CFRP管约束混凝土柱轴压力学性能研究

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CFRP(碳纤维增强复合塑料)管约束混凝土柱是一种新型组合结构构件,由于CFRP材料良好的抗拉性能以及耐腐蚀性,在近海及盐碱地区均有很好的应用前景,预制管又可作为模板使用从而提高施工效率,因此将CFRP的抗拉性能与混凝土的抗压性能有效结合起来,可以在受到轴向荷载时,使内部核心混凝土处于三向受力状态,从而大幅度提高其承载及变形能力。因此,本文通过试验研究、理论分析以及有限元模拟分析相结合的方法,对CFRP管约束混凝土柱这一新型组合结构构件的轴压力学性能展开了研究。以长细比、约束效应系数和配箍率为参数设计了6个CFRP管约束混凝土柱试件,并对其进行单调加载静力试验,从而系统分析研究这三个参数对CFRP管约束混凝土轴压力学性能的影响。试验结果表明,三种因素对构件承载力、延性等性质都有一定的影响。即随着约束效应系数的增大、长细比的降低以及配箍率的增加,构件的承载力均会增加。在本文试验的参数范围内,约束效应系数是最主要的影响因素,配箍率次之,最小的是长细比。破坏模式为短柱试件CFRP管被撕裂、内部混凝土为整体剪切破坏;中长柱试件CFRP管被撕裂并在中部折断、试件整体发生屈曲破坏。CFRP管的约束作用可以避免混凝土的突然压溃,有效提高构件的变形能力,从而使试件表现出良好的强度和延性性能。根据实验结果和分析结果,将CFRP管约束混凝土构件与相同参数的钢管约束混凝土构件的受力性能进行对比分析,研究了两种组合构件的受力性能的差异。分析结果表明,同样条件下CFRP管构件刚度小于钢管构件,变形能力大于钢管构件。但当约束效应系数为4.86时,由于其侧向约束力要远高于钢管构件,其承载力能力也远大于钢管。证明了CFRP管约束混凝土柱在实际建造中的可行性,在近海及盐碱地区的桥梁墩柱、桩基础部分等恶劣环境、重载的工程均具有很好的适用性。在试验研究的基础上,结合试验的材料特性,使用ABAQUS非线性软件对CFRP管约束混凝土柱的轴压性能进行了数值模拟分析。在此基础上,扩大了参数的范围和种类,进行了有限元分析验证。研究结果表明,理论计算值、试验值与数值模拟值三者之间分析结果吻合良好,验证了理论计算模型与有限元模型的可靠性,相关参数对CFRP管约束混凝土柱受力性能的影响规律也与试验分析相吻合。
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