【摘 要】
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本文在钢管混凝土、纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)套管混凝土、钢管活性粉末混凝土(钢管RPC)以及碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre Reinforced Polyme
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本文在钢管混凝土、纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)套管混凝土、钢管活性粉末混凝土(钢管RPC)以及碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymer,简称CFRP)约束钢管普通混凝土的基础上提出了一种新型构件—CFRP约束钢管活性粉末混凝土(CFRP-钢管RPC)柱,即以超高强度的RPC为核芯,外部CFRP为钢管和核芯RPC提供约束的复合构件。采用CFRP外部缠绕钢管RPC柱体形成CFRP-钢管RPC复合构件,其融合了RPC、钢管和CFRP三者的优异性能,充分发挥了RPC高强度、高韧性以及高延性的优点,一定程度上解决了钢管混凝土在承载力高要求的条件下所暴露出的截面尺寸过大、钢材耗量过大、易腐蚀问题。同时,钢管的非弹性外屈曲、在后弹性阶段会出现应力、强度和延性的退化等问题也得到了一定程度上的改善。本文通过对CFRP-钢管RPC轴压短柱进行试验探索和理论分析,探讨CFRP-钢管RPC轴压短柱的基本力学行为,掌握CFRP-钢管RPC轴压短柱的基本设计方法,为这一新型构件的工程应用提供参考依据。本文进行了以下研究工作:(1)完成了12个CFRP-钢管RPC短柱和12个钢管RPC短柱、6个CFRP约束RPC短柱的轴心受压对比试验,研究了钢管壁厚、CFRP、RPC强度对试验结果的影响。研究结果表明,CFRP-钢管RPC试件表现为剪切型破坏和墩粗破坏,相对于无CFRP约束的钢管RPC试件其钢管局部变形程度较大,承受荷载的历程略长。CFRP约束作用对钢管壁厚为0mm、4mm的试件的承载力提高程度较为明显;对于CFRP-RPC试件,核芯RPC强度相对较高时,RPC的脆性性质明显,CFRP的约束作用表现的不够明显;核芯RPC的强度增大至119.8MPa时,CFRP-钢管RPC短柱的承载力才能得到有效地提升;随着钢管壁厚的增大,试件的极限承载力具有较大幅度的提升。(2)基于实测的CFRP-钢管RPC短柱的典型荷载-位移曲线,根据曲线特点将CFRP-钢管RPC轴向压缩载荷-变形曲线的一般形式分为四个阶段:线弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段以及平台阶段。分析了CFRP-钢管普通或高强混凝土极限承载力的现有计算公式,采用极限平衡的方法,考虑CFRP和钢管对核芯RPC的双重约束,以影响系数IF来反映套箍指标?_s和?_f对核芯RPC的提高程度及对轴压短柱极限承载力的影响,并提出了CFRP-钢管RPC轴压短柱的极限承载力拟合公式3.17,其计算结果与试验结果吻合度较高。(3)依据前人提出的约束混凝土的面向分析模型,通过分析CFRP和钢管双重约束下核芯混凝土的应力-应变特性建立了不同混凝土强度、不同围压下混凝土的轴向应力-应变模型、横向-轴向应变模型以及约束材料(钢管和CFRP)的应力-应变模型。采用增量迭代法对CFRP和钢管双重约束下核芯RPC的应力-应变模型进行了计算,分析迭代得到的应力-应变曲线,在CFRP-钢管RPC短柱的线弹性阶段,计算得到的曲线与试验所得曲线吻合良好。当试件进入弹塑性阶段,计算得到的应力-应变曲线与试验所得应力-应变曲线出现一定的偏差。(4)采用有限元分析软件ABAQUS对CFRP-钢管RPC轴压短柱进行了仿真分析,通过对短柱模型组成部分CFRP、钢管、核芯RPC以及端板的分析,选取并设置合适的参数。针对各部分的单元选取以及网格划分进行了介绍。为模型设置组成部分钢管、核芯RPC以及CFRP的本构模型,通过ABAQUS输出模型的应力云图和等效塑性应变云图,可以看出CFRP-钢管RPC轴压短柱模型模拟加载至破坏后,组成部分钢管达到了其屈服强度,短柱中部的变形大于两端变形,试件呈现墩粗状态。
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