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user: 3. 试验分析 3.1. 材料性能指标、试件数量及编号 本试验所用的三种材料混凝土、钢管、碳纤维的各项材料性能指标如表1所示。本试验分别有A、B两组试件，其中A、B两组试件的碳纤维厚度取值根据实际测量确定。每组试件数量为3个。A、B两组试件的编号以及试验所测值如表2所示。 图2. 应变片测点布置图 Table 1 Mechanical properties of the specime 材料属性 混凝土C60 钢材Q235 碳纤维 弹性模量(N/mm 2 ) 3.6 × 10 4 2.06 × 10 5 2.3 × 10 5 抗压强度设计值(N/mm 2 ) 27.5 215 - 抗拉强度设计值(N/mm 2 ) 2.04 215 ≥3500 表1. 试件所用材料性能指标 Table 2 Experimental result 分组 试件数量 试件编号 最大荷载值(kN) 最大位移值(mm) A 3 C-1 1099.48 39.264 C-2 1159.91 39.251 C-3 1363.32 38.924 B 3 C-11 1316.91 35.457 C-22 1493.19 39.276 C-33 1451.01 37.367 表2. 试件编号及试验结果 3.2. 试验过程及现象 本试验中定义的平均应力 。试件上测点1、2同侧，测点3、4同侧，在 试件轴心受压过程中，当轴力增大到一定值后，混凝土受到钢管及外包碳纤维的约束，钢管混凝土向外鼓出，最终使外裹的碳纤维受拉破坏。 3.2.1. A组试验结果 选取其中一个试件分析，如图3为A组试件c-1的平均应力应变曲线图，由图中可以看出，当平均应力依次达到72 N/mm 2 、105 N/mm 2 时，测点3、4处应变先后出现突变，表明该处碳纤维先出现破坏。最后测点1、2处的应变发生突变，表明测点1、2处的碳纤维基本上同时出现受拉破坏，此时对应的应力为110.0 N/mm 2 左右，对应的外荷载值为704.0 kN。图4、图5分别为另外两个试件加载过程中的试验现象。 由A组复合腔体试件轴心抗压试验结果可以看出，在轴压试验过程中，在荷载值达到700.0 kN左右时，外部碳纤维由于钢管混凝土的压鼓环向受拉逐步破坏。 图6为A组3个试件的轴向荷载位移曲线图，A组复合腔体试件在轴向压力770 kN~830 kN时开始屈服，进入弹塑性阶段，此时位移为5.8 mm左右。由图中可以看出该复合试件本身具有很好的延性。 图7中8张图片分别为A组试件在试验前的构件尺寸及外观，以及试验后试件的破坏形态、截面尺寸，碳纤维的破坏形态以及钢材的破坏形态。 3.2.2. B组试验结果 选取B组其中一个试件分析，图8为B组试件c-11的平均应力应变曲线图，由图中可以看出，当平均应力达到63.0 N/mm 2 ，测点2处应变发生突变，表明该处碳纤维先出现破坏，其后当平均应力达到119.0 N/mm 2 时，测点3、4处应变发生突变，表明该测点处的碳纤维出现受拉破坏，最后测点1处应变发生突变，表明该处碳纤维受拉破坏，此时的平均应力为130.0 N/mm 2 左右，对应外荷载值为832.0 kN。由图上可以看出测点1、3、4处碳纤维开始破坏的时间相差不大。图9、图10分别为另外两个试件加载过程中的试验现象。 图11为B组3个试件的轴向荷载位移曲线图，从图中可以看出，B组复合腔体试件在轴向压力达到1000.0 kN~1100.0 kN时开始屈服，进入弹塑性阶段，此时位移为5.81 mm。由图中还可以看出该复合试件具有很好的延性。图12为A、B两组试件的荷载位移曲线关系对比图。 图13中8张图片分别为B组试件试验前的构件尺寸及外观，试验后试件的破坏形态、截面形状，碳纤维的破坏形态以及钢材的破坏形态。 在试验过程中首先出现碳纤维开始拉坏时，同时可听到碳纤维拉坏断裂的声音，此后碳纤维逐渐破坏失去承载力，复合腔体试件的承载力出现短暂的下降趋势，随后荷载基本维持不变，位移不断增加。此阶段为屈服阶段。当位移达到30 mm左右时，复合腔体的承载能力又有所增强。从破坏形态来看，A、B组试件钢板均被压缩，破坏形态基本一致，但是外裹碳纤维的破坏形态是不相同的。A组试件的碳纤维在试验过程中断裂，与钢板表面脱离，而B组试件的碳纤维拉坏，还未与钢板完全脱离。 3.3. 试验结果分析 图14、图15分别为本试验中采用的复合腔体试件钢材和混凝土在轴压试验中采用的截面计算面积示意图。 根据材料性能指标，可计算得到混凝土在轴压力作用下的截面设计承载力[ 3 ] [ 4 ] ： 图3. C-1应力-应变曲线 图4. C-2应力-应变曲线 图5. C-3应力-应变曲线 图6. A组试件荷载-位移曲线 图8. C-11应力应变曲线 图9. C-22应力应变曲线 图10. C-33应力应变曲线 图11. B组试件荷载-位移曲线 图12. A、B组试件荷载-位移曲线对比 图14. 轴压钢材计算截面示意图 图15. 轴压混凝土计算截面示意图 钢材在轴压力作用下的截面设计承载力： 混凝土和钢材截面承载力之和N为404 kN。 表3所示为试验所得复合腔体试件的屈服荷载、极限荷载以及试验所测值与理论计算值的一些比较。表4为试验过程中，试件表面碳纤维最初开始破坏时的荷载、碳纤维被拉坏逐渐退出工作时荷载、试件开始屈服的荷载、试验所测极限荷载的汇总表。表5中数据为A组、B组试件分别取3个试件各项荷载的平均值。 由表5A、B两组数据处理结果来看，A组和B组试件碳纤维开始出现破坏时的荷载很接近，均为529.0~550.0 kN。但B组试件的其他承载力均比A组试件大。由表中可知，碳纤维开始退出工作时的荷载A组为725.3 kN左右，B组为893.87 kN，B组试件的碳纤维开始退出工作时荷载比A组高23.2%。A组的屈服荷载均值为827.56 kN，B组的屈服荷载均值为1112.43 kN，B组试件的屈服荷载比A组试件高34.4%。试验所得的极限荷载承载力A组均值为1207.57 kN，B组为1420.37 kN，B组试件的极限承载力比A组高17.6%左右。从承载力方面来看B组试件比A组试件的承载力大。表5中还列出A组试件的强屈比均值为1.46，而B组为1.28，均比设计所要求的1.25大，说明二组试件均满足延性要求。但A组试件的延性要比B组试件好，高14%左右。 Table 3 Analysis of the experimental result 试件编号 混凝土截面设计承载(kN) 钢材截面设计承载力(kN) 二者之和N (kN) 试验测得屈服荷载F s F s /N 试验测得极限荷载F (kN) F/N F/F s 强屈比 C-1 142.56 261.44 404 825.91 2.04 1099.48 2.72 1.33 C-2 835.90 2.07 1159.91 2.87 1.39 C-3 820.87 2.03 1363.32 3.37 1.66 C-11 1125.1 2.78 1316.91 3.26 1.17 C-22 1104.2 2.73 1493.19 3.70 1.35 C-33 1108.0 2.74 1451.01 3.59 1.31 表3. 试件试验结果分析 Table 4 Experimental results lis 试件编号 碳纤维最先开始破坏时的荷载(kN) 测点碳纤维全部破坏时的荷载(kN) 试验测得屈服荷载(kN) 试验测得极限荷载(kN) C-1 460.8 704.0 825.91 1099.48 C-2 608.0 704.0 835.90 1159.91 C-3 588.8 768.0 820.87 1363.32 C-11 403.2 832.0 1125.10 1316.91 C-22 608.0 972.8 1104.20 1493.19 C-33 576.0 876.8 1108.00 1451.01 表4. 试验结果汇总列表 Table 5 Comparision of experimental results between sets A and sets 碳纤维最先开始破坏时的荷载(kN) 测点碳纤维全部破坏时的荷载(kN) 屈服荷载(kN) 试验所测极限荷载(kN) 强屈比 A 552.53 725.33 827.56 1207.57 1.46 B 529.07 893.87 1112.43 1420.37 1.28 (B − A)/A −4.2% 23.2% 34.4% 17.6% −14.3% 表5. A、B组试验结果对比列表