3 摘要 本研究提出了一种新的组合柱——混凝土包覆混凝土充填纤维增强聚合物管（CCFT）柱。这种组合柱由内层混凝土充填纤维增强聚合物（FRP）管、外层由聚合物网格约束的混凝土和混凝土保护层组成。在本研究中，共浇筑并测试了16根混凝土短柱，所有柱子在轴向压缩下进行测试。这些柱子被分为八组，包括一组普通混凝土柱、两组FRP约束混凝土柱和五组CCFT柱。对于FRP约束混凝土柱，分别包裹了一层和两层碳纤维增强聚合物（CFRP）薄膜。对于CCFT柱，采用玻璃纤维增强聚合物（GFRP）管约束内层混凝土，并采用聚合物网格约束外层混凝土。试验验结果表明，CCFT柱在强度和延性方面有显著提高。本文还开发了一个分析模型，用于预测CCFT柱的轴向压缩行为。分析结果与试验结果一致，吻合良好。基于该分析模型，通过参数分析研究了不同参数对CCFT柱轴向压缩行为的影响。 4 研究背景 近年来，纤维增强聚合物（FRP）复合材料在土木工程领域得到了广泛应用，大量研究证明通过FRP约束可显著提升混凝土柱的强度和延性。随着研究的深入，FRP材料的应用已不再局限于加固修复，而是逐步扩展到新型结构体系的建造，如混凝土充填FRP管（CFFT）结构。CFFT柱结合了FRP与混凝土的优势：FRP管作为永久模板同时为核心混凝土提供环向约束；核心混凝土防止FRP管发生局部屈曲，从而赋予了构件更高的强度与延性，现已在建筑工程中得到应用。尽管如此，CFFT结构仍存在耐火性能不足、破坏突发性强与梁体连接复杂等问题。与此同时，FRP虽然具备优异的耐腐蚀性，但其抗压性能有限、易在弯折处受损并产生局部屈曲，因此在受压构件中的应用受限，也未被ACI 440.1R-06等规范正式认可。现有FRP加固与CFFT体系虽具良好力学性能与耐久性，但仍面临耐火性不足、延性有限及构造适用性不足等问题，这为进一步研发新型复合柱（CCFT）的研究奠定了重要基础。 5 研究内容
本文围绕新型混凝土包覆–混凝土充填FRP管（CCFT）柱的轴压性能展开系统研究，旨在揭示其受力机理并建立可用于设计分析的理论模型。作者设计并制作了16个短柱试件，分为普通混凝土柱、CFFT柱以及CCFT柱三类，通过改变FRP层数、聚合物网格类型与层数等参数，研究不同约束形式对承载力和延性的影响。通过轴压试验记录各试件的破坏模式、荷载–变形关系及应变发展规律。结果表明，CCFT柱在强度和延性方面均显著优于传统混凝土柱与CFFT柱。基于FRP约束混凝土和聚合物网格约束混凝土的本构关系，建立了CCFT柱的分层组合解析模型，模型同时考虑了FRP管、核心混凝土及混凝土包覆层的协同作用，并引入0.85的混凝土强度折减系数。模型计算结果与实测曲线吻合良好，验证了其合理性。在此基础上，论文进一步进行了参数分析，探讨了混凝土强度、FRP管厚度、缠绕角度及网格层数等因素对轴压承载力和变形能力的影响。分析结果显示，核心混凝土强度和FRP管厚度对极限承载力影响最显著，而聚合物网格的约束作用较弱。总体而言，本文不仅通过试验验证了CCFT柱优异的受力性能，还提出了可推广应用的计算模型，为此类新型组合柱的设计优化和工程应用提供了理论与试验依据。 图一 混凝土包裹FRP管混凝土组合柱截面图 图二 浇筑前的模板 图三 聚合物格栅的拉伸应力-应变关系曲线 图四 破坏模式 图五 P(1)、FC-1(1)、PC-2(1)、CCFT-0(1)、CCFT-1A(1) 及 CCFT-2A(1) 组柱的轴向荷载-轴向变形关系曲线 图六 P(1)、FC-1(1)、FC-2(1)、CCFT+X(1)、CCFT-1B(1) 及 CCFT-2B(1) 组柱的轴向荷载-轴向变形关系曲线
6 主要结论 （1）所有CCFT柱在轴压荷载下均表现出较高的承载力和延性。FRP管对核心混凝土提供有效约束并分担部分轴压，聚合物网格对外层混凝土起约束作用，层数增加可略微提升承载力。即使混凝土保护层剥落，CCFT柱仍能保持较强的承载与变形能力。www.gc5.com （2）本文建立了用于预测CCFT柱轴压性能的解析模型，计算结果与试验数据吻合良好，验证了模型在模拟CCFT柱轴压行为方面的准确性与可靠性。 （3）提高内外混凝土强度均可提升首峰荷载，其中核心混凝土强度对极限承载力影响最显著。FRP管厚度和纤维缠绕角度对极限承载力与应变影响明显，而聚合物网格因开孔大、拉伸性能低，对轴压性能改善有限。 （4）研究结论基于16个短柱试验，仍需进一步验证。后续应研究CCFT柱在弯曲及轴压–侧向组合荷载下的性能，以评估其在工程中的应用潜力。 7 文章亮点 创新性地提出了“混凝土包覆–混凝土充填FRP管（CCFT）柱”这一组合结构体系，将FRP管的高强约束作用与外包混凝土的耐火优势相结合，克服了传统CFFT柱耐火性差、破坏突发等问题。