不锈钢钢管—海砂混凝土—GFRP组合柱轴压力学性能试验研究

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海砂混凝土的推广有利于缓解河砂的资源短缺,但容易引起钢腐蚀问题。本研究利用纤维增强复合材料(Fiber-reinforced polymer/plastic,简称FRP)和不锈钢材的耐腐蚀性能优势及约束混凝土原理,提出了一种新型组合柱:不锈钢管-海砂混凝土-GFRP约束海砂混凝土柱(Stainless steel-sea-sand concrete-GFRP confined sea-sand concrete column,简称SSCFSC柱)。该组合柱由外部不锈钢管,内置GFRP管,两管之间及GFRP管内填充海砂混凝土构成,在推广利用海洋资源的基础上,实现结构构件性能优化。为了研究该新型组合柱的抗压力学性能,本文对8根SSCFSC短柱、2根不锈钢管约束混凝土短柱(Concrete filled steel tubular colunms,简称CFST柱)及12根GFRP约束海砂混凝土柱(FRP confined Sea-Sand Concrete Colunm,简称FSSC柱)进行单调轴压试验,分析组合柱轴向荷载-位移曲线、柱中部不锈钢管荷载-应变、GFRP管的荷载-应变关系,讨论不锈钢管形状、有无内置GFRP管,以及GFRP管的厚度和直径等参数的影响规律。并通过ABAQUS有限元软件对以上试件进行了全过程轴压受力仿真计算,对GFRP管的直径、厚度、不锈钢管厚度、核心混凝土等级和环形混凝土等级等影响参数进行了扩展分析。试验和有限元计算得出如下结论:(1)圆形SSCFSC柱的荷载-位移曲线发展可分为四个阶段:即弹性上升段、弹塑性上升段、下降段和回升发展段。方形SSCFSC柱相比于圆形截面试件,无明显的弹塑性上升段。FSSC柱的荷载-位移曲线表现为典型的两段性:即弹性段和弹塑性段。(2)SSCFSC柱的承载力和变形能力高于传统CFST柱。GFRP含量可以减缓钢的屈曲,增加承载力并限制试件的膨胀变形。在GFRP含量相似的情况下,增加GFRP管的直径能更好的提高SSCFSC柱轴压性能。在内部混凝土截面面积相似的情况下,圆形钢管比方形钢管约束效果更好。(3)ABAQUS有限元计算与试验结果所得的荷载-位移曲线趋势吻合良好,解释了其中曲线下降段受FRP管材破坏影响。参数分析结果表明,增大GFRP管的直径可提高SSCFSC柱的承载力;核心混凝土等级比外环形混凝土等级对试件承载力影响更明显;不锈钢管的厚度对试件的延性影响较大。
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