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冲击荷载下FRP约束方钢管混凝土短柱的动力性能研究

张倚天  
【摘要】:钢管混凝土(CFT或CFST)结构具有强度高、延性好和施工便捷等优点,但是当外荷载超过钢管混凝土构件的承载能力时,钢管可能发生局部屈曲问题而导致承载能力快速下降,填充混凝土也会因为钢管屈曲后无法提供有效约束而导致脆性提高。FRP约束钢管混凝土结构(CCFT或CCFST)通过对CFT进行附加约束,有效防止或者延缓钢管发生局部屈曲,同时核心混凝土受到了更大的约束,受压区的钢管将处于三向受压状态,从而提高钢管混凝土柱的承载力和延性。已有的研究证明了FRP约束钢管混凝土结构在静力荷载下的具有良好的力学性能。在结构实际使用过程中,构件在其使用周期内除了收到正常设计荷载作用外,往往还要承受冲击荷载。目前对CCFT在冲击荷载下动力性能的研究还不充分,而且已有的研究主要集中在圆形截面,对冲击荷载下方形截面的CCFT的动力性能研究还未见报道。然而在实际工程中,方形截面柱由于建筑设计要求而应用的非常普遍,因此深入研究对冲击荷载作用下的FRP约束方钢管混凝土短柱的动力性能非常重要。本文对FRP约束方钢管混凝土短柱的轴向静力和抗冲击性能进行了研究,主要研究工作和取得的成果如下:1.进行了不同FR P材料约束方钢管混凝土短柱的轴压静力试验。试验参数为FRP种类、钢管-FRP粘接与否。通过试验研究了上述参数对FRP约束钢管混凝土短柱的静力轴压性能的影响。分析了此类构件在轴压荷载下的破坏模式、极限承载力、极限应变以及延性性能等。试验结果表明,附加FRP约束可以提高方钢管混凝土柱的承载能力和变形性能。2.进行了不同冲击速度的方钢管混凝土短柱的轴向落锤试验。试验参数为冲击速度。通过试验研究了不同冲击速度对方钢管混凝土短柱的抗冲击性能的影响。分析了此类构件在不同冲击速度下的冲击过程,破坏模式,冲击力时程曲线,位移时程曲线和动力放大系数等动态响应的规律。试验结果表明,钢管混凝土具有良好的抗冲击性能。3.进行了不同FR P材料约束方钢管混凝土短柱的轴向落锤试验。试验参数为FRP种类、钢管-FRP界面粘接性能。通过试验研究了上述参数对冲击荷载下FR P约束钢管混凝土短柱的动力性能的影响。分析了此类构件在冲击荷载下的冲击过程、破坏模式、冲击力时程曲线,位移时程曲线和动力放大系数等动态响应的规律。试验结果表明,相较于钢管混凝土,约束钢管混凝土的冲击力峰值提高了15%、冲击持续时间缩短了24%。附加FRP约束可以提高方钢管混凝土柱的抗冲击性能。4.建立了约束方钢管混凝土短柱在冲击荷载作用下的有限元分析模型。该模型考虑了材料和几何非线性、钢管和混凝土之间的相互作用等因素的影响。通过与构件在冲击荷载下的试验结果的对比分析,表明该模型具有较好的可靠性。采用该模型分析试件在冲击过程中的能量变化,最后进行了相关的参数分析,研究了混凝土强度、钢管屈服强度和FRP层数对方钢管混凝土短柱的轴向抗冲击性能的影响。5.提出了约束方钢管混凝土短柱在轴压静力荷载和冲击荷载作用下的承载力简化计算模型。通过与试验结果的对比分析,表明该计算模型具有较好的可靠性。


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