FRP約束鋼管混凝土柱承載力研究.pdf

1、纖維增強復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer，簡寫為FRP)以其特有的輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、耐疲勞和易加工等優(yōu)點，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算公式，分析了影響承載力的各種因素，將計算結(jié)果與文獻試驗結(jié)果對比吻合較好，從而驗證了理論公式的正確性和可行性。(1)通過本文的計算結(jié)果可以看出采用第四強度理和三向應(yīng)力狀態(tài)下混凝土的破壞準(zhǔn)則計算的理論結(jié)果與文獻資料結(jié)果誤差較小，說明第四強度理論和三向應(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度、鋼材強度以及纖維層數(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，核心混凝土的強度等級越高，其軸心受壓時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，鋼材的強度越高，其軸心受壓時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，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實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的強大分析功能，對FRP約束鋼管混凝土柱進行了三維模擬，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理。通過ANSYS分析得出：(1)FRP約束鋼管混凝土柱在達到極限荷載時，核心混凝土被壓碎，鋼管基本已經(jīng)達到了其

7、屈服強度，部分的纖維達到了其抗拉強度，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，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，而且在達到極限承載力時，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，在其達到極限承載力之后，承載能力迅速降低，并