侧向冲击荷载作用下CFRP型材-方钢管混凝土柱的动力响应

为了研究CFRP型材-方钢管混凝土固简柱的抗侧向冲击性能,采用水平撞击装置对3个CFRP型材-方钢管混凝土柱进行侧向冲击试验.根据柱的破坏模式、局部变形、整体变形及冲击力分析柱的动力响应,研究了CFRP型材、边界条件、冲击能量与冲击冲量对试件动力响应的影响规律.结果表明,CFRP型材-方钢管混凝土固简柱呈现弯曲破坏,具有良好的抗冲击性能,且随着支座约束能力的增大,抗侧向冲击性能增大.增加单位冲击冲量可使悬臂试件的峰值位移下降7%,而两端固支试件峰值位移仅变化1%.随着支座约束能力的下降,冲击冲量对试件变形的影响程度增大.在钢管混凝土固简试件中内置CFRP型材可使冲击位置处峰值位移下降9%,且降低程度随着支座约束能力的下降而增加.

内置工字型CFRP型材高强圆钢管高强混凝土轴压短柱组合效应分析

目的 研究内置工字型CFRP型材的高强圆钢管高强混凝土短柱在轴心压力作用下三种材料的组合效应。方法 采用有限元分析软件ABAQUS对其进行数值模拟,通过相关试验验证模型的准确性,并对典型构件的破坏形态、受力全过程曲线进行分析,揭示构件各组成部分之间的相互作用和工作机理,评估CFRP配置率、钢材屈服强度、混凝土抗压强度、约束效应系数对组合效应的影响。结果 在高强圆钢管高强混凝土柱中内置CFRP型材,对构件的延性及安全裕度有显著提高,并改善了高强圆钢管对高强混凝土的约束,提高了构件的组合效应。结论 CFRP配置率控制在5.9%~8.4%,约束效应系数在1.2~1.4,钢材屈服强度不大于770 MPa时,构件中三种材料组合效应最佳。

内置CFRP管的钢管再生混凝土短柱轴压性能研究

目的研究不同截面形式下,内置CFRP管的钢管再生混凝土短柱力学性能。方法利用有限元软件建立试件模型,验证模型的正确性,在此基础上,建立组合短柱模型,分析CFRP层数、钢管厚度、再生骨料取代率对不同截面形式下组合柱力学性能的影响。结果增加CFRP层数和钢管厚度可以提高组合短柱的极限承载力和位移延性系数;改变再生骨料取代率,对组合短柱力学性能的影响较小;改变截面形式,圆截面短柱的力学性能优于方截面短柱。结论在工程设计中,使用该组合短柱时建议组合柱内置两层CFRP,截面形式建议优先考虑圆截面;若需提高组合柱承载力,建议采用增加钢管厚度的方式。

内置工字形CFRP的高强圆钢管高强混凝土纯弯构件抗弯刚度研究

目的研究内置工字形CFRP型材高强圆钢管高强混凝土纯弯构件的抗弯刚度,为该类构件的设计和工程应用提供参考。方法设计3个CHCFHST-CFRP构件,对其进行纯弯试验;应用ABAQUS有限元软件建立了纯弯构件数值模型,在数值模拟结果与试验结果吻合的基础上,分析各参数对构件抗弯刚度的影响;并且推导了适用于纯弯构件的抗弯刚度和挠度计算公式。结果试件均未出现断裂,钢管也未产生局部鼓曲,卸载后纯弯段有明显回弹;随着混凝土强度、钢管壁厚和型材尺寸的增长,构件抗弯刚度略有增长;与未配置CFRP型材的构件相比,配置CFRP型材后构件的抗弯刚度有了明显的增长。结论试件整体呈弯曲破坏模态,具有良好的变形能力,具有较强的耗能能力及刚度退化能力;利用笔者推导的公式得到的计算值与试验结果吻合较好,公式可用来计算此类构件的抗弯刚度与挠度。

Behavior of High Strength Concrete Filled Square Steel Tube Stub Columns with Inner CFRP Tube Under Biaxial Eccentric Compression

This paper studies the contribution of CFRP(carbon fiber-reinforced polymer)to the mechanical behavior of high strength concrete-filled square steel tube(HCFST)under biaxial eccentric compression.The new type of composite member is composed of an inner CFRP tube and an outer steel tube with concrete filled in the two tubes.The finite element analysis was made by ABAQUS on the behavior of high strength concrete filled square steel tubular columns with inner CFRP circular tube subjected to bi-axial eccentric loading.The results obtained from the finite element analysis were verified with the experimental results.In addition,the load-deflection curves in the whole process were calculated and analyzed,which can be divided into three segments:Elastic phase,plastic phase,descending phase.Based on the load-deflection curves,the stresses analysis on the core concrete,CFRP tube and steel tube were conducted.The confinement effect of the CFRP tube improves the ductility of HCFST-CFRP stub column.CFRP ratio and eccentricity affect the ultimate bearing capacity of HCFST stub column.Finally,a calculation formula of ultimate bearing capacity was proposed in the paper.

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。

多角度冲击工况下铝/CFRP复合管诱导槽多目标优化设计

角度冲击在车辆事故中较为常见,具有合理诱导结构的吸能装置对综合耐撞性能的发挥至关重要。本文研究了基于铝/CFRP复合管诱导结构的设计问题。为此,首先建立铝/CFRP复合管的高精度有限元模型,并进行试验验证。然后,基于多角度压缩工况,分别研究了诱导槽的位置参数、数量参数、形状参数以及尺寸参数对铝/CFRP复合管耐撞性能的影响规律。结果表明:诱导槽的位置参数对于综合耐撞性能影响最大,在复合管靠近顶端的位置处开设一个矩形诱导槽,可以大幅降低峰值力水平,同时兼顾吸能稳定性。最后,基于第二代非劣解排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)开展了复合管诱导槽的多目标优化设计。优化结果表明:在保证各工况权重方案的综合吸能性不降低的前提下,复合管的峰值力降低了35.5%,很好地解决了高吸能性与低峰值力难以兼顾的问题。该研究结果对于车辆碰撞吸能部件的设计应用具有重要的指导意义。

偏心率对工字型CFRP-高强圆钢管高强混凝土短柱力学性能的影响

目的研究偏心率对内置工字型CFRP型材的高强圆钢管高强混凝土短柱力学性能的影响。方法利用ABAQUS有限元软件建立了工字型CFRP-高强圆钢管高强混凝土短柱模型,分析不同偏心率下构件的受力-变形关系、各材料分担荷载以及应力发展,探究混凝土强度、钢材屈服强度、含钢率和CFRP型材对组合柱力学性能的影响。结果随着偏心率的增大,构件延性提高,初始刚度与极限承载力降低,且降低幅度减小,偏心率与极限承载力呈非线性关系;偏心率越小,加入CFRP型材对组合柱承载力的提高越显著。结论偏心率越大,混凝土强度的利用率越低,钢管力学性能发挥越充分。偏心率小于0.328时,建议采用增大混凝土强度的方式增加构件极限承载力;偏心率大于0.328时,建议采取增大钢材屈服强度和含钢率的方式增加构件的极限承载力。

轴压作用下CFRP约束钢管-活性粉末混凝土短柱承载力计算模型

通过碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)约束钢管-活性粉末混凝土(CFRP约束钢管-RPC)和钢管-RPC轴压短柱破坏过程的异同比较,探讨了CFRP套箍系数和钢管套箍系数对CFRP约束钢管-RPC和钢管-RPC的影响及内在联系,为CFRP约束钢管-RPC短柱承载力的理论分析奠定了基础。基于双剪强度理论,提出了简易的计算模型,基于叠加理论,通过分析核心RPC、钢管和CFRP的应力-应变方程,推导得出了CFRP约束钢管-RPC轴压短柱的理论计算模型,将两类计算模型结果分别与试验实测值相比较,验证了理论式的可取性。

CFRP-钢管-CFRP复合钢管约束海砂混凝土短柱轴压试验

以钢管壁厚、钢管屈服强度、碳纤维增强聚合物(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)层数和位置、混凝土强度等为研究参数,进行19根CFRP-钢管-CFRP复合钢管约束海砂混凝土短柱的轴压试验,分析试件破坏模式、荷载-应变曲线、结构承载力等,并讨论现有算法对承载力计算的适用性.研究结果表明:内外壁CFRP与钢管的组合对核心混凝土有良好的复合约束作用,可大幅提高结构承载力;钢管内外壁张贴CFRP后,其结构破坏模式由剪切破坏变为腰鼓破坏;钢管最先开始屈服,CFRP层数决定纤维布的断裂宽度和分布;荷载-应变曲线在强化阶段呈明显线性上升特性,二次刚度由CFRP层数决定;与外壁张贴CFRP试件相比,内壁张贴CFRP试件的结构承载力更大.

CFRP约束圆中空夹层钢管混凝土短柱轴心受压性能试验研究

对圆中空夹层钢管混凝土(CFDST)短柱和CFRP约束CFDST(CFRP-CFDST)短柱进行了轴压试验,研究混凝土强度和CFRP粘贴层数对CFRP约束CFDST短柱轴压性能的影响,得到了CFDST短柱和CFRP约束CFDST短柱的典型破坏模式、荷载—位移曲线及荷载—应变曲线。试验结果表明:与CFDST试件相比,CFRP约束CFDST试件的极限承载能力显著提高,且贴布层数越多,钢管混凝土短柱的极限承载力越高。给出了避免内钢管先于外钢管屈曲破坏的内钢管最小壁厚计算式,并提出了CFRP约束CFDST短柱的轴压极限承载力计算式,该计算式计算结果与试验结果吻合较好。

条带CFRP圆钢管锂渣混凝土短柱轴压性能研究

为实现建筑业的可持续发展,解决工业废料堆积及污染问题,以锂渣取代率、碳纤维增强塑料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)包裹间距和包裹层数为影响因素,将锂渣废料作为胶凝材料部分取代水泥,共设计9根试验柱进行力学试验,探究条带CFRP约束圆钢管锂渣混凝土短柱的轴压性能。通过观察试验现象和破坏形态,采集试验数据绘制力学曲线图,对条带CFRP圆钢管锂渣混凝土柱的极限强度、刚度和延性等多个力学参数进行分析研究。结果表明:锂渣掺量在0~20%时,随着锂渣掺量的提高,试件极限强度和初始刚度均增大,但延性下降约13.9%;将试件的包裹间距从25 mm增至40 mm,试件极限强度、刚度和延性均降低约5.0%,包裹间距为40 mm的条带围压方案在节省物料的同时还有较好的结构性能;将试件CFRP包裹层数从1层提高至3层,试件抗压强度、刚度和延性均提升18.0%~26.0%,可见包裹层数对柱性能影响较大。

钢-CFRP异质复合B柱的弯曲实验分析

目的为提高B柱的抗弯性能,通常会在B柱上额外焊接补丁板,但同时也增加了B柱的重量。在原始B柱上铺设碳纤维增强复合材料(CFRP),获得钢-CFRP异质复合B柱,取消B柱的钢制加强板,实现B柱的轻量化。方法通过热冲压制备原始B柱及带补丁板B柱,并以原始B柱为凹模,采用真空袋压工艺制备钢-CFRP异质复合B柱。基于2018版C-NCAP侧面碰撞实验要求,设计B柱三点弯曲夹具,进行原始B柱、带补丁板B柱及钢-CFRP异质复合B柱的三点弯曲实验,并对其重量及弯曲性能进行分析。结果原始B柱重量4.1kg,三点弯曲实验测得其刚度为0.763k N/mm,最大载荷为21.59k N,平均力为14.52 kN;带补丁板B柱质量为5.6 kg,三点弯曲实验测得其刚度为1.095 kN/mm,最大载荷为31.08 kN,平均力为18.38 kN;钢-CFRP异质复合B柱总质量4.7 kg,三点弯曲试验测得其刚度为1.071 kN/mm,最大载荷为31.76 kN,平均力为19.58 kN。结论在保持刚度、最大载荷及平均力等弯曲力学性能不变的前提下,相对于带补丁板B柱,钢-CFRP异质复合B柱可以减轻质量0.9 kg,并且吸能更优,实现了B柱的轻量化。

圆CFRP-钢管混凝土压弯构件滞回性能试验研究

进行了12个圆CFRP-钢管混凝土压弯构件的滞回性能试验研究。试验结果表明,CFRP对圆钢管混凝土有很好的环向约束和纵向增强作用,钢管的局部屈曲得到了延缓或消除。所有试件的跨中荷载-挠度曲线和弯矩-曲率曲线均较为饱满,表现出很好的滞回性能。在加载后期,无轴压力试件的承载力无下降,而有轴压力试件的承载力明显下降。对试验结果的分析表明,钢管和CFRP在纵向和环向都可以协同工作;同一点的纵向应变和环向应变异号;试件的挠曲线均近似为正弦半波曲线。计算表明,强度退化不显著,轴压比和纵向CFRP增强系数的增大可以提高试件的抗弯承载力和刚度,同时减缓刚度退化,但会降低试件的延性和累积耗能,而轴压比在一定范围内对试件的抗震性能是有利的。

圆CFRP-钢管混凝土构件受弯性能研究

进行16个圆截面CFRP-钢管混凝土构件受弯的试验研究。结果表明,对于包裹纵向CFRP的构件,其弯矩-曲率曲线总体上可以划分为以下三个阶段,即弹性段、弹塑性段和软化段;构件的极限弯矩提高率随着纵向CFRP层数的增大或钢管外径的减小而增大;纵向CFRP可显著提高构件的抗弯刚度。试验结果还表明,从加载开始到极限弯矩,钢管和CFRP在环向和纵向都可以协同工作;纵向受拉的钢管对核心混凝土没有环向套箍作用。在大约0.7倍的极限弯矩之前,纵向应变沿截面高度的分布基本符合平截面假定;构件的挠曲线基本为正弦半波曲线。应用纤维模型法分析圆CFRP-钢管混凝土受弯构件的弯矩-曲率曲线,计算结果与试验结果吻合良好,且总体上偏于安全。

内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土轴压短柱承载力计算初探

目的研究内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土轴压短柱的承载力.方法进行了12根内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土轴压短柱和6根普通方钢管高强混凝土轴压短柱的试验研究和理论分析,探讨了与试件的含钢率及CFRP圆管与方钢管的相对配置率之间的关系以及它们对承载力的影响.结果承载力随着含钢率及CFRP圆管与方钢管的相对配置率的增大而提高,回归得到了内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土轴压短柱的承载力计算初探公式.结论承载力计算公式的理论计算结果与试验结果吻合良好,证明了提出的计算公式的正确性.

圆CFRP钢复合管混凝土轴压短柱试验研究

通过对8根圆CFRP(碳纤维增强塑料)钢复合管混凝土轴压短柱和4根圆钢管混凝土轴压短柱极限承载力的试验,研究CFRP对圆钢管混凝土轴压短柱的增强效果.分析了钢管约束效应系数和CFRP筒约束效应系数等对圆CFRP钢复合管混凝土轴压短柱极限承载力的影响.在本次试验的参数范围内,CFRP对圆钢管混凝土轴压短柱极限承载力的提高率近似随着CFRP的增加而线性增加;在其它条件相同的情况下,钢管约束效应系数越大,CFRP对圆钢管混凝土轴压短柱极限承载力的提高率越小.

CFRP-钢管砼轴压短柱承载力的简化计算

目的为得到CFRP-钢管砼轴压短柱承载力计算的表达式.方法合理假定CFRP筒、钢管和核心混凝土在极限时的应力状态,采用极限平衡法求解,并以实验结果加以验证.结果得到承载力计算式以及简化式,计算结果与实测结果吻合良好.结论在所选取样本的参数范围内,CFRP-钢管砼轴压短柱承载力主要取决于核心混凝土的强度和横截面积、钢管的强度和横截面积以及CFRP筒的强度和横截面积,承载力随着它们的增加而增加.如果没有外包CFRP筒,则计算式退化为圆截面钢管混凝土轴压短柱承载力极限平衡法的表达式.

圆CFRP-钢管约束混凝土轴压力作用下的本构关系

目的进行圆CFRP-钢管混凝土轴压短柱的受力全过程分析以及圆CFRP-钢管混凝土构件的承载力简化计算,研究圆CFRP-钢复合管约束混凝土在轴压力作用下的本构关系.方法以试验研究为依据,对已有的圆钢管约束混凝土在轴压力作用下的本构关系进行修正,给出回归表达式以及简化式.结果得到了圆CFRP-钢复合管约束混凝土在轴压力作用下的本构关系表达式以及简化式.结论圆CFRP-钢复合管约束混凝土在轴压力作用下的本构关系可以划分为三阶段:弹性阶段,弹塑性阶段和下降段.

CFRP-钢复合圆管内填混凝土轴压短柱试验研究

通过对10根CFRP-钢复合圆管内填混凝土轴压短柱和用于对比的5根圆钢管混凝土轴压短柱承载力的试验研究,初步探讨CFRP-钢复合圆管内填混凝土轴压短柱的受力性能以及CFRP对圆钢管混凝土轴压短柱承载力的提高效果。分析了钢管约束指标和CFRP筒约束指标等对CFRP-钢复合圆管内填混凝土轴压短柱承载力的影响。研究结果表明:在本次试验的参数范围内,外包CFRP可以有效提高圆钢管混凝土轴压短柱的承载力;CFRP对圆钢管混凝土轴压短柱承载力的提高率近似随着CFRP筒约束指标的增加而线性增加;在其它条件相同的情况下,钢管约束指标越大,承载力提高率越小;承载力提高率随着约束指标比的增加而增加;如果粘结良好,在破坏前,CFRP筒和钢管可以保持协同工作。