FRP-钢复合管约束混凝土柱的受力性能研究

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为应对高层建筑及大跨结构更小尺寸,更大承载力的要求,钢管混凝土以其强大的承载能力、跨越能力以及适应能力较好的满足了人们的需求。为了在提供更大的承载力的同时,也提高其延性,并且减轻钢管锈蚀的问题,本文结合众多学者对钢管高强混凝土、纤维增强复合材料(Fiber Reinfroced Polymer/Plastic,简称FRP)约束混凝土以及FRP-钢复合管约束混凝土的研究,进行了FRP-钢复合管约束高强混凝土轴压短柱受力性能以及FRP-钢复合管约束混凝土柱抗震性能的研究,即在圆钢管内部填充混凝土组成钢管混凝土,再利用CFRP、GFRP两种纤维布外贴于钢管混凝土结构表面,增强了约束效应,大幅提高了构件的承载力的同时,减轻结构自重减少用钢量,保护钢管,减轻钢管锈蚀的问题。开展了CFRP、GFRP-钢复合管约束高强混凝土轴压短柱的轴压性能,以及FRP-钢复合管约束混凝土柱的其抗震性能研究,主要包括以下几个方面:(1)完成了12根CFRP-圆钢管高强混凝土短柱、12根GFRP-圆钢管高强混凝土短柱以及4根圆钢管高强混凝土短柱对比试件的轴压性能试验,分析了混凝土强度、钢管厚度、FRP层数及种类等参数对试件的力学性能的影响。试验结果表明:增加FRP层数、钢管厚度和混凝土强度均可有效提高短柱的极限承载力,CFRP对短柱极限承载力的提高效果要优于GFRP,FRP的极限应变较大时可以延缓短柱的刚度退化速率,GFRP对短柱刚度退化的延缓作用更明显;CFRP、GFRP约束圆钢管高强混凝土短柱的破坏形态易呈现为剪切破坏,并且碳纤维和玻璃纤维布都可显著提升钢管高强混凝土的延性。(2)分析了FRP-钢复合管的受力机理,由力平衡条件确定了钢管混凝土柱环向应变,考虑层数的影响,加入了层数影响系数c,结合试验研究结果,提出了FRP-钢复合管约束高强混凝土短柱的轴压承载力和峰值应变计算方法。比较了FRP-钢复合管约束高强混凝土短柱轴压承载力、峰值应变的计算值与试验值,结果表明,计算结果与试验数据吻合程度良好,为FRP组合构件的应力-应变关系曲线提供了分析思路和建议。(3)用ABAQUS进行了FRP约束圆钢管高强混凝土短柱轴压试验有限元模拟,根据理论推导,确定了组合柱中钢管、混凝土、FRP的本构模型及相关参数,建立出可用于分析FRP-钢复合管约束高强混凝土轴压短柱的计算模型,分析了模型应力发展情况,与试验现象吻合,对比了计算与试验的极限承载力以及荷载-应变曲线,拟合度较好;用OPENSEES软件建立了FRP约束圆钢管混凝土柱缩尺模型,分析了轴压比、长径比、FRP种类、FRP层数、混凝土强度、钢管厚度以及钢材屈服强度等七个设计参数分别分析了CFRP、GFRP约束圆钢管混凝土柱滞回曲线、骨架曲线的影响规律以及其抗震性能,供理论和实际工程参考。
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