GFRP复合螺旋箍筋增强ECC-HCFST组合柱轴心受压力学性能研究

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钢管高强混凝土叠合柱是由钢管混凝土柱发展而来,它是在普通钢筋混凝土柱中间配置钢管高强混凝土柱所形成的组合构件。由于钢管高强混凝土柱的存在,钢管高强混凝土叠合柱的承载能力以及抗震性能得到了有效的提高和改善,在高层建筑、大跨度桥梁、高耸结构中具有广阔的应用前景。然而,钢管高强混凝土叠合柱外层钢筋混凝土受压延性远小于内部钢管高强混凝土,协同变形能力较差,内部钢管高强混凝土的峰值荷载滞后于外层钢筋混凝土,组合效应较低。钢箍筋位于钢筋笼的最外侧位置,使用纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymers,FRP)箍筋可以解决钢箍筋锈蚀问题,然而FRP方形箍筋的横向约束作用相对较弱。本文提出了一种玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer,GFRP)复合螺旋箍筋增强超高延性纤维增强水泥复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)-钢管高强混凝土(High-Strength Concrete-Filled Steel Tube,HCFST)组合柱(简称GFRP复合螺旋箍筋增强ECC-HCFST组合柱)。ECC是一种具有优异压缩延性、拉伸应变硬化和多缝开裂特性的纤维增强水泥基复合材料,ECC替代混凝土能够有效提高组合效应以及避免因混凝土抗拉强度低和脆性引起的开裂和耐久性问题。GFRP复合螺旋箍筋可以对核心区提供复合约束作用,提高组合柱力学性能,又可以解决钢箍筋因为锈蚀造成后期无法提供有效侧向约束的问题。本文主要的研究工作如下:(1)对GFRP复合螺旋箍筋增强ECC-HCFST组合柱进行了轴心受压试验,研究了不同变量对组合柱轴压性能的影响。在轴向荷载作用下钢管高强混凝土叠合柱外层混凝土大面积剥离,而使用ECC替代外层混凝土,组合柱表现出优异的整体性。使用同等强度ECC替代外层混凝土,组合柱承载力提高了 14.2%,表明ECC与内部HCFST具有更好的组合效果,从强度系数对比中也得到了相同的结论。此外,组合柱的延性和耗能系数也随之提高,ECC-HCFST组合柱表现出很好的延性。相比于单层箍筋形式,GFRP复合螺旋箍筋有效提高了组合柱延性和耗能以及限制了组合柱横向变形。(2)为了深入研究GFRP复合螺旋箍筋复合约束性能,基于约束分区的概念提出了 GFRP复合螺旋箍筋复合约束模型并开展了 GFRP复合螺旋箍筋复合约束性能有限元研究。研究表明,GFRP复合螺旋箍筋相比单层箍筋具有更高的有效侧向约束应力,约束效果更好。通过GFRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱轴压承载力计算值与试验值对比,验证了 GFRP螺旋箍筋复合约束模型的有效性。通过有限元模拟完成了 GFRP复合螺旋箍筋约束机理分析和参数分析。(3)现行规范的承载力计算方法低估了 GFRP复合螺旋箍筋约束ECC-HCFST组合柱轴压承载力。基于GFRP复合螺旋箍筋复合约束模型和钢管混凝土统一理论,提出了 GFRP复合螺旋箍筋增强ECC-HCFST组合柱轴压承载力计算方法。对比发现承载力计算值和试验值吻合较好,验证了组合柱轴压承载力计算方法的准确性。通过参数分析研究了试验中未研究和研究不充分的参数对组合柱轴压承载力的影响。
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