GFRP管—高强混凝土—钢管组合柱轴压力学性能研究

论文摘要

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer,简称FRP）,因其具有高强、耐腐蚀等优点,自问世以来就受到了国内外专家学者的关注,其中FRP缠绕管最具代表性。FRP-混凝土-钢管组合构件是由一个内钢管、一个FRP管（或缠绕FRP布）和两个管之间的混凝土所组成。这种新型组合构件能够有效的抵御恶劣环境对混凝土的侵蚀、提高结构的耐久性,能够有效的约束混凝土,改善混凝土受力性能,从而提高混凝土的承载能力,增强其抗震延性等,能够更好的适应当代工程结构向大跨、高耸、重载方向发展的需要,己成为组合结构的一个研究热点。而目前针对FRP-混凝土-钢管组合柱的研究较少,本文在FRP管混凝土、夹心钢管混凝土构件研究的基础上,通过试验研究、理论分析及数值计算等方法,研究了GFRP管-高强混凝土-钢管组合柱的轴压力学性能,主要研究内容如下：在国内外对FRP约束混凝土圆柱的应力-应变关系的研究成果基础上,通过编制非线性分析程序,与本文试验进行对比,建议了两种适合GFRP管-高强混凝土-钢管组合柱的轴压应力-应变关系计算模型。并且分析了混凝土强度、GFRP管厚度、FRP管的类型等参数对组合柱轴压力学性能的影响。通过GFRP管-高强混凝土-钢管组合短柱的轴心受压试验,研究其工作机理、破坏形态,GFRP管对混凝土的约束效果、延性,并且分析了不同的截面组合形式对组合短柱轴压力学性能的影响。基于统一理论法建立了GFRP管-高强混凝土-钢管组合轴压短柱的承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。进行了GFRP管-混凝土-钢管组合长柱的理论分析,采用俞茂宏双剪统一强度理论给出了组合柱长柱的承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。并且考虑了材料的拉压比、中间主应力、以及长细比对组合长柱的承载力影响；基于有限元软件ABAQUS,对GFRP管-高强混凝土-钢管组合柱轴压构件受力全过程进行模拟计算,并对荷载-变形曲线特征点处截面应力分布、GFRP管与混凝土之间的相互作用等方面进行了分析。同时将有限元分析结果与试验结果进行了比较,结果表明,文中建立的有限元模型对GFRP管-高强混凝土-钢管组合柱的轴压性能分析是可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 FRP材料的特点
• 1.3 FRP在土木工程中的应用
• 1.3.1 FRP在既有土木工程中的应用
• 1.3.2 FRP在新建结构中的应用
• 1.4 FRP-混凝土-钢管组合构件的提出
• 1.5 FRP管混凝土类型
• 1.5.1 FRP约束混凝土实心柱类型
• 1.5.2 FRP约束混凝土空心柱类型
• 1.6 相关体系研究现状
• 1.6.1 中空夹层钢管混凝土的研究现状
• 1.6.2 FRP约束混凝土柱的研究现状
• 1.6.3 FRP-混凝土-钢管组合柱的研究现状
• 1.7 本课题研究内容
• 1.8 小结
• 第2章 FRP约束混凝土圆柱应力-应变分析模型
• 2.1 FRP约束混凝土圆柱应力-应变分析模型
• 2.2 模型验证
• 2.3 非线性全过程分析
• 2.3.1 材料的本构关系模型
• 2.3.2 荷载变形全过程分析
• 2.3.3 计算结果与试验结果对比
• 2.3.4 计算荷载-变形关系曲线
• 2.4 小结
• 第3章 GFRP管-高强混凝土-钢管组合柱轴压试验研究
• 3.1 试验概况
• 3.1.1 试件设计
• 3.1.2 试件制作
• 3.1.3 测量内容与方法
• 3.1.4 加载方案
• 3.1.5 材料性能试验
• 3.2 试验结果分析
• 3.2.1 试件GC1
• 3.2.2 试件GCG2
• 3.2.3 试件GTC3
• 3.2.4 试件GRC4
• 3.2.5 荷载-应变关系曲线对比
• 3.2.6 荷载-变形关系曲线对比
• 3.3 小结
• 第4章 GFRP管-高强混凝土-钢管组合柱轴压性能研究
• 4.1 GFRP管-高强混凝土-钢管组合短柱轴心受压力学性能
• 4.1.1 构件轴心受压力学性能
• 4.1.2 轴心受压组合柱的计算公式
• 4.1.3 FRP管破坏准则
• 4.1.4 组合柱的轴压应力-应变分析模型
• 4.1.5 组合柱的轴压极限承载力简化计算公式
• 4.2 GFRP管-高强混凝土-钢管组合长柱轴心受压力学性能
• 4.2.1 俞茂宏统一强度理论
• 4.2.2 计算基本假定
• 4.2.3 厚壁圆筒的弹塑性极限分析
• 4.2.4 组合柱轴心受压承载力计算
• 4.2.5 理论模型验证
• 4.2.6 参数分析
• 4.3 小结
• 第5章 GFRP管-高强混凝土-钢管组合柱数值计算
• 5.1 材料的本构关系模型
• 5.1.1 核心混凝土的本构关系
• 5.1.2 钢材的本构关系
• 5.1.3 GFRP管的本构关系
• 5.2 有限元模型的建立与求解
• 5.2.1 模型的部件组成
• 5.2.2 单元选取与网格划分
• 5.2.3 材料界面相互作用模型
• 5.2.4 非线性方程组的求解
• 5.3 GFRP管混凝土柱
• 5.3.1 工作机理
• 5.3.2 混凝土截面应力场分析
• 5.4 GFRP管-高强混凝土-钢管组合柱
• 5.4.1 工作机理
• 5.4.2 混凝土截面应力场分析
• 5.4.3 GFRP管与混凝土之间的相互作用
• 5.4.4 空心率对于混凝土性质的影响
• 5.4.5 空心率对承载力的影响
• 5.5 计算结果与试验结果对比
• 5.6 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历