BFRP约束圆中空夹层钢管混凝土柱力学性能研究

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钢管混凝土结构具有优异的力学性能及施工便捷性,其中圆中空夹层钢管混凝土柱以其独特的力学性能和截面形式受到广泛关注并被大量使用。在轴压作用及地震作用下,圆中空夹层钢管混凝土柱常出现因外钢管局部屈曲导致结构整体破坏的现象。相关研究表明,纤维增强复合材料可以对组合柱起到约束作用并限制外钢管的局部屈曲,从而提高构件的受力性能。玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)性能优异,具有广泛的应用前景,目前对BFRP约束圆中空夹层钢管混凝土柱这一新型的组合结构,相关试验及数值模拟成果鲜见。本文采用数值模拟的方法研究了BFRP约束圆中空夹层钢管混凝土柱的力学性能,主要工作及结论如下:(1)总结国内外相关研究成果,使用ABAQUS有限元软件进行建模分析,并与现有相关研究的试验数据进行对比,结果吻合较好,验证了本文建模方法的合理性。(2)建立了BFRP约束圆中空夹层钢管混凝土柱分别处于轴向荷载以及水平往复荷载作用时的精细化有限元模型,并对破坏过程及工作机理做了详细阐述。可知,当处于轴向荷载作用时,使用BFRP进行约束后能够有效提高组合柱的承载能力及刚度,并限制外钢管上下两端的局部鼓曲;当处于水平往复荷载作用时,使用BFRP进行约束后能限制柱底部位置的局部鼓曲,提高柱的抗震性能。(3)研究了不同影响参数下,BFRP约束圆中空夹层钢管混凝土柱的轴压性能,保持其他条件一致时,混凝土强度增大能够提高柱的屈服荷载,使用BFRP约束后能提高柱延性但随着约束层数增加提升效果降低;内钢管强度增大能提高柱承载力,承载力随着BFRP约束层数增加提升效果不明,但BFRP约束层数增加能显著提高柱剩余承载力。(4)研究了不同影响参数下,BFRP约束前后圆中空夹层钢管混凝土柱的抗震性能。在柱顶水平低周往复荷载作用下,当保持其他条件一致,未使用BFRP进行约束时,增大轴压比能提高构件承载力和刚度;增大内钢管径厚比能提高构件极限承载力;空心率的增加能显著提高构件极限承载力;混凝土强度的增加对柱抗震性能的影响较小。当保持其他条件一致,使用BFRP进行约束时,BFRP约束层数的增加能够提高构件极限承载力,但随着约束层数的增加,承载力提升效果会逐渐减缓;轴压比增大时,构件极限承载力有所下降;空心率的增大能提高构件极限承载力。对BFRP约束圆中空夹层钢管混凝土柱的荷载-位移骨架曲线模型进行研究并提出“三折线”模型。
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