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随着社会经济及工程技术的进步,建筑结构不断朝着更高、更大的方向发展,而对于体育馆、飞机场等大跨度空间结构,自重的影响较为显著,因而需要针对轻质高强的结构构件展开研究;同时随着世界各国对于建筑结构安全性的要求不断提高,针对结构构件的研究已不能仅仅局限于静力阶段,特别在9.11事件发生后,冲击、爆炸等偶然荷载对建筑结构的影响引起了广泛重视,加之近年来飞行器、汽车等撞击建筑物的意外事故频发,使得土木工程领域的研究人员认识到低速冲击是建筑物施工及服役期间可能出现的作用形式,且一旦出现会引发严重的后果,应当引起足够重视。采用纤维增强树脂复合材料(FRP)与建筑圆钢管进行复合可以结合各组成部分的优点,使得复合构件与传统钢构件相比具有轻质高强的特性及更好的耗能能力,有助于工程结构的轻量化并提高其抵御低速冲击荷载的能力;此外FRP能够对内部建筑圆钢管形成保护作用,使得复合构件具备较好的防腐能力,在腐蚀环境下有良好的应用前景。基于上述背景,本文采用试验、仿真及理论预测的方式,针对玻璃纤维增强环氧树脂复合材料(GFRP)缠绕建筑圆钢管复合构件开展了静力轴压性能、轴向及侧向低速冲击性能的研究,主要研究内容及成果如下:(1)研究了GFRP的本构模型与有限元应用方法开展了建筑圆钢管和GFRP的材性试验及脱粘试验,获得了钢材和GFRP的材料特性及界面性能参数,进而基于复合材料力学及断裂力学对现有FRP失效准则进行改进,开发了能够考虑纤维拉伸/压缩失效、树脂拉伸/压缩失效、层内拉伸/压缩分层失效及相应损伤演化的显式及隐式材料子程序,并通过与Hashin失效准则、Puck失效准则及Chang-Chang失效准则的对比证明本文开发的材料子程序在分析冲击等动态问题时具有较好的效果。(2)研究了复合构件在轴压下的响应规律及失效机理针对27根GFRP缠绕建筑圆钢管试件、9根建筑圆钢管试件及2根GFRP圆管试件开展了静力轴压试验,并基于ABAQUS及自主编写的材料子程序进行了试件轴压过程仿真分析,重点考察了纤维缠绕角度(圆管试件环向到纤维纵向的角度)、径厚比、长细比及GFRP体积比等因素的影响,得到了GFRP缠绕建筑圆钢管在轴压荷载下的失效机理及破坏规律;提出了发生强度破坏和整体失稳两种情况的FRP材料参与系数,进而分别基于强度理论及Perry-Robertson公式,建立了发生强度破坏时极限承载力和发生整体失稳时稳定承载力的预测公式。(3)研究了复合构件在轴向低速冲击下的响应规律及失效机理针对18根GFRP缠绕建筑圆钢管试件及3根建筑圆钢管试件开展了13种工况的轴向低速冲击试验,并基于ABAQUS及自主编写的材料子程序进行了试件轴向冲击过程仿真分析,重点考察了试件截面几何尺寸、GFRP铺设形式、冲击能量、长细比等参数的影响,得到了GFRP缠绕建筑圆钢管在轴向低速冲击荷载下的失效机理及破坏规律;在静力预测公式的基础上引入应变率效应,建立了轴向低速冲击荷载下发生渐进叠缩破坏构件的最大冲击荷载预测公式,并基于塑性理论及能量理论建立了轴向低速冲击荷载下发生渐进叠缩破坏构件的平均冲击荷载预测公式。(4)研究了复合构件在侧向低速冲击下的响应规律及失效机理针对37根GFRP缠绕建筑圆钢管试件及14根建筑圆钢管试件开展了三个批次共计45种工况的侧向低速冲击试验,并基于ABAQUS及自主编写的材料子程序进行了试件侧向冲击过程仿真分析,重点考察了冲击物形状、试件截面几何尺寸、GFRP铺设形式、冲击能量等参数的影响,得到了GFRP缠绕建筑圆钢管在侧向低速冲击荷载下的失效机理及破坏规律;通过研究发现,GFRP能够显著改善建筑圆钢管在侧向低速冲击荷载下的承载能力及耗能能力,且增强效果主要取决于GFRP的等效轴向增强作用;综合考虑承载能力及耗能能力,复合构件在侧向冲击下较好的GFRP铺设形式为[0/0/θ/-θ]_n。