FRP-混凝土：鋼雙層空心管柱受壓試驗及理論模型

　　橋梁是跨越江河、海峽、峽谷等障礙的架空建筑物，在我國四通八達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要作用。伴隨著橋梁技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國出現(xiàn)了越來越多的跨海大橋，如蘇通長江公路大橋、杭州灣跨海大橋、港珠澳大橋等。橋梁中的鋼筋混凝土柱，尤其是長期處于沿海水位變化區(qū)的墩柱等工程結(jié)構(gòu)，其混凝土易于剝蝕、鋼筋經(jīng)常銹蝕，是影響建筑物安全和耐久的病險隱患。隨著高速鐵路的迅速發(fā)展及“一帶一路”倡議的推進，近期及未來將修建更多的跨海大橋及其相關(guān)建筑，而無論低墩區(qū)還是高墩區(qū)都將會對墩柱的耐腐蝕性能提出更高的要求。由于纖維增強聚合物（ｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｍｅｒ，簡稱ＦＲＰ）具有較高的比強度和耐腐蝕性等，正日益廣泛地用于既有結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)和新建結(jié)構(gòu)中。ＦＲＰ-混凝土-鋼雙層空心管柱由內(nèi)層鋼管、外層ＦＲＰ管和二者之間填充的混凝土三部分組成，這種新型組合柱能充分發(fā)揮ＦＲＰ、混凝土和鋼管三種材料各自的優(yōu)點，具有良好的受壓和耐久性能，可用于水利、橋梁、工業(yè)與民用建筑等工程領(lǐng)域。為了給ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱的設(shè)計和施工提供依據(jù)和參考，促進其在易腐蝕環(huán)境等惡劣條件下的工程應(yīng)用，本書進行了ＦＲＰ-混凝土-鋼雙層空心管柱受壓性能的試驗研究和理論分析。全書共６章，包括緒論、ＦＲＰ-混凝土-鋼雙層空心管柱軸心受壓試驗概況、軸心受壓試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析、軸壓承載力計算方法、偏心受壓試驗與承載力計算方法、結(jié)論與展望等。主要研究成果如下：（１）通過２５根方柱和６根圓柱的軸心受壓試驗，研究了空心率、鋼管徑厚比和ＦＲＰ約束特征值等對ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱軸壓性能的影響。結(jié)果表明，外層ＦＲＰ管和內(nèi)層鋼管對ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱中的混凝土具有較大約束，混凝土的強度和延性均得到顯著提高；ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱極限承載力較鋼管與混凝土承載力的疊加值提高９％～４１％。外層ＦＲＰ約束特征值對ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱和組合實心方柱的軸壓性能均有顯著影響，ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱軸壓承載力隨ＦＲＰ約束特征值的增大而提高。將方柱等效為圓柱，并分別考慮ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱外層ＦＲＰ管、內(nèi)層鋼管和夾層混凝土的極限狀態(tài)，建立了ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱軸壓承載力的理論計算模型。（２）基于本書和相關(guān)文獻關(guān)于組合方柱的軸壓試驗結(jié)果，分析了空心率、鋼管徑厚比和ＦＲＰ布層數(shù)等對ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱軸壓承載力的影響。將ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱夾層混凝土分為強約束區(qū)和弱約束區(qū)，結(jié)合對本書和相關(guān)文獻ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合圓柱試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，提出了ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱軸壓承載力的簡化計算模型；基于對本書和國內(nèi)外相關(guān)文獻關(guān)于ＦＲＰ約束混凝土實心方柱、空心方柱以及ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱試驗結(jié)果的綜合分析，提出了考慮ＦＲＰ布層數(shù)、空心率及鋼管徑厚比影響的ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱軸壓承載力計算公式。（３）對比分析了ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱、ＦＲＰ約束混凝土實心方柱及ＦＲＰ約束混凝土空心方柱的軸壓性能。結(jié)果表明，ＦＲＰ約束特征值對ＦＲＰ約束混凝土空心方柱的影響有所降低。當(dāng)空心率為０．７２時，４層ＦＲＰ布約束混凝土空心方柱的承載力與２層ＦＲＰ布約束混凝土空心方柱的承載力基本相同，*增長幅度僅為９．４％，內(nèi)部的空心明顯降低了外部ＦＲＰ布的約束效果及柱的整體性能。（４）循環(huán)軸壓荷載對ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱極限承載力的影響不明顯，且組合方柱在循環(huán)荷載下仍然具有良好的延性。隨著卸載／再加載循環(huán)次數(shù)的增多，ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱的塑性變形增大。循環(huán)荷載作用下，ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱承載力隨徑厚比減小而逐漸增大，當(dāng)徑厚比由２５．１減小至１６．１時，極限承載力增大約９．７％。（５）進行了１９根ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱的偏心受壓試驗，重點研究偏心距和軸向ＦＲＰ布層數(shù)對其偏壓性能的影響。結(jié)果表明，偏心荷載作用下，組合方柱試件承載力隨偏心距的增大而顯著降低。隨著受拉側(cè)軸向ＦＲＰ布由１層增為２層，軸向荷載側(cè)向撓度曲線呈現(xiàn)更加剛性化的特征，極限承載力提高３．６％～１３％。偏心距為１５ｍｍ、３０ｍｍ、４５ｍｍ 的ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱的軸向荷載-側(cè)向撓度曲線的發(fā)展趨勢相似，僅下包面積隨偏心距的增大而逐漸減小?；诮孛娣治龊蜅l帶劃分方法，提出了適用于ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱偏壓承載力計算的理論模型；將ＦＲＰ-混凝土-鋼管組合方柱的混凝土和鋼管不規(guī)則應(yīng)力圖等效為矩形應(yīng)力圖，建立了鋼管截面不同受壓狀態(tài)下組合方柱偏壓承載力的簡化計算公式。本書基于軸心受壓、偏心受壓試驗，對ＦＲＰ-混凝土-鋼雙層空心管柱受壓性能進行了系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，可供交通工程、水利工程、建筑工程相關(guān)領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員、本科生、研究生參考使用。

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