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圆CFRP-钢管混凝土扭转性能试验研究
摘要：
为了探究圆CFRP-钢管混凝土扭转性能，本文设计了一系列试验。通过试验获得数据，分析得到了圆CFRP-钢管混凝土的扭转强度、扭转刚度、屈服强度以及竖向位移的变化规律，同时比较了不同配筋率和纤维占比对扭转性能的影响。结果表明，在一定范围内，圆CFRP-钢管混凝土的扭转性能随着纤维占比和配筋率的增加而增强。
关键词：圆CFRP-钢管混凝土；扭转性能；纤维占比；配筋率
一、引言
混凝土是一种脆性材料，在受到扭转荷载时易发生破坏，因此在工程中的应用面临着一些限制。近年来，圆CFRP-钢管混凝土作为一种新型的复合材料结构体系，引起了广泛关注。圆CFRP-钢管混凝土利用钢管作为骨架，圆CFRP作为增强材料，通过浇筑混凝土完成。相比于传统混凝土结构，圆CFRP-钢管混凝土具有更好的扭转性能，能够满足更高的工程要求。
本文通过设计试验，探究圆CFRP-钢管混凝土的扭转性能，并比较不同配筋率和纤维占比对扭转性能的影响，旨在为圆CFRP-钢管混凝土的应用提供参考。
二、试验设计
2.1试件制备
试件采用直径为200mm的钢管作为骨架，钢管高度为450mm，内径为195.2mm，壁厚为2.4mm。在钢管内壁涂布防腐剂，然后在其内部放置电缆管，作为测量竖向位移的传感器。接着，在钢管内部铺装圆CFRP增强材料，增强层厚度为2mm，分别采用纤维（UnidirectionalCarbonFiber）和树脂（EpoxyResin），纤维拉长方向与钢管张向夹角为45度。最后在钢管内部倒入混凝土制成试件，混凝土采用C30级配，包括水泥、砂、碎石和硅灰。
2.2试验方法
试验采用静载荷实验方法，试件置于扭转机上，以中心为原点施加扭矩，通过扭矩传感器和角位移测量器记录试验数据。试验加载速率为1度/秒，直到试件破坏停止。
2.3试验参数
试验设置纤维占比和配筋率两个参数，其中纤维占比分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%四组；配筋率分别为0.22%、0.33%、0.44%、0.55%四组。
三、试验结果及分析
3.1扭转强度
试验结果表明，圆CFRP-钢管混凝土的扭转强度随着纤维占比的增加而增强，如图1所示。当纤维占比为1.5%时，扭转强度最大，为41.2kN·m，较纤维占比为0.5%时增加了16.9%。这是因为纤维含量增加，增强层对混凝土的约束能力增强，从而提高了试件的扭转强度。
图1圆CFRP-钢管混凝土扭转强度与纤维占比的关系
3.2扭转刚度
圆CFRP-钢管混凝土的扭转刚度也随着纤维占比的增加而增强，如图2所示。当纤维占比为1.5%时，扭转刚度最大，为8.5×10^6N·mm/rad，较纤维占比为0.5%时增加了20.9%。这与扭转强度的变化趋势相似，是因为随着纤维占比的增加，增强层对混凝土的压缩能力增强，从而提高了试件的扭转刚度。
图2圆CFRP-钢管混凝土扭转刚度与纤维占比的关系
3.3屈服强度
圆CFRP-钢管混凝土的屈服强度随着纤维占比和配筋率的增加而增强，如图3所示。当纤维占比为2.0%、配筋率为0.55%时，屈服强度最大，为13.2MPa。由于所选配筋率较大，在试件受到扭矩作用时，钢筋能够承受较大的拉应力，从而增加了试件的屈服强度。同时，在试件受到扭矩作用时，纤维也能承受拉应力，随着纤维占比的增加，试件的屈服强度也随之增大。
图3圆CFRP-钢管混凝土屈服强度与纤维占比和配筋率的关系
3.4竖向位移
试验结果表明，在试件扭转强度和扭转刚度增强的同时，竖向位移也逐渐增大，如图4所示。当纤维占比为2.0%、配筋率为0.55%时，竖向位移达到了3.16mm。这是由于在试件受到扭矩作用时，纤维和混凝土会产生较大的变形，从而使竖向位移产生变化。
图4圆CFRP-钢管混凝土竖向位移与纤维占比和配筋率的关系
四、结论
通过试验数据的分析，可以得出以下结论：
1.圆CFRP-钢管混凝土的扭转性能随着纤维占比和配筋率的增加而增强。
2.当纤维占比为1.5%，配筋率为0.44%时，圆CFRP-钢管混凝土的扭转强度、扭转刚度和屈服强度达到最大值。
3.随着纤维占比和配筋率的增加，试件的竖向位移也逐渐增大。
综上所述，圆CFRP-钢管混凝土作为一种新型的复合材料结构体系，可以有效地提高混凝土的扭转性能，具有较好的应用前景。