FRP-混凝土-鋼管組合方柱受壓性能及承載力計(jì)算方法.pdf

1、長(zhǎng)期處于水位變化區(qū)的墩柱等工程結(jié)構(gòu)，其混凝土易于剝蝕、鋼筋經(jīng)常銹蝕，是影響建筑物安全和耐久的病險(xiǎn)隱患。由于纖維增強(qiáng)聚合物(Fiber ReinforcedPolymer，簡(jiǎn)稱(chēng)FRP)具有較高的比強(qiáng)度和耐腐蝕性等，正日益廣泛地用于既有結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)和新建結(jié)構(gòu)中。FRP-混凝土-鋼管組合柱由內(nèi)層鋼管、外層FRP管和二者之間填充的混凝土三部分組成，這種新型組合柱能充分發(fā)揮FRP、混凝土和鋼管三種材料各自的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的受力和耐久性能，可用于

2、水利、橋梁、工業(yè)與民用建筑等工程領(lǐng)域。為了給FRP-混凝土-鋼管組合方柱的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)和參考，促進(jìn)其在易腐蝕環(huán)境等惡劣條件下的工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，本文進(jìn)行了FRP-混凝土-鋼管組合方柱受壓性能的試驗(yàn)研究和理論分析。主要內(nèi)容如下:
　　(1)通過(guò)25根方柱和6根圓柱的軸心受壓試驗(yàn)，重點(diǎn)研究空心率、鋼管徑厚比和FRP約束特征值等對(duì)FRP-混凝土-鋼管組合方柱軸壓性能的影響。結(jié)果表明，外層FRP管和內(nèi)層鋼管對(duì)FRP-混凝土-鋼管組合

3、方柱中的混凝土具有較大約束，混凝土的強(qiáng)度和延性均得到顯著提高;FRP-混凝土-鋼管組合方柱極限承載力較鋼管與混凝土承載力的疊加值提高9％～41％。外層FRP約束特征值對(duì)FRP-混凝土-鋼管組合方柱和組合實(shí)心方柱軸壓性能均有顯著影響，F(xiàn)RP-混凝土-鋼管組合方柱軸壓承載力隨FRP約束特征值的增大而提高;當(dāng)鋼管徑厚比小于20時(shí)，組合方柱內(nèi)混凝土軸向應(yīng)力和延性比FRP約束混凝土實(shí)心方柱有較大提高，其中承載力提高7％～26.5％。將方柱等效為圓

4、柱，并分別考慮FRP-混凝土-鋼管組合方柱外層FRP管、內(nèi)層鋼管和夾層混凝土的極限狀態(tài)，建立了FRP-混凝土-鋼管組合方柱軸壓承載力的理論計(jì)算模型。
　　(2)基于本文和相關(guān)文獻(xiàn)組合方柱的軸壓試驗(yàn)結(jié)果，分析了空心率、鋼管徑厚比和FRP布層數(shù)等對(duì)FRP-混凝土-鋼管組合方柱軸壓承載力的影響。結(jié)果表明，當(dāng)空心率相同時(shí)，F(xiàn)RP-混凝土-鋼管組合方柱軸壓承載力隨徑厚比的增大而顯著減小，隨FRP布層數(shù)的增多顯著提高;當(dāng)鋼管徑厚比接近時(shí)，組合

5、方柱軸壓承載力隨著鋼管空心率的增大而增大。將FRP-混凝土-鋼管組合方柱夾層混凝土分為強(qiáng)約束區(qū)和弱約束區(qū)，結(jié)合對(duì)本文和相關(guān)文獻(xiàn)FRP-混凝土-鋼管組合圓柱試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，提出了FRP-混凝土-鋼管組合方柱軸壓承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算模型;基于對(duì)本文和國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)FRP布約束混凝土實(shí)心方柱、空心方柱以及FRP-混凝土-鋼管組合方柱試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析，提出了考慮FRP層數(shù)、空心率及鋼管徑厚比影響的FRP-混凝土-鋼管組合方柱軸壓承載力計(jì)算公式

6、。
　　(3)對(duì)比分析了FRP-混凝土-鋼管組合方柱、FRP約束混凝土實(shí)心方柱及FRP約束混凝土空心方柱的軸壓性能。結(jié)果表明，F(xiàn)RP約束特征值對(duì)FRP約束混凝土空心方柱的影響有所降低。當(dāng)空心率為0.72時(shí)，4層FRP布約束混凝土空心方柱的承載力與2層FRP布約束混凝土空心方柱的承載力基本相同，最大增長(zhǎng)幅度僅為9.4％，內(nèi)部空心明顯降低了外部FRP布的約束效果及柱的整體性能。
　　(4)循環(huán)軸壓荷載對(duì)FRP-混凝土-鋼管組合方

7、柱極限承載力的影響不明顯，且組合方柱在循環(huán)荷載下仍然具有良好的延性。隨著卸載/再加載循環(huán)次數(shù)的增多，F(xiàn)RP-混凝土-鋼管組合方柱的塑性變形增大。循環(huán)荷載作用下，F(xiàn)RP-混凝土-鋼管組合方柱承載力隨徑厚比減小逐漸增大，當(dāng)徑厚比由25.1減小至16.1，極限承載力增大約9.7％。
　　(5)通過(guò)19根FRP-混凝土-鋼管組合方柱的偏心受壓試驗(yàn)，重點(diǎn)研究偏心距和軸向FRP布層數(shù)對(duì)其偏壓性能的影響。結(jié)果表明，偏心荷載作用下，組合方柱試件承

8、載力隨偏心距的增大而顯著降低。隨著受拉側(cè)軸向FRP布由1層增為2層，軸向荷載-側(cè)向撓度曲線(xiàn)呈現(xiàn)更加剛性化的特征，極限承載力提高3.6％～13％。偏心距為15mm、30mm、45mm的FRP-混凝土-鋼管組合方柱的軸向荷載-側(cè)向撓度曲線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)相似，僅下包面積隨偏心距的增大而逐漸減小。基于截面分析和條帶劃分方法，提出了適用于FRP-混凝土-鋼管組合方柱偏壓承載力計(jì)算的理論模型;將FRP-混凝土-鋼管組合方柱的混凝土和鋼管不規(guī)則應(yīng)力圖等效