CFRP-钢复合管约束型钢混凝土方柱力学性能研究

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国内外研究中对于CFRP-钢复合管约束约束型钢混凝土方柱的研究较少,且针对型钢截面形式对构件力学性能影响的研究则更为缺乏。因此本文在以往研究的基础上提出了新型钢截面形式的CFRP-钢复合管约束型钢混凝土方柱,以探索增加型钢约束范围而增加约束效果的可行性。并针对钢管厚度、CFRP层数、型钢截面面积、型钢截面形式以及钢管受力状态等参数对试件力学性能的影响进行探讨。因此,本文对CFRP-钢复合管约束型钢混凝土方柱的轴压性能进行了试验研究、理论分析和数值模拟,开展的具体研究工作如下:(1)进行17根CFRP-钢复合管约束型钢混凝土方柱和2根钢管型钢混凝土方柱的轴压对比试验。对试件的破坏模式进行了详细的说明,展现了试件的宏观受力情况,绘制了试件荷载-位移关系曲线、试件的各项参数与承载力提升之间的关系图以及试件各项参数与延性之间的关系图,为后续研究提供了可靠的试验数据。试验表明,增加型钢截面面积、外钢管厚度均可以有效提高试件承载能力和变形能力;增加CFRP层数可以有效提升对核心混凝土侧向膨胀的约束,提高承载力并改善试件第一峰值后的力学性能,但会使得试件延性减小;钢管不直接承受轴向力可以有效的防止外钢管在加载初期就因轴向力而屈曲,从而改善试件的变形能力以及力学性能;型钢截面形式对试件承载力和变形能力有明显的影响,且L形型钢优于B形型钢优于N形型钢。(2)对试验数据采用数值分析的方法,得到试件的轴向-横向应变关系曲线图以及试件轴向应变与试件不同位置处的横向应变的对比图,详细分析了各参数对于以上关系的影响。同时通过应力剥离分析,获得了荷载-钢管应力关系曲线,再根据方柱约束的特点确定了钢管、CFRP与核心混凝土之间的径向相互作用,深度剖析了三者之间的相互作用机理。(3)利用有限元分析软件(ABAQUS),通过选取合适的单元、网格、接触类型以及材料本构模型,建立了CFRP-钢复合管约束型钢混凝土轴压方柱的有限元模型。通过与试验试件对比验证,证明了该有限元模型的合理性。此后,以该模型为基础进行了对型钢面积、型钢翼缘宽度、型钢翼缘厚度、混凝土强度、钢材强度、钢管厚度、CFRP层数等七项参数的分析,结果表明各项参数对试件性能均不同程度的影响,同时型钢翼缘宽度和厚度分别与其他几项参数具有相互影响关系。(4)分析了现有轴向承载力计算公式的设计思路,探讨了其优缺点,并在此基础上利用有限元分析软件所建立的121个试件,针对混凝土强度、钢材屈服强度、外钢管厚度、CFRP层数型钢截面面积以及型钢截面形式提出了相对应的影响系数,由此回归得到了全新的轴向承载力计算公式。对现有承载力计算公式和本文所提出的承载力计算公式进行有效性分析,证明了本文所提出的计算公式具有更好的有效性和适用性,为CFRP-钢复合管约束型钢混凝土方柱的深入研究和实际工程应用提供了理论指导。
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