内置FRP约束UHPC芯柱的方钢管混凝土柱抗震性能研究

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内置FRP约束UHPC芯柱的方钢管混凝土柱(Steel-Concrete-FRP-UHPC,简称SCF-UHPC Column)是将超高性能混凝土(Ultra-High-Performance-Concrete,简称UHPC)浇筑在FRP管中形成FRP约束UHPC芯柱,并将其同心放置在外方钢管中,并在方钢管和FRP管的间隙中浇筑普通混凝土形成。该组合柱中夹层混凝土受到方钢管的约束和UHPC受到方钢管和FRP管的双重约束,一定程度上提高了夹层混凝土和UHPC的抗压强度。同时由于FRP约束UHPC芯柱的存在能有效改善方钢管对混凝土的不均匀约束效应。从而该组合柱的耗能能力、承载能力和延性性能等都得到了一定的提升。本文对SCF-UHPC组合柱进行了抗震性能试验研究、数值模拟研究以及压弯承载力计算,具体工作及成果如下:(1)首先对6个SCF-UHPC组合柱进行了抗震性能试验研究,确定了FRP管厚度、方钢管厚度、FRP约束UHPC芯柱直径、轴压比等因素对组合柱的抗震性能影响。根据试验结果确定了该组合柱的破坏模式、荷载-位移滞回曲线以及荷载-位移骨架曲线。从变形能力、刚度退化、承载能力、耗能能力等方面对SCF-UHPC组合柱的抗震性能进行分析。结果表明:SCF-UHPC组合柱具有良好的耗能能力、承载能力,位移延性,同时刚度退化较为平缓,适合用于在抗震设防地区的钢管混凝土结构中。(2)通过有限元软件ABAQUS对SCF-UHPC组合柱进行非线性有限元分析。将有限元模拟结果分析得到的破坏模式、荷载-位移滞回曲线、荷载-位移骨架曲线与试验结果进行对比,结果表明两者吻合较好。因此说明该有限元模型在材料本构、单元类型的选取和边界条件、相互作用的设定等方面的合理性。(3)采用叠加法对SCF-UHPC组合柱的压弯承载力进行推导并绘制该组合柱的M-N曲线,理论计算结果与试验结果吻合较好。因此证明了该压弯承载力计算方法适用于SCF-UHPC组合柱的压弯承载力计算。SCF-UHPC组合柱在轴向荷载和水平往复荷载的作用下在柱脚塑性铰区域发生破坏,基于Priestley和Park提出的等效塑性铰理论,计算在压弯状态下SCF-UHPC组合柱的等效塑性铰长度。
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