内置GFRP布约束UHPC柱的钢管混凝土组合柱轴心受压性能研究

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内置GFRP布约束UHPC柱的钢管混凝土(Steel-Concrete-Glass fibre reinforced polymer-Ultra-high performance concrete,简称SCGU)组合柱是采用玻璃纤维布对超高性能混凝土圆柱进行包裹,之后将其作为芯置于圆形钢管中心,再填入普通混凝土。采用这种组合形式目的在于将钢管、混凝土、GFRP和超高性能混凝土的优点进行优化组合,以达到更好的承载能力和延性,并保证在组合柱破坏后依旧有较高的承载能力。本文先对纤维增强复合材料(FRP)约束超高性能混凝土(UHPC)圆柱进行了轴心抗压试验研究,然后对SCGU组合柱进行轴心抗压试验研究。主要工作和结论包括:(1)对21根FRP约束UHPC圆柱进行轴压试验,测试了荷载-应变曲线并分析了FRP布层数、种类和钢纤维掺量对UHPC轴压性能的影响。研究结果表明:UHPC圆柱的抗压强度和极限应变随着FRP布层数的增加而得到增加;CFRP布对UHPC圆柱承载力和极限应变的改善程度要明显好过GFRP布;随着钢纤维掺量的增加,UHPC自身产生的阻止其横向膨胀的纤维约束力增大,钢纤维体积掺量是影响约束试件轴心抗压强度与峰值应变的一个因素。(2)对24根SCGU组合柱进行了轴心抗压试验,测试了荷载-位移曲线并分析了钢管厚度、核心UHPC柱直径和GFRP布层数对组合柱轴压性能的影响规律。研究结果表明:试件破坏形态表现为钢管出现多处屈曲,内部普通混凝土被压碎,FRP布断裂,UHPC核心柱产生的轴向裂缝;组合柱的荷载-位移曲线可简化为弹性、弹塑性、塑流阶段;组合柱表现出较高的承载力、残余承载力和较好的延性;GFRP布层数增加对其承载力、延性的改善程度较小;UHPC直径的增加明显提升了其承载力、延性;钢管厚度的增加对其承载力、延性的改善最为明显。(3)通过对试验结果和已有研究成果的分析,找出影响FRP约束UHPC圆柱抗压强度与峰值应变的关键因素,然后考虑纤维约束力的影响,对试验数据回归得出抗压强度与峰值应变的预测公式,再用于对已有试件进行计算,计算值与试验值吻合较好;对已有相关本构模型进行分析,提出适合的模型并对其进行修正,修正后的模型与试验曲线吻合较好。(4)基于统一强度理论对SCGU组合柱的外层钢管和夹层混凝土轴压承载力进行理论推导,将钢管的约束作用加入GFRP约束UHPC圆柱中得出芯柱承载力,叠加三部分承载力得出SCGU组合柱的承载力,然后通过提出公式计算,并于试验结果对比。结果表明,SCGU组合柱承载力的理论计算结果与试验结果吻合良好。(5)采用ABAQUS有限元软件建立SCGU组合柱的数值模型,并按位移控制方式进行加载,将组合柱的模拟、试验结果进行对比分析,结果表明,模拟所得荷载-位移曲线与试验曲线吻合良好,应力云图能够较好展示组合柱的破坏形态。
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