CFRP钢管混凝土柱在轴压和水平荷载下力学性能的研究

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近年来,CFRP钢管混凝土柱因其不仅继承了普通钢管混凝土承载力高,塑性、韧性好的优点外,还具有良好的耐火、耐腐蚀性,优越的抗震性能,且能有效避免厚壁钢管的使用,在国内外逐渐广泛兴起,无论是在桥梁结构中的桥墩,海洋平台的支承还是在高层建筑结构中的大直径柱中,都有所采用,是发展前景较好的一种新型组合结构形式。本文采用统一强度理论,对圆形CFRP钢管混凝土柱进行了研究,考虑了中间主应力对CFRP钢管混凝土轴压柱的影响,并结合塑形全量理论的Hencky应力应变关系确定钢管进入塑性后CFRP钢管混凝土轴压柱的极限承载力,推导出CFRP钢管混凝土轴压柱的极限承载力公式。并以大型通用有限元软件ANSYS为平台,对在单调水平荷载作用下的CFRP钢管混凝土柱进行了弹塑性分析,得到了CFRP钢管混凝土柱的荷载-位移曲线,分析和考虑了轴压比、CFRP的层数、钢管的屈服强度和混凝土强度等因素对荷载-位移曲线的影响规律。所得到的结论如下:1.运用统一强度理论并结合塑性全量理论的Hencky应力应变关系对CFRP钢管混凝土柱的轴心受压力学性能进行了理论分析,得出了其轴压极限承载力公式,将理论计算结果与试验结果相比较,吻合较好。并通过理论分析,得出了长径比、横向变形系数和弯曲增强系数是影响CFRP钢管混凝土柱极限承载力的主要因素。还通过对柱的承载力的提高率进行对比分析,从而得出纵向CFRP纤维材料对于较大长径比柱的极限承载力提高效果比较显著。2.钢管,尤其是CFRP纤维对于CFRP钢管混凝土柱轴压极限承载力的增益作用,主要体现在其对混凝土的套箍作用,并非体现在CFRP纤维自身的强度贡献;CFRP纤维不但提高了CFRP钢管混凝土柱的极限承载力,还可以有效避免使用厚壁钢管而导致的加工制作上的困难。3.CFRP钢管混凝土柱在单调水平荷载作用下的荷载-位移曲线稳定性较好,在加载后期基本保持水平或出现微弱下降,表现出了良好的延性和塑性,表明CFRP钢管混凝土柱具有良好的抗震性能。其应力基本呈反对称分布,且由柱两端向中间逐渐减小。柱的水平承载力到加载后期出现了下降段,主要是由于随着水平位移的增加,混凝土裂缝不断开展,自身弹性模量降低,进而导致柱整体刚度退化引起的。柱的破坏源自于柱底部核心混凝土的压碎和钢管的屈服。4.轴压比、CFRP的层数、钢管的屈服强度和混凝土强度都是影响CFRP钢管混凝土柱极限承载力和延性的因素。改变这些参数,不但会影响荷载-位移曲线的数值,还可能会改变曲线的形状。5.轴压比的增大,有利于CFRP钢管混凝土柱延性的提高,从而能有效的提高CFRP钢管混凝土柱的抗震性能。
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