钢管混凝土因为其优异的力学性能和施工便捷被广泛的应用于建筑、桥梁、大跨及高耸结构中。然而研究表明,钢管混凝土柱端在地震力作用下易发生塑性压曲(即所谓“象腿”),且由于内部混凝土的破坏降低高度,从而加剧非结构构件的损坏,导致结构的滞回承载力不稳定。而约束钢管混凝土正是基于钢管混凝土的这一破坏特点,考虑在构件的危险区域施加有效约束,限制钢管变形进而改善钢管的力学性能。研究表明,采用纤维增强复合材料尤其是碳纤维材料(CFRP)不仅可以延缓或限制钢管的局部屈曲,还能够与钢管一同增强对核心混凝土的约束能力,改善构件的受力性能。目前对CFRP约束钢管混凝土的研究主要侧重于轴压与受弯性能,而忽视了地震荷载作用下的压弯组合性能。2012年,CFRP约束钢管混凝土已被成功的应用于高速公路桥梁的墩柱设计,随着这一新型结构的应用与推广,加快对其工作机理的深入研究及设计方法的确定非常必要。本文在已有的研究基础上,通过试验研究,有限元计算模拟,与理论分析对CFRP约束钢管混凝土柱在低周反复荷载作用下的抗震性能及计算方法进行了较为系统的研究,完成了以下主要研究内容:(1)完成了9根大比例圆钢管混凝土柱的低周反复荷载试验,通过研究轴压比、径厚比及加载制度等参数对试验结果的影响,总结了影响钢管混凝土柱破坏形态、退化性能及约束效应的重要指标。研究表明,地震荷载作用下钢管混凝土柱通常出现钢管的局部屈曲破坏,即“象腿”破坏;而采用不同的地震序列加载程序会导致柱脚钢管的断裂破坏。钢管破坏形态的区别,影响了对核心混凝土的约束能力,导致核心混凝土的破坏形态存在一定程度的差异。(2)在钢管混凝土柱的试验研究基础上,进行了7根CFRP约束圆钢管混凝土柱的抗震试验。通过对试件破坏形态、滞回性能、骨架曲线、退化性能、耗能能力等性能指标的对比,分析了不同的约束方法对改善钢管混凝土受力机理及抗震性能的差异。研究结果表明本文介绍的带缓冲垫层的双向约束方法能够提高碳纤维的整体约束效果,增大塑性铰区的工作范围,提高构件的变形性能。(3)采用ABAQUS有限元软件建立了CFRP约束钢管混凝土柱的精细化有限元模型,考虑了不同材料(钢管,核心混凝土和CFRP)在往复荷载作用下的本构关系模型,材料与几何非线性,以及不同材料之间的接触关系。通过与已有试验的对比,验证了模型在模拟CFRP约束钢管混凝土柱抗震性能方面的适用性,能够应用于后续的力学性能分析。(4)结合本文试件和工程实际尺寸,建立了典型往复荷载作用下的CFRP约束钢管混凝土柱的精细化有限元模型。对其破坏形态、受力全过程曲线、材料应力分布(钢材、混凝土和CFRP)以及不同材料的接触关系进行了分析。分析结果表明,相比于传统的钢管混凝土柱,碳纤维对钢管的附加约束在峰值点后效果明显,限制了钢管的局部屈曲,增大了对核心混凝土的约束作用。通过对约束区高度、缓冲垫层厚度等影响参数的讨论与分析,确定了缓冲垫层的加入能够改变钢管和核心混凝土的应力分布状态,使其具有较好的延性和耗能能力。同时为保证最佳的约束效果,建议约束区高度取为一倍钢管直径。选取了关键参数(包括轴压比、钢管径厚比、钢管与核心混凝土强度以及CFRP层数),进行了系统的参数分析,为后续的设计方法研究提供了理论依据(5)提出了不同轴压比作用下CFRP约束对钢管混凝土柱承载力和延性的提高系数,并建议了其荷载—位移骨架曲线模型。以CFRP约束效应系数和轴压比为参数,建议了CFRP约束钢管混凝土柱的荷载—位移滞回曲线模型。以承载能力和延性为设计目标,给出了CFRP约束钢管混凝土柱的构造建议。