac{{{\varepsilon _{\rm{s}}}}}{{{\varepsilon _{\rm{s,u}}}}}} \right)^3}\tag{3b} (3b) ECC的受拉应力-应变关系采用刘伟康[5]的研究成果，如下式：
\!\!\!\!\!\!\quad{\sigma _{\rm{e}}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {\dfrac{{{\sigma _{\rm{e,cr}}}}}{{{\varepsilon _{\rm{e,cr}}}}}{\varepsilon _{\rm{e}}}}&{\;\;\left( {{\varepsilon _{\rm{e}}} \leqslant {\varepsilon _{\rm{e,cr}}}} \right)}\\ {\left( {0.31\dfrac{{{\varepsilon _{\rm{e}}}}}{{{\varepsilon _{\rm{e,u}}}}} + 0.69} \right){\sigma _{\rm{e,u}}}}&{\left( {{\varepsilon _{\rm{e,cr}}} \leqslant {\varepsilon _{\rm{e}}} \leqslant {\varepsilon _{\rm{e,u}}}} \right)} \end{array}} \right. (4) 式中：σe,cr和σe,u为ECC的开裂应力和极限拉应力；εe、εe,cr和εe,u为ECC的应变、开裂应变和极限拉应变。
3.2.3 高强不锈钢绞线应力发挥系数γ
将式(2)、式(3b)和式(4)代入式(1)，则高强不锈钢绞线网增强ECC受拉本构关系可表示为
{\sigma _{\rm{se}}}{\rm{ = }}\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {\left( {{E_{\rm{e}}} + {E_{\rm{s}}}\dfrac{{{A_{\rm{s}}}}}{{{A_{\rm{se}}}}}} \right){\varepsilon _{\rm{se}}}} \\ \begin{array}{l} \!\!\!\!\!\!\!\!\gamma \left[ {{\rm{3}}{\rm{.33}}\dfrac{{{\varepsilon _{\rm{se}}}}}{{{\varepsilon _{\rm{se,u}}}}}{\rm{ - 3}}{\rm{.66}}{{\left( {\dfrac{{{\varepsilon _{\rm{se}}}}}{{{\varepsilon _{\rm{se,u}}}}}} \right)}^2}{\rm{ + 1}}{\rm{.33}}{{\left( {\dfrac{{{\varepsilon _{\rm{se}}}}}{{{\varepsilon _{\rm{se,u}}}}}} \right)}^3}} \right]{\sigma _{\rm{s,u}}}\dfrac{{{A_{\rm{s}}}}}{{{A_{\rm{se}}}}} +\\ \!\! \left( {{\rm{0}}{\rm{.31}}\dfrac{{{\varepsilon _{\rm{se}}}}}{{{\varepsilon _{\rm{se,u}}}}} + 0.69} \right){\sigma _{\rm{e,u}}} \\ \end{array} \end{array}} \right. (5) 基于应变协调，高强不锈钢绞线网增强ECC的开裂应变与ECC相等，即εse,cr=εe,cr；同时高强不锈钢绞线网增强ECC受拉试件的破坏形态为纵向高强不锈钢绞线拉断破坏，其极限应变主要取决于高强不锈钢绞线的极限应变大小，即εse,u=εs,u。
分别将开裂状态和破坏状态的应变值代入式(5)，利用MATLAB软件进行分析，得到式(5)中高强不锈钢绞线应力发挥系数γ的值，如表4所示。可知，各组值较接近，故取其平均值(0.725)作为式(5)中γ的值。
表 4 高强不锈钢绞线应力发挥系数γ取值Table 4. Value of stress development coefficient γ of high-strength stainless steel strandGroup number γ R2 TC12 0.73 0.9267 TC22 0.72 0.9459 TC32 0.76 0.9607 TD12 0.71 0.9157 TD22 0.72 0.9755 TD32 0.71 0.9325 3.2.4 开裂应力和抗拉强度公式
基于高强不锈钢绞线网增强ECC受拉试件的本构关系模型(式(5))，推导出高强不锈钢绞线网增强ECC受拉试件的开裂应力和极限拉应力即抗拉强度的计算公式：
\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\sigma _{\rm{se,cr}}} = \left( {{E_{\rm{e}}} + {E_{\rm{s}}}\dfrac{{{A_{\rm{s}}}}}{{{A_{\rm{se}}}}}} \right){\varepsilon _{\rm{se,cr}}}} \\ {{f_{\rm{se,u}}} = 0.725{\sigma _{\rm{s,u}}}\dfrac{{{A_{\rm{s}}}}}{{{A_{\rm{se}}}}} + {\sigma _{\rm{e,u}}}} \end{array}} \right. (6) 式中，fse,u为高强不锈钢绞线网增强ECC受拉试件的极限应力，即抗拉强度。
3.3 模型验证
为验证本文提出的高强不锈钢绞线网增强ECC受拉本构模型，将试验得出的应力-应变曲线与式(5)计算的应力-应变曲线进行对比，如图6所示。将试验得出的开裂应力和极限拉应力(抗拉强度)与式(6)计算的结果进行对比，如表5所示。
表 5 试验与式(6)计算得到的高强不锈钢绞线网增强ECC试件开裂应力和极限应力的对比Table 5. Comparison of cracking stress and ultimate tensile stress of ECC reinforced by high-strength stainless steel wire mesh specimens obtained by test and equation (6)Group number Cracking stress/MPa Ultimate tensile stress/MPa T C R T C R TC12 2.20 2.26 0.97 7.09 6.79 1.04 TC22 2.25 2.27 0.99 7.94 7.25 1.10 TC32 2.41 2.28 1.06 8.77 7.87 1.11 TC42 2.56 2.30 1.11 10.65 9.19 1.16 TC52 2.54 2.28 1.11 8.82 7.87 1.12 TD12 1.97 1.94 1.01 6.41 6.58 0.97 TD22 1.99 1.95 1.02 7.81 7.03 1.11 TD32 2.07 1.96 1.06 8.62 7.63 1.13 TD42 2.19 1.98 1.11 10.30 8.90 1.16 Notes: T—Test value; C—Calculated value; R—T/C. ![]()
图 6 高强不锈钢绞线网增强ECC受拉本构模型验证Figure 6. Verification of tensile constitutive model of ECC reinforced by high-strength stainless steel wire mesh从图6可看出，本文提出的本构模型与试验应力-应变曲线整体趋势完全一致。其中，本文所提的受拉本构关系曲线的弹性阶段与试验值基本重合，符合良好；其弹塑性阶段与试验曲线弯曲度均吻合较好(TD42稍有差别)，仅试验在ECC开裂后，荷载有微小波动，属于正常情况。因此，本文提出的高强不锈钢绞线网增强ECC受拉本构模型能较准确地预测受拉应力-应变关系全曲线。表5中的高强不锈钢绞线网增强ECC受拉试件的开裂应力试验值与计算值比值的平均值为1.05，标准差为0.05，变异系数为0.05；极限应力试验值与计算值比值的平均值为1.10，标准差为0.06，变异系数为0.05，说明本文提出的式(6)计算结果和试验值吻合良好。
综上所述，本文提出的高强不锈钢绞线网增强ECC受拉本构模型和开裂应力、抗拉强度计算公式可用于反映高强不锈钢绞线网增强ECC受拉状态的应力-应变关系和分析其受拉性能。
4. 结 论
对高强不锈钢绞线网增强工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites，EEC) 的受拉性能进行试验和理论研究，提出了其受拉本构关系模型。
(1)高强不锈钢绞线表面的螺旋进一步限制了ECC裂缝的开展，增加了ECC裂缝的分散能力，使受拉试件在达到极限承载力的85%时，最大裂缝宽度依然小于规范GB 50010—2010[23]中正常使用极限状态裂缝要求。充分显示了高强不锈钢绞线网增强ECC的良好抗裂性能。
(2)高强不锈钢绞线网增强ECC受拉应力-应变曲线分为弹性阶段和弹塑性阶段，弹塑性阶段是其主要受拉阶段，该阶段是ECC和钢绞线共同受拉至钢绞线拉断，极限应变可达到3%~5%，显示了该新型复合材料优越的变形能力。
(3)随着ECC抗拉强度提高和纵向钢绞线配筋率增大，高强不锈钢绞线网增强ECC的开裂应力和极限拉应力(抗拉强度)均增大。
(4)所建立的受拉本构模型及模型参数计算公式与试验结果吻合良好，能够较好地反映高强不锈钢绞线网增强ECC的受拉应力-应变关系，预测其受力状态；所提出的高强不锈钢绞线网增强ECC受拉开裂应力、抗拉强度的计算公式与试验结果吻合良好，可以用于分析该新型复合材料受拉性能。
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图 1 碳纤维增强聚合物(CFRP)-超高性能混凝土(UHPC)组合管混凝土(CFFUT)柱示意图
Figure 1. Sketch of concrete-filled carbon fiber-reinforcedpolymer (CFRP)-ultra-high performance concrete (UHPC) tube (CFFUT) columns
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图 3 测量元件布置及加载装置
Figure 3. Measurement instruments and test setup
N—Axial compressive force
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图 5 CFFUT柱典型轴向荷载-位移(P-Δ)曲线
Figure 5. Typical axial load-deformation (P-Δ) curve of CFFUT columns
P0—Axial load of first crack of UHPC; Δ0—Axial displacement of first crack of UHPC
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图 6 不同CFRP层数柱试件P-Δ曲线
Figure 6. P-Δ curves of CFFUT specimens with different CFRP layer numbers
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图 7 CFFUT柱极限承载力Pu与CFRP层数ncf的关系
Figure 7. Relationship between bearing capacity Pu of CFFUT columns and CFRP layer numbers ncf
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图 8 不同UHPC管壁厚度CFFUT柱试件P-Δ曲线
Figure 8. P-Δ curves of CFFUT specimens with different UHPC tube thickness
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图 9 CFFUT柱Pu与UHPC管壁厚度tu的关系
Figure 9. Relationship between Pu of CFFUT columns and UHPC tube thickness tu
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图 10 不同核心混凝土强度CFFUT柱P-Δ曲线
Figure 10. P-Δ curves of CFFUT column specimens with different filled concrete strength
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图 11 CFFUT柱Pu与核心混凝土强度的关系
Figure 11. Relationship between Pu of CFFUT columns and filled concrete strength
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图 12 不同组合柱位移延性系数：(a) 类型A；(b) 类型B
Figure 12. Definition of ductility factor for different composite columns: (a) Type A; (b) Type B
Δ1—Axial displacement at the intersection of peak load and initial tangent modulus; Δcu—Ultimate displacement; Et—Initial tangent modulus
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图 13 CFRP-UHPC-普通混凝土(NC)界面概念图
Figure 13. Schematic diagram of CFRP-UHPC-normal concrete (NC) interface
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图 15 CFFUT柱与CFRP-钢管混凝土柱(CFFST)的承载力比较
Figure 15. Comparison of bearing capacity between CFFUT columns and concrete-filled CFRP-steel tube (CFFST) columns
fequ—Equivalent compressive strength; ts—Thickness of steel tube; tcf—Thickness of CFRP
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图 16 CFFUT柱轴心受力示意图
Figure 16. Schematic diagram of CFFUT columns under uniaxial compression
σf—Radial compressive stress of CFRP; σur—Radial compressive stress of UHPC; σuh—Circumferential tensile stress of UHPC; σcf—Circumferential tensile stress of CFRP; σc—Axial compressive stress of concrete; σuc—Axial compressive stress of UHPC
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图 18 典型CFFUT柱试验和有限元破坏模式对比
Figure 18. Comparison of failure modes between test and FEM result of typical CFFUT column
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图 19 CFRP、UHPC和混凝土的损伤云图
Figure 19. Damage cloud map of CFRP, UHPC and concrete
DAMAGEFT—Tensile damage of fiber; DAMAGEC—Compressive damage
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图 20 CFRP、UHPC和混凝土的等效塑性应变
Figure 20. Equivalent plastic strain of CFRP, UHPC and concrete
PEEQ—Equivalent plastic strain
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图 21 CFFUT柱计算值Nu、模拟值Nu,FE与试验结果Pu的比较
Figure 21. Comparison of calculated values Nu, simulated values Nu,FE and test results Pu of CFFUT columns
表 1 试件编号及参数
Table 1 Number and parameters of specimens
No. tu/mm ncf fcu/MPa fc/MPa fts/MPa E/GPa Pu/kN α Δu/mm β μ MA-0-0 — — 32.8 28.9 2.62 26.5 724.0 1.000 2.429 1.000 1.14 MA-0-U12.5 12.5 0 32.8 28.9 2.62 26.5 977.0 1.349 4.213 1.734 1.31 MA-F0100-U12.5 12.5 1 32.8 28.9 2.62 26.5 1403.8 1.939 8.164 3.361 1.45 MA-F0100-U20 20.0 1 32.8 28.9 2.62 26.5 1476.0 2.039 7.577 3.119 1.52 MA-F0100-U30 30.0 1 32.8 28.9 2.62 26.5 1650.2 2.279 5.823 2.397 1.59 MA-F0200-U12.5 12.5 2 32.8 28.9 2.62 26.5 1811.8 2.502 11.295 4.650 1.55 MA-F0200-U30 30.0 2 32.8 28.9 2.62 26.5 2197.6 3.035 8.929 3.676 1.64 MA-F0200-U12.5-C50 12.5 2 53.5 47.3 3.69 32.0 2186.0 3.019 9.697 3.992 1.59 MA-F0200-U12.5-C80 12.5 2 90.4 69.6 4.13 36.8 2418.0 3.340 9.214 3.793 1.66 MA-F0200-U12.5-C100 12.5 2 118.0 105.7 6.65 44.1 2664.2 3.680 5.424 2.233 1.31 Notes: tu—Thickness of UHPC tube; ncf—Number of CFRP layers; fcu—Cubic compressive strength of filled concrete; fc—Axial compressive strength of filled concrete; fts—Splitting tensile strength of filled concrete; E—Elastic modulus of filled concrete; Pu—Ultimate load; α—Ratio of ultimate load between CFFUT column and contrast column (MA-0-0) ; Δu—Ultimate displacement; β—Ratio of ultimate displacement between CFFUT column and contrast column (MA-0-0); μ—Ductility factor. The letter MA denotes the monotonic axial load condition, the letter F denotes the number of CFRP layers, the letter U denotes the thickness of UHPC tube, the letter C denotes the nominal filled concrete strength, omitted when C30 filled concrete is used. For example, the MA-F0200-U12.5-C50 indicates that the load condition of specimen is monotonic axial compression, the number of CFRP layers is 2, the thickness of UHPC tube is 12.5 mm, and the nominal filled concrete strength is 50 MPa. 
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表 2 混凝土和UHPC配合比
Table 2 Mixture proportion of concrete and UHPC
kg·m−3 Type Cement Silica fume Fly ash CAGG FAGG Water SP Steel fiber C30 280 — 70 1043 826 175 5.1 — C50 363 — 80 1055 738 155 9.0 — C80 455 40 — 1080 665 150 9.9 — C100 787 126 136 — 1050 189 26.0 — UHPC 787 126 136 — 1050 189 26.0 195 Notes: CAGG—Coarse aggregate; FAGG—Fine aggregate; SP—Superplasticizer.
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表 3 CFFUT柱计算值Nu、模拟值 Nu,FE与试验值Pu的比较
Table 3 Comparison of calculated values Nu, simulated values Nu,FE and test results Pu of CFFUT columns
No. Nu/kN Nu,FE/kN Nu/Pu Nu,FE/Pu MA-F0100-U12.5 1350.0 1362.4 0.96 0.97 MA- F0100-U20 1615.7 1499.4 1.09 1.02 MA- F0100-U30 1917.1 1523.9 1.16 0.92 MA-F0200-U12.5 1671.5 1875.1 0.92 1.03 MA- F0200-U30 2238.6 2116.1 1.02 0.96 MA-F0200-U12.5-C50 1897.2 — 0.87 — MA-F0200-U12.5-C80 2170.7 — 0.90 — MA-F0200-U12.5-C100 2613.5 — 0.98 —
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