FRP约束钢管混凝土柱轴力-弯矩相关关系研究

为了建立FRP(Fiber Reinforced Polymer)约束钢管混凝土压弯构件轴力-弯矩相关关系曲线,分析组合结构中各组份对柱体压弯性能的影响,建立了FRP约束钢管混凝土截面分析计算模型,考虑不同FPR-钢复合约束程度和荷载偏心率对混凝土本构的影响。与现有CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)-钢管混凝土压弯试验结果对比,验证了模型的合理性。对模型开展参数分析,结果表明,FRP约束混凝土压弯性能主要受环向FRP影响,环向FRP层数的增加在提高柱体轴压承载力的同时可有效降低其界限偏心率,提高大偏心状态下柱体的轴压比;纵向FRP层数仅会影响柱体承载力,对其界限偏心率及大偏心受压状态下的轴压比影响不显著;随着环向FRP约束程度的提高,柱体对P-Δ效应的敏感性增强。

FRP约束钢管混凝土柱轴心受压极限承载力

应用第四强度理论和三向应力状态下的混凝土破坏准则推导出了约束钢管混凝土柱轴心受压的极限承载力计算公式,并分析了工作机理。算例表明,在钢管混凝土柱的外围设置横向约束件可以提高钢管混凝土柱的承载力。推导出的计算公式为约束钢管混凝土柱的设计提供了理论依据。

FRP约束钢管混凝土轴压构件力学性能研究

进行了9个钢管混凝土轴心受压构件的试验研究,对其中的6个构件包裹了纤维增强复合材料(FRP)。试验参数为钢管截面形状、截面尺寸和包裹FRP的层数。试验结果表明,FRP约束圆钢管混凝土可以较好地发挥FRP约束混凝土和钢管混凝土的双重优点,构件在具有较高承载力的同时还具有较好的延性。最后,提供了FRP约束圆钢管混凝土轴压构件承载力的简化计算公式。

FRP约束钢管混凝土长柱承载力研究

已有研究表明,钢管混凝土柱和FRP约束混凝土柱承载力的计算方法不适用于FRP约束钢管混凝土柱承载力的计算。为研究FRP约束钢管混凝土长柱的承载力,本文以钢管约束效应系数ξs和FRP约束效应系数ξf为主要参数,考虑混凝土强度等级对FRP约束钢管混凝土柱承载力提高效果的调整系数,建立了FRP约束钢管混凝土短柱承载力的计算模型。在此基础上,分别引入钢管混凝土稳定系数φs和FRP约束混凝土柱稳定系数φf,建立FRP约束钢管混凝土长柱的承载力计算模型。并将模型的计算结果与试验数据进行比较。

CFRP约束钢管混凝土柱偏压力学性能研究

本文阐述了近期对CFRP约束圆形钢管混凝土柱的偏压性能的试验研究成果。总共制作了6个试件,研究参数为偏心距,试件长径比均为5,钢管径厚比为100,每个参数制作2个相同试件。通过偏心加载试验获得试件荷载-变形曲线、荷载-挠度曲线等,并基于试验结果分析了CFRP约束钢管混凝土柱的偏心受压工作机理。最后,对Jiang和Teng提出的CFRP约束钢筋混凝土柱偏压柱子分析模型进行修改,利用数值模型计算出试件的荷载-挠度曲线,并将其与试验测得的数据进行对比,验证了该模型的合理性。

FRP约束钢管混凝土柱的研究现状综述

基于将FRP应用于钢管混凝土柱以改善其力学性能问题和加固需求,对国内外FRP约束钢管混凝土柱的研究现状进行了综述。

铅黏弹性阻尼器增强钢管约束钢筋混凝土柱节点抗震性能研究

针对钢管约束钢筋混凝土(steel tubed reinforced concrete,STRC)柱节点抗震性能薄弱的现状,提出采用改良的铅黏弹性阻尼器进行增强。基于ABAQUS工作平台对铅黏弹性阻尼器试件建立有限元模型,将数值计算所得滞回和骨架曲线、耗能性能及疲劳性能与试验结果进行对比,两者吻合较好。在此基础上探讨了铅芯直径、铅芯布置形式及复合黏弹性体厚度比值对铅黏弹性阻尼器力学性能的影响。结果表明:相较于扇形铅黏弹性阻尼器,改良后的四边形铅黏弹性阻尼器表现出更好的力学性能;随着铅芯直径的增大,阻尼器的耗能能力指标均得到大幅提高;建议铅芯个数取2个,铅芯面积与复合黏弹性层面积比值取6%~8%,复合黏弹性体厚度比值约为0.67。建立不同布置方案的铅黏弹性阻尼器增强STRC柱节点试件模型,对其破坏形态、滞回特性和箍筋应力进行对比分析,给出合理的布置方案,为实际工程提供参考。

内置型钢增强钢管约束钢筋混凝土柱节点抗震性能研究

采用钢管对传统RC柱进行约束,形成的钢管约束钢筋混凝土(STRC)柱具有优越的承载能力和耗能性能。但在应用于框架节点设计时,节点区域仍采用普通RC柱节点构造,可能导致节点处没有钢管约束而成为薄弱点,节点处易发生破坏。针对钢管约束钢筋混凝土(STRC)柱节点抗震性能薄弱的现状,提出采用内置型钢短柱进行增强。基于ABAQUS工作平台对具有相同构造形式的节点试件建立有限元模型,将数值计算所得破坏形态、滞回曲线和型钢应力与试验结果进行对比,两者吻合较好,在此基础上探讨内置型钢长度和轴压比对节点抗震性能的影响。结果表明:随着内置型钢长度增加,试件的承载力、极限位移和延性均有不同程度的提升,轴压比对试件受力性能影响较小。通过进一步分析试件的破坏机制、型钢抗弯性能和耗能能力,提出满足节点抗震性能需求的内置型钢长度建议取值。

小口径CFRP-方截面钢管混凝土受弯性能研究

为研究小口径CFRP-方截面钢管混凝土的受弯性能,使用钢管外径分别为30、32、35 mm的3种试件(分别命名试件A、B和C)开展12组三点弯曲试验,观察试件的破坏形态并获得荷载-位移曲线。通过测得试件应变变化,对试验构件受弯性能进行分析。利用有限元软件ABAQUS对试件进行非线性有限元分析,并对钢管与水泥之间的黏结能力、水泥立方体试块抗压强度以及CFRP布厚度3组参数进行参数敏感性分析。研究结果表明:钢管内填充水泥与外缠CFRP布均可以提高试件的抗弯承载力最大值以及抗弯刚度;当钢管、水泥、CFRP布3种材料结合在一起时,提升效果最为明显,A、B、C这3种试件的抗弯承载力最大值分别提高了81.6%、93.3%和92.6%;钢管内是否填充水泥与试件的最终破坏形态有明显关联。有限元分析与试验所得荷载-位移曲线吻合较好,破坏模式一致。CFRP布厚度对抗弯承载力最大值以及梁的抗弯刚度有明显影响。

基于数值模拟的蜂窝钢管约束混凝土靶抗侵彻机理

多孔蜂窝钢管约束混凝土靶具有良好的抗侵彻性能和拓展性能。基于ANSYS/LS-DYNA软件,采用FEM/CSCM-SPH/HJC耦合法,模拟了多孔蜂窝钢管约束混凝土靶抗硬芯枪弹侵彻过程,研究了蜂窝钢管约束混凝土靶的抗侵彻机理。结果表明:与单孔正六边形钢管约束混凝土靶和无约束混凝土靶相对比,蜂窝钢管约束混凝土优异的抗侵彻性能主要体现在隧道侵彻阶段,表现为限制弹丸头部附近混凝土的径向膨胀,增大侵彻阻力;对比单孔正六边形钢管约束混凝土靶,蜂窝钢管约束混凝土靶周边单元为钢管提供了支撑,限制了钢管壁的面外弯曲变形,强化了钢管的约束效应,即形成周边单元的附加约束作用;对比无约束混凝土靶,钢管的存在限制了蜂窝钢管约束混凝土靶被打击单元的径向膨胀,强化了被打击单元混凝土的围压效应,提高了混凝土的强度和变形性能,增大了弹丸的侵彻阻力,从而使其抗侵彻能力提高。因此,蜂窝钢管约束混凝土靶由于蜂窝钢管的侧向约束和周边单元的附加约束双重约束效应而体现出良好的抗侵彻性能。

橡胶粗细集料含量对FRP约束橡胶混凝土应力-应变关系的影响

为研究橡胶粗细集料体积分数对纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer, FRP)约束橡胶混凝土应力-应变关系的影响,提出了橡胶粗细集料体积替换率的概念,并通过收集已发表文献的110组应力-应变关系试验曲线,分析了橡胶粗细集料体积替换率对FRP约束不同截面橡胶混凝土柱应力-应变关系关键参数的影响,基于分析结果建立了FRP约束橡胶混凝土的应力-应变关系模型和抗压强度模型,两个模型中均考虑了橡胶粗细集料体积替换率和橡胶混凝土截面形状的影响.模型评估结果表明:随着橡胶粗细集料体积替换率、FRP约束应力比和截面倒角半径比的增加,FRP约束橡胶混凝土的抗压强度均呈增大的趋势;建立的抗压强度模型可准确预测橡胶颗粒取代部分细集料或粗细集料的FRP约束橡胶混凝土抗压强度,平均误差仅为1.03;建立的应力-应变关系模型能够较好预测FRP约束橡胶混凝土的应力-应变关系曲线变化.

钢管约束钢筋混凝土柱梁节点研究现状与分析进展

钢管约束钢筋混凝土(steel tube-constrained reinforced concrete,STRC)柱具有优越的力学性能,但当STRC柱应用于框架结构时,常存在难以满足“强节点、弱构件”抗震设计要求的问题。为改善STRC柱梁节点的抗震性能,总结归纳了目前STRC柱梁节点的构造形式及增强机理,从工作机理、增强效果、易施工性等方面对各种构造形式的节点进行对比,认为复合式节点是解决STRC柱框架节点薄弱问题的最优途径。并进一步分析了不同构造形式STRC柱节点的轴压性能、抗震性能和理论设计方法,结果表明环梁对节点轴压承载力提升显著,钢管约束式节点轴压和抗震性能均表现良好,且设计理论较为成熟。最后,在试验研究和理论分析基础上,剖析了该研究领域亟需解决的问题和研究发展方向。

双壁波纹钢管混凝土构件短柱轴压力学性能

为改善空心钢筋混凝土柱(HRC)的使用与受力性能,提出一种双壁波纹钢管混凝土(CFDCST)构件。本文共进行了4个大尺寸双壁波纹钢管混凝土短柱与2个空心钢筋混凝土短柱的轴压试验,关键试验参数为试件类型与波纹钢管类型。分析构件的破坏模式,对比不同参数下构件的承载力、峰值应变、延性系数等关键力学指标,获得荷载-波纹钢管应变关系曲线以揭示试件的约束机理并验证外波纹钢管类型的影响。试验结果表明:外波纹钢管可为夹层混凝土提供约束作用,且螺旋角越小,外波纹钢管的约束作用越强;内波纹钢管则主要为夹层混凝土内壁提供有效支撑,以保持截面的完整性。名义约束效应系数与空心率相近时,由于咬口滑移影响,大螺旋角双壁波纹钢管混凝土比小螺旋角双壁波纹钢管混凝土的峰值应力、峰值应变与延性系数分别降低15.5%、21.8%与16.7%。在总用钢量相近的情况下,小螺旋角双壁波纹钢管混凝土柱的承载力、峰值应变与延性系数分别比空心钢筋混凝土柱提高10.6%、36.2%与50.0%。基于试验结果,检验了3种典型承载力公式的适用性,并提出了相应设计建议。

FRP约束方钢管混凝土短柱轴压性能研究

通过对8个不同FRP材料(碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维)约束的钢管混凝土方柱的轴压试验研究,揭示此类构件的受力机理与破坏形态,探讨不同FRP约束材料对约束方钢管混凝土的轴向力学性能的影响.试验结果表明,碳纤维约束试件强度和延性提高最为明显.FRP材料的约束强度越大,约束钢管混凝土的轴向承载力越高并且延性越好.在相同约束强度下,玄武岩纤维约束试件的延性优于玻璃纤维约束试件.针对FRP约束钢管混凝土方柱,提出了承载力计算公式.与本试验和其他学者试验结果对比显示,该公式计算结果与试验值吻合良好.

CFRP约束方钢管混凝土轴压短柱的静力性能研究

进行16个CFRP约束方钢管混凝土轴压短柱的静力试验。试验结果表明,试件的破坏属于强度破坏,CFRP延缓了钢管的屈曲,受约束混凝土具有良好的塑性填充性能,CFRP的增加和混凝土强度等级的提高可以提高试件的承载力和刚度。钢管与CFRP可以协同工作。试件的荷载-应变曲线可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和下降段。给出受约束混凝土的应力-应变表达式,模拟试件的荷载-应变曲线和变形模态,计算结果与试验结果吻合良好。

钢管/GFRP管约束再生混凝土柱偏心受压试验

以再生粗骨料取代率和膨胀剂掺量为参数,完成了4个钢管约束和4个玻璃纤维增强塑料(GFRP)约束再生混凝土柱试件的偏心受压试验,对钢管约束和GFRP管约束再生混凝土试件的极限荷载和轴向变形进行了对比分析,并对试件的极限荷载试验值与计算值进行了对比。结果表明:100%再生粗骨料取代率再生混凝土试件的极限荷载比普通混凝土试件低,混凝土强度相同时,GFRP管约束再生混凝土试件偏心受压极限荷载比钢管约束试件低;膨胀剂可以提高钢管和GFRP管约束试件的偏心受压极限荷载,并且对GFRP管约束试件作用更为显著;GFRP管约束试件的变形能力比钢管约束试件大,100%再生粗骨料取代率再生混凝土试件的变形能力比普通混凝土试件大。

FRP约束钢管混凝土柱应力-应变关系研究

确定FRP约束钢管混凝土柱的应力-应变关系是研究其力学性能的关键。根据弹性理论,引入等效约束效应系数,分别提出FRP约束钢管混凝柱的承载力和峰值应变的计算公式。在此基础上,建立了FRP约束钢管混凝土柱的应力-应变关系模型,该模型可分为三个阶段:弹性阶段、强化段和下降段。该模型较好地反映了FRP约束钢管混凝土柱应力-应变关系的特点,考虑了各因素对FRP约束钢管混凝土柱力学性能的影响。模型的计算值与试验结果吻合较好。

CFRP环向约束方钢管混凝土压弯构件滞回性能

目的研究CFRP增强方钢管混凝土压弯构件在往复荷载作用下的力学性能.方法以4个CFRP环向约束方钢管混凝土压弯构件的滞回性能试验为基础,对其跨中荷载-挠度(P-Δ)曲线、跨中弯矩-曲率(M-ф)曲线、跨中挠度-轴向变形(Δ-d)曲线、应变以及挠度曲线形状进行分析.结果所有试件的挠度曲线均近似为正弦半波曲线;钢管和CFRP管可以协同工作;同一点的纵向应变和环向应变异号.结论CFRP对方钢管混凝土有很好的环向约束作用,钢管的局部屈曲得到了延缓.所有试件的跨中荷载-挠度滞回曲线均较为饱满,基本没有捏缩现象,表现出很好的滞回性能.所有试件的弯矩-曲率滞回曲线均较为饱满,在加载初期,试件的变形为弹性变形,进入位移控制后,产生不太明显的"包兴格"效应.

海洋结构CFRP环向约束钢管混凝土柱在压弯扭荷载下的力学性能研究

为了研究CFRP环向约束钢管混凝土柱在压弯扭复合荷载下的力学性能,该文开展了4个CFRP环向约束钢管混凝土柱和2个钢管混凝土柱的拟静力试验,主要参数为CFRP层数和轴压比,得到了在弯扭、压弯扭两种荷载作用下柱的破坏模式和荷载-变形曲线。试验结果表明,CFRP环向约束钢管混凝土柱的破坏模式为弯型破坏,其破坏过程为:塑性铰区域钢管局部屈曲、CFRP形成环向裂纹,随后CFRP断裂、与钢管剥离,最后钢管局部屈曲部位开裂。轴力的存在会使得钢管更容易出现“象腿”破坏模式。在弯扭荷载下,CFRP环向约束对钢管混凝土的延性以及承载力提高不明显;在压弯扭荷载下,CFRP环向约束能有效提高钢管混凝土的延性及其耗能能力,减缓刚度退化,但对承载力的提高不明显。此外,增加CFRP层数能有效抑制钢管的局部屈曲,增强耗能能力。

基于长短期记忆网络的FRP约束混凝土圆柱循环轴压应力-应变预测模型

纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer,FRP)已被广泛应用于既有混凝土结构的加固改造和新建结构中。FRP约束混凝土柱在地震作用下通常会受到轴压的往复循环作用,研究FRP约束混凝土在循环轴压作用下的应力-应变特性对于FRP在实际工程中的应用具有重要意义。该文提出了一种用于建模循环轴压下FRP约束混凝土柱应力-应变特性的神经网络预测模型,该模型采用长短期记忆(Long short-term memory,LSTM)单元对循环应力-应变曲线中的滞回特性进行建模,构件的物理参数被有效地集成在网络的输入中。该模型能以端到端的方式进行高效的训练且不依赖任何专家经验。制作了一个包含166个FRP约束普通混凝土柱的循环轴压数据库,在该数据库上对模型的准确性和鲁棒性进行了充分的评估,结果表明测试集平均预测误差仅为0.32 MPa。此外,对网络结构和超参数的影响进行了详细的讨论,结果表明该模型具有出色的预测性能。