DB21/T 3998-2024 碳纤维增强聚合物-钢管混凝土柱技术规程

ICS01.040.93

CCSP20/29DB21

辽宁省地方标准

DB21/T3998—2024

碳纤维增强聚合物-钢管混凝土柱技术规程

TechnicalSpecificationforConcreteFilled

CFRP-SteelTubularColumns

2024-08-30发布2024-09-30实施

辽宁省住房和城乡建设厅

联合发布

辽宁省市场监督管理局

辽宁省地方标准

碳纤维增强聚合物-钢管混凝土柱技术规程

TechnicalSpecificationforConcreteFilled

CFRP-SteelTubularColumns

DB21/T3998—2024

主编单位：辽宁科技大学

中国建筑东北设计研究院有限公司

批准部门：辽宁省住房和城乡建设厅

辽宁省市场监督管理局

施行日期：2024年09月30日

2024沈阳

前言

根据辽宁省市场监督管理局辽市监发[2022]20号文件《辽宁省市场监督管理局关于印发2022年辽

宁省地方标准立项计划的通知》，在借鉴国内外先进标准的基础上，结合本地区碳纤维增强聚合物-

钢管混凝土柱的实际，由辽宁科技大学和中国建筑东北设计研究院有限公司等单位负责编制本规程。

本标准的主要技术内容是：在钢管混凝土柱和FRP管混凝土柱的基础上演变和发展起来的碳纤维

增强聚合物-钢管混凝土柱，属于钢、混凝土和碳纤维增强聚合物组合结构形式之一。一方面，碳纤

维增强聚合物-钢管混凝土可以充分利用钢、混凝土和碳纤维增强聚合物三种材料在受力过程中的相

互作用，可以取得很好的组合效应，进而获得更高的承载力。另一方面，可以采用碳纤维增强聚合物

加固更新既有老旧钢管混凝土柱。为了对其设计施工等技术要求做出配套的规定以促进其进一步发展，

本规程在总结国内外设计、施工、管理经验和科研成果的基础上，对碳纤维增强聚合物-钢管混凝土

柱的基本设计要求、材料、构件承载力计算、节点和施工与验收等做出了规定。本规程为首次发布，

发布结果不承担涉及专利的责任。

本规程由辽宁省住房和城乡建设厅负责管理，由辽宁科技大学负责解释。执行过程中如有意见或

建议，请寄送辽宁科技大学（地址：辽宁省鞍山市立山区千山中路189号，邮编：114051）。

本规程主编单位：辽宁科技大学

中国建筑东北设计研究院有限公司

本规程参编单位：辽宁中测建筑科技有限公司

沈阳市建设工程质量监督站

辽宁省交通高等专科学校

东北大学

成都工业学院

中国三冶集团有限公司

辽宁省市政工程设计研究院有限责任公司

辽宁建安兴业工程有限公司

中国二十二冶集团有限公司

中国建筑第八工程局有限公司东北分公司

本规程主要起草人员：王庆利陈勇高国瑞阎磊顾威陈猛彭宽赵彤

刘一民丁兆东王军勇王涛高华国张铁志田帅张红涛

高松张慧莹张艺竞高行程秦海宇葛浩刘鹏飞于彦凯

董志成陈鹏董志峰吕延超宁迎福冯颖郭义寰高健

于海凤朱立雷白羽潘东旭周宇孔令杰赵杰韩俊谦

张鹏鹏刘昊坤叶天文杨佳豪

本规程主要审查人员：李庆钢白阳李楠卢伟然夏志忠杨璐由世岐

i

目次

1总则...............................................................................................................................................................1

2术语和符号.......................................................................................................................................................2

2.1术语.......................................................................................................................................................2

2.2符号.......................................................................................................................................................3

3基本规定...........................................................................................................................................................7

4材料性能与设计指标.......................................................................................................................................8

5构件的承载力计算.........................................................................................................................................13

5.1一般规定.................................................................................................................................................13

5.2承载力计算.............................................................................................................................................13

5.3压-弯滞回构件的恢复力模型...............................................................................................................16

6节点和连接.....................................................................................................................................................20

7施工.............................................................................................................................................................26

7.1一般规定.................................................................................................................................................26

7.2钢构件的制作与施工.............................................................................................................................26

7.3混凝土施工.............................................................................................................................................27

7.4碳纤维布粘贴施工.................................................................................................................................28

8检查与验收.....................................................................................................................................................29

8.1检查.....................................................................................................................................................29

8.2验收.....................................................................................................................................................29

本规程用词说明...................................................................................................................................................37

本规程引用标准名录...........................................................................................................................................38

附：条文说明.......................................................................................................................................................39

ii

Contents

1Generalprinciples……….……………..1

2Termsandsymbols……….……………..2

2.1Terms………….…….…..…………2

2.2Symbols…….…..….…………………….…………3

3Foundamentalstipulations………….…...7

4Materialsperformanceanddesignindices…….……….8

5Calculationofbearingcapacityofthemembers……….13

5.1Generalstipulations……………..13

5.2Calculationofbearingcapacity…………….….13

5.3Restoringforcemodelforcompression-bendinghysteresismembers……………16

6Jointsandconnections……………….20

7Construction……………...…………….26

7.1Generalstipulations………………………..………..26

7.2Fabricationandconstructionofsteelmembers……………………...26

7.3Constructionofconcrete…….…..….…………...…..27

7.4Carbonfiberclothpastingconstruction.…………..28

8Inspectionsandacceptance…………….29

8.1Inspections……..…………..………..29

8.2Acceptance………………………...29

Explanationofwordinginthisspecification………………….………….37

Codescitedinthisspecification………….38

Explanationoftheclauseisattached……………………..39

iii

1总则

1.0.1为满足建筑工程的需要，使碳纤维增强聚合物-钢管混凝土柱的设计、施工和验收做到安全适

用、技术先进、经济合理以及确保质量，特制定本规程。

1.0.2本规程适用于本省工业与民用建筑及构筑物的碳纤维增强聚合物-钢管混凝土柱的设计、施工

和验收以及用碳纤维增强聚合物修复/加固受损或既有钢管混凝土而形成的结构。本规程限用于圆形

和方形截面碳纤维增强聚合物-钢复合管内浇筑素混凝土的碳纤维增强聚合物-钢管混凝土柱。

1.0.3除了本规程外，碳纤维增强聚合物-钢管混凝土柱的设计尚应遵守现行国家标准的有关规定。

1.0.4特殊环境下的碳纤维增强聚合物-钢管混凝土柱的设计与施工，尚应符合国家行业及辽宁省有

关标准的规定。

1.0.5碳纤维增强聚合物-钢管混凝土柱不仅进一步提升了钢管混凝土柱的各项指标，而且由于CFRP

本身重量轻、耐腐蚀以及安装简易等特点，在整个运输、施工过程中几乎没有产生额外的劳动力。

1

2术语和符号

2.1术语

2.1.1碳纤维增强聚合物-钢管混凝土concrete-filledCFRP-steeltube

碳纤维增强聚合物钢管混凝土简称CFRP-钢管混凝土，是指在CFRP-钢复合管内浇筑混凝土而形

成的构件，也指用CFRP修复/加固受损或既有钢管混凝土而形成的构件。

2.1.2CFRP-钢管混凝土柱concrete-filledCFRP-steeltubularcolumns

在钢管混凝土柱表面粘贴CFRP形成的构件。

2.1.3组合轴心抗压强度compositeaxialcompressivestrength

CFRP-钢管混凝土组合截面所能承受的最大名义压应力。

2.1.4组合轴压弹性模量compositeaxialcompressivemodulusofelasticity

CFRP-钢管混凝土组合截面在单向受压，且其纵向名义应力与应变近似呈线性关系时，截面上名

义正应力与对应的正应变的比值。

2.1.5组合弹性抗弯刚度compositebendingstiffnessofelasticity

CFRP-钢管混凝土构件的曲率与截面弯矩近似呈线性关系时，截面弯矩与曲率的比值。

2.1.6钢管约束系数confinementfactorofsteeltube

反映CFRP-钢管混凝土中钢管对混凝土的约束作用，其标准值数值大小等于钢管截面面积和钢材

屈服强度的乘积与混凝土截面面积和混凝土轴心抗压强度标准值的乘积之比，其设计值数值大小等于

钢管截面面积和钢材强度设计值的乘积与混凝土截面面积和混凝土抗压强度设计值的乘积之比。

2.1.7横向CFRP约束系数confinementfactoroftransverseCFRP

反映CFRP-钢管混凝土中横向CFRP为钢管混凝土提供的横向约束作用，其标准值数值大小等于

横向CFRP截面面积和横向CFRP抗拉强度的乘积与混凝土截面面积和混凝土轴心抗压强度标准值的

乘积之比，其设计值数值大小等于横向CFRP截面面积和横向CFRP抗拉强度的乘积与混凝土截面面

积和混凝土抗压强度设计值的乘积之比。

2.1.8纵向CFRP增强系数strengtheningfactoroflongitudinalCFRP

反映CFRP-钢管混凝土中纵向CFRP为钢管混凝土提供的纵向增强作用，其标准值数值大小等于

纵向CFRP截面面积和纵向CFRP抗拉强度的乘积与钢管截面面积和钢材屈服强度的乘积之比，其设

计值数值大小等于纵向CFRP截面面积和纵向CFRP抗拉强度的乘积与钢管截面面积和钢材强度设计

值的乘积之比。

2.1.9总约束系数globalconfinementfactor

反映CFRP-钢管混凝土中横向CFRP和钢管对混凝土的总约束作用，其标准值数值大小等于钢管

约束系数与横向CFRP约束系数之和，其设计值大小等于钢管约束系数设计值与横向CFRP约束系数

设计值之和。

2

2.1.10约束系数比confinementfactorratio

反映CFRP-钢管混凝土中横向CFRP与钢管的匹配关系，其数值大小等于横向CFRP约束系数与钢

管约束系数的比值。

2.1.11加强环板stiffenerringplate

为构造CFRP-钢管混凝土刚性节点而设置的环向节点板。

2.2符号

2.2.1作用和作用效应（设计值）

M——弯矩；

N——轴力；

T——扭矩；

V——剪力。

2.2.2计算指标

Ec——混凝土的弹性模量；

Ecf——碳纤维布的弹性模量；

Es——钢材的弹性模量；

Ecfsc——CFRP-钢管混凝土组合轴压弹性模量；

EcfscAcfsc——CFRP-钢管混凝土轴压短柱的纵向刚度；

f——钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值；

fc——混凝土的轴心抗压强度设计值；

fc'——混凝土圆柱体抗压强度；

fcfl——纵向CFRP的抗拉强度；

fcft——横向CFRP的抗拉强度；

fcfsc——CFRP-钢管混凝土的轴心抗压强度设计值；

fcfscp——CFRP-钢管混凝土的轴压短柱的名义比例极限；

fcfscy——CFRP-钢管混凝土的轴心抗压强度；

fck——混凝土的轴心抗压强度标准值；

fcu——混凝土立方体抗压强度；

ft——混凝土的抗拉强度设计值；

ftk——混凝土的轴心抗拉强度标准值；

fv——钢材的抗剪强度设计值；

fy——钢材的屈服强度；

f1——加强环板钢材抗拉强度设计值；

Ka——CFRP-钢管混凝土压-弯构件恢复力模型弹性阶段的刚度；

3

Ke——CFRP-钢管混凝土组合弹性抗弯刚度；

KT——CFRP-钢管混凝土压-弯构件恢复力模型的第三阶段的刚度；

M0——CFRP-钢管混凝土的抗弯承载力设计值（仅有横向CFRP）；

Mbc——CFRP-钢管混凝土压-弯构件的抗弯承载力设计值；

Mc——柱中心线处的梁支座弯矩设计值；

Mu——CFRP-钢管混凝土的抗弯承载力设计值(兼有横、纵CFRP)；

My——CFRP-钢管混凝土在侧向滞回力作用下的抗弯承载力；

Nb——梁轴向力对一个环板产生的拉力；

Nbc——CFRP-钢管混凝土压-弯构件的抗压承载力设计值；

NE——欧拉临界力；

Nu——CFRP-钢管混凝土的轴心抗压承载力设计值；

Nu,cr——CFRP-钢管混凝土的稳定承载力设计值；

Nx,max——x方向由最不利效应组合产生的最大拉力；

Ny——y方向与Nx,max同时作用的拉力；

Py——压-弯构件在侧向滞回力作用下的恢复力模型曲线峰值荷载；

Tu——CFRP-钢管混凝土的抗扭承载力设计值；

Vmax——梁端腹板承受的最大剪力；

Vu——CFRP-钢管混凝土的抗剪承载力设计值；

Wcfscm——CFRP-钢管混凝土的抗弯模量；

Wcfsct——CFRP-钢管混凝土的抗扭模量；

vc——混凝土的泊松比；

vs——钢材的泊松比；

cfscp——对应于fcfscp的应变；

cflr——纵向CFRP的断裂应变；

cftr——横向CFRP的断裂应变；

εmax——对应于Mu的最外纤维拉应变；

εsl——钢管的纵向应变；

——构件的长细比；

0——CFRP-钢管混凝土弹塑性失稳的界限长细比；

p——CFRP-钢管混凝土弹性失稳的界限长细比；

——梁柱节点的钢梁腹板的管壁剪应力；

cfsc——CFRP-钢管混凝土抗扭强度设计值；

cfscy——CFRP-钢管混凝土抗扭强度；

4

cfsc——CFRP-钢管混凝土轴压短柱的名义压应力；

——转角。

2.2.3几何参数

Ac——混凝土的截面面积；

Acfl——纵向CFRP的截面面积；

Acft——横向CFRP的截面面积；

Acfsc——CFRP-钢管混凝土的截面面积；

As——钢管的截面面积；

Bs——方钢管的外边长；

b——加强环板控制截面宽度；

be——柱肢管壁参加加强环工作的有效宽度；

bj——角焊缝包入的宽度；

bs——连接钢梁的环板宽度；

Ds——圆钢管的外径；

h——梁端截面高度；

hf——角焊缝的焊脚尺寸；

hj——腹板高度；

Ic——混凝土的截面惯性矩；

Icfl——纵向CFRP的截面惯性矩；

Is——钢管的截面惯性矩；

L——构件的计算长度；

ml——纵向CFRP的层数；

rc——混凝土半径；

t——柱肢管壁厚度；

tcf——单层碳纤维布的厚度；

ts——钢管的壁厚；

tw——腹板厚度；

t1——加强环板厚度。

2.2.4计算系数及其它

n——轴压比；

——含钢率；

——拉力N作用方向与计算截面的夹角；

——加强环同时受垂直双向拉力的比值；

p——压-弯构件在侧向滞回力作用下的恢复力模型曲线峰值荷载对应的位移；

5

——CFRP-钢管混凝土的稳定系数；

——CFRP-钢管混凝土抗弯承载力计算系数(仅有横向CFRP)；

m——CFRP-钢管混凝土抗弯承载力计算系数(兼有横、纵CFRP)；

v——构件截面抗剪承载力计算系数；

——纵向CFRP增强系数；

0——纵向CFRP增强系数设计值；

——总约束效应系数；

——总约束效应系数设计值；

cf——横向CFRP约束效应系数；

cf0——横向CFRP约束效应系数设计值；

s——钢管约束效应系数；

s0——钢管约束效应系数设计值；

'——约束系数比。

6

3基本规定

3.0.1CFRP-钢管混凝土柱设计必须贯彻执行国家技术经济政策，充分考虑工程情况、材料供应、构

件运输、安装和施工的具体条件，合理选用结构方案，做到安全、经济和适用。

3.0.2钢管的外直径或最大外边长与壁厚之比不得大于无混凝土时由现行国家标准《钢结构设计标准》

GB50017钢管局部稳定控制的相应限值的1.5倍。

1圆CFRP-钢管混凝土柱截面直径不宜小于168mm，钢管壁厚不应小于3mm。

2方CFRP-钢管混凝土柱边长尺寸不宜小于168mm，钢管壁厚不应小于3mm。

3.0.3CFRP-钢管混凝土宜用作轴心受压或小偏心受压的柱。

3.0.4CFRP-钢管混凝土柱应按制作、运输及安装的荷载设计值进行施工阶段的验算，其自身吊装的

验算，应将构件自重乘以动力系数1.5。

3.0.5CFRP-钢管混凝土柱在各类建筑结构的设计使用年限并不一致，应按《建筑结构可靠性设计统

一标准》GB50068的规定取用，相应的荷载设计值及耐久性措施均应依据设计使用年限确定。

7

4材料性能与设计指标

4.0.1钢管用钢材宜采用Q235、Q355、Q390、Q420、Q460和Q345GJ钢，其性能与质量要求应符

合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700、《低合金高强度结构钢》GB/T1591、《合金结构钢》GB/T

3077和《结构加固修复用碳纤维布》JG/T167的规定和要求。当采用其它种类的钢材时，尚应符合

相应有关标准的规定和要求。用于加工钢管的钢板板材尚应具有冷弯试验的合格保证。钢材的选用应

符合现行标准《钢结构设计标准》GB50017的有关规定。

4.0.2钢管宜采用直缝焊接管。

4.0.3钢材的强度设计值f和弹性模量Es应按现行国家标准《钢结构设计标准》GB50017执行。

4.0.4混凝土宜采用高强高性能混凝土，水灰比不宜大于0.40。

4.0.5混凝土的强度等级不应低于C30，可参照下列材料强度指标进行组合：Q235钢配C30或C40

混凝土；Q355钢配C40、C50或C60混凝土；Q390、Q420和Q460钢配C50、C60或C60以上强度

等级的混凝土。混凝土的强度和弹性模量按表4.0.5-1和表4.0.5-2确定（表内中间值可用插值法求得）。

表4.0.5-1混凝土强度（MPa）

混凝土强度等级C30C40C50C60C70C80C90C95C100

fck20.126.832.438.544.550.255.958.761.5

ftk2.012.392.642.852.993.113.213.253.29

fc14.319.123.127.531.835.939.941.943.9

ft1.431.711.892.042.142.222.292.322.35

表4.0.5-2混凝土弹性模量（GPa）

混凝土强度等级C30C40C50C60C70C80C90C95C100

Ec30.032.534.536.037.038.039.039.540.0

4.0.6采用单向碳纤维布，其安全性及适配性检验指标应符合表4.0.6-1的规定。碳纤维布的抗拉强

度、受拉弹性模量和伸长率，应采用《定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》GB/T3354进行测定；

碳纤维布单位面积质量，应采用《增强制品试验方法第3部分：单位面积质量的测定》GB/T9914.3

进行测定。

表4.0.6-1碳纤维复合材安全性能指标

合格指标

检验项目单向织物（布）

高强Ⅰ级高强Ⅱ级高强Ⅲ级

标准值≥3400≥3000——

抗拉强度

（MPa）

平均值————≥3000

受拉弹性模量（MPa）≥2.3×105≥2.0×105≥2.0×105

伸缩率（%）≥1.6≥1.5≥1.3

8

弯曲强度（MPa）≥700≥600≥500

层间剪切强度（MPa）≥45≥35≥30

纤维复合材与基材

≥3.5，且不得为粘附破坏

正拉粘结强度（MPa）

人工粘贴≤300

单位面积

质量（g/m2）

真空灌注≤450

4.0.7胶粘剂采用改性环氧树脂胶，其安全性检验指标必须符合表4.0.7-1的规定，使用前须做适配

性检验。

表4.0.7-1碳纤维复合材的结构胶粘结能力指标

检验合格指标

检验项目检验条件Ⅰ类胶

Ⅱ类

Ⅲ类胶

胶

A级B级

标准值试件粘合后养护7d，到期立即在：（23±2）℃，（50±5）%RH条件下测试≥17≥14≥17

钢对钢拉伸

抗拉强度（95±2）℃；10min————≥15——

（MPa）

平均值（125±3）℃；10min——————≥12

（-45±2）℃；30min≥19≥16≥19

钢对钢对接接头

≥45≥40≥45≥38

抗拉强度（MPa）

钢对钢T冲击

试件粘合后养护7d，到期立即在：（23±2）℃，（50±5）%RH条件下测试≤10≤20≤6

剥离长度（mm）

钢对钢不均匀

≥30≥25≥35

扯离强度（kN/m）

热变形温度（℃）使用0.45MPa的弯曲应力进行测试≥65≥100≥130

4.0.8CFRP-钢管混凝土组合轴心抗压强度设计值fcfsc应按下式计算：

1圆构件

fcfsc=[1.14+1