FRP約束鋼管混凝土柱承載力研究.pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer，簡寫為FRP)以其特有的輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞和易加工等優(yōu)點(diǎn)，被越來越廣泛地應(yīng)用于各類工業(yè)與民用建筑、橋梁、海岸與近海、地下工程以及特種結(jié)構(gòu)之中。在鋼管混凝土柱外包FRP材料，形成FRP約束鋼管混凝土組合柱。利用FRP約束鋼管混凝土，不僅可提高鋼管混凝土的承載力，還可以解決FRP筒塑性不足，減輕構(gòu)件自重，在一定程度上解決鋼管的腐蝕問題。因此，F(xiàn)RP約束鋼管混凝土組合

2、柱應(yīng)用前景較好。本文主要研究FRP約束鋼管混凝土柱的極限承載力。 首先，應(yīng)用第四強(qiáng)度理論和三向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的破壞準(zhǔn)則得出了FRP約束鋼管混凝土軸心受壓柱的承載力計(jì)算公式，分析了影響承載力的各種因素，將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果對比吻合較好，從而驗(yàn)證了理論公式的正確性和可行性。(1)通過本文的計(jì)算結(jié)果可以看出采用第四強(qiáng)度理和三向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的破壞準(zhǔn)則計(jì)算的理論結(jié)果與文獻(xiàn)資料結(jié)果誤差較小，說明第四強(qiáng)度理論和三向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的

3、破壞準(zhǔn)則對于FRP約束鋼管混凝土軸心受壓柱的計(jì)算合理。(2)將FRP約束鋼管混凝土柱與其相對應(yīng)的鋼管混凝土柱的極限承載力對比可知，影響極限承載力及其提高率的主要因素是核心混凝土的強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度以及纖維層數(shù)與種類。FRP約束鋼管混凝土軸心受壓柱的極限承載力隨著核心混凝土的強(qiáng)度等級的提高而提高；與相應(yīng)的鋼管混凝土柱相比，核心混凝土的強(qiáng)度等級越高，其軸心受壓時(shí)的極限承載力的提高率反而降低；FRP約束鋼管混凝土軸心受壓柱的極限承載力隨著鋼材強(qiáng)度

4、的提高而提高(鋼管壁厚不變)；與相應(yīng)的鋼管混凝土柱相比，鋼材的強(qiáng)度越高，其軸心受壓時(shí)的極限承載力的提高率反而降低；并且對于采用同一鋼材的FRP約束鋼管混凝土柱而言，所采用的鋼管壁越厚，其軸心受壓時(shí)的極限承載力的提高率亦反而降低；FRP約束鋼管混凝土柱與相應(yīng)的鋼管混凝土柱相比，纖維層數(shù)越多，其軸心受壓時(shí)的極限承載力的提高率相應(yīng)提高；并且對于纏繞相同層數(shù)的FRP材料而言，其極限承載力的提高率隨FRP材料的抗拉強(qiáng)度的提高亦得到提高；FRP約束

5、鋼管混凝土柱與相應(yīng)的鋼管混凝土柱相比，極限承載力的提高率隨著纖維與鋼管的約束系數(shù)之比即ξcf/ξs值的增大而增大，即當(dāng)鋼管混凝土柱外包裹的纖維層數(shù)與種類完全相同時(shí)，其極限承載力的提高率隨著鋼管約束效應(yīng)的減小而增大。(3)由極限平衡理論推導(dǎo)出的FRP約束鋼管混凝土軸壓柱的極限承載力公式與試驗(yàn)實(shí)測的極限承載力較為接近，說明極限平衡理論對于FRP約束鋼管混凝土軸心受壓柱的計(jì)算合理。 其次，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，利用大型有限元軟件AN

6、SYS9.0的強(qiáng)大分析功能，對FRP約束鋼管混凝土柱進(jìn)行了三維模擬，對纖維采用理想線彈性本構(gòu)關(guān)系，對鋼管采用Von Mises屈服準(zhǔn)則和等向強(qiáng)化的本構(gòu)關(guān)系，對核心混凝土采用Willam-Warnker五參數(shù)破壞準(zhǔn)則和彈塑性本構(gòu)關(guān)系，通過合理的單元選取、劃分網(wǎng)格和加載方法，較為精確地分析了FRP約束鋼管混凝土柱的極限荷載和受力機(jī)理。通過ANSYS分析得出：(1)FRP約束鋼管混凝土柱在達(dá)到極限荷載時(shí)，核心混凝土被壓碎，鋼管基本已經(jīng)達(dá)到了其

7、屈服強(qiáng)度，部分的纖維達(dá)到了其抗拉強(qiáng)度，此部分的纖維亦被拉斷；(2)從本文荷載--位移曲線中體現(xiàn)了在極限荷載時(shí)，F(xiàn)RP約束鋼管混凝土柱與其相應(yīng)的鋼管混凝土柱相比，其不僅極限承載力得到了提高，而且在達(dá)到極限承載力時(shí)，對應(yīng)的位移也有所增大，充分發(fā)揮了其對核心混凝土的套箍約束作用，提高了構(gòu)件的延性。對于鋼管混凝土柱達(dá)到極限承載力后，其承載力變化不大，仍具有一定的塑性；而對于FRP約束鋼管混凝土柱而言，在其達(dá)到極限承載力之后，承載能力迅速降低，并