截面高宽比对CFRP约束型钢混凝土矩形柱轴压性能的影响

摘要

从试验、数值和理论三个方面研究截面高宽比对碳纤维(Carbon FiberReinforced Polymer，简称CFRP)布约束型钢混凝土矩形柱轴压性能的影响。
　　试验设计并制作了9个型钢混凝土柱进行轴压加载试验，考虑高宽比的影响，试验全面认识了约束型钢混凝土柱的破坏过程和机理。试验中所有的CFRP布约束型钢混凝土矩形短柱最终都以碳纤维布断裂为破坏标志。相较于小高宽比构件，大高宽比构件的破坏征兆要更明显，突然性会有所减缓。随着高宽比的增加，峰值荷载和极限荷载下CFRP布的有效拉应变系数逐渐降低，且碳纤维布的环向应变分布越不均匀，破坏模式由强约束破坏向弱约束破坏转化。采用ABAQUS软件建立了有限元模型对试验中的CFRP布约束型钢混凝土矩形柱进行了模拟分析，计算结果与试验结果吻合很好。在数值模拟的基础上，又进行了参数分析，扩展设计了钢筋混凝土柱和高宽比范围。计算结果表明:随着高宽比的增加，约束混凝土柱的承载力提高幅度逐渐减小，变形提高倍数不断增加;与约束钢筋混凝土柱相比，约束型钢混凝土柱的承载力提高幅度随高宽比增加而降低的曲线更缓和;约束柱中大高宽比试件实施加固呈现延性加固模式，小高宽比试件实施加固呈现承载力加固模式;同高宽比下，约束型钢混凝土柱达到强约束状态需要更多碳纤维布层数包裹。约束柱截面内的混凝土存在高低应力分布区域，约束型钢混凝土柱在型钢附近还存在增强的高应力分布区;随着高宽比的增加，高应力分布区占比逐渐减小;高宽比达到2.0时，约束型钢混凝土柱的高应力分布区占比仍然较大，约束效果并没有明显减弱。根据已有研究，理论公式推导了约束钢筋混凝土柱的高宽比限值的由来;推导得到与高宽比相关的短边侧向约束应力和长边侧向约束应力计算式;为了考虑型钢的影响，引入相对刚度比K,相对刚度K为型钢混凝土柱的环向刚度与轴向刚度的比值。最后，通过数据拟合分析提出了适用于本文研究CFRP布约束型钢混凝土矩形柱的强度计算模型。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 背景

1．2 已有研究

1．2．1 试验研究

1．2．2 有限元分析

1．2．3 理论研究

1．3 研究的主要内容

第二章 高宽比对CFRP约束型钢矩形柱轴压性能影响的试验研究

2．1 试验目的和试验内容

2．2 试验概括

2．2．1 试件的设计与制作

2．2．2 材料性能

2．2．3 试验加载装置和方案

2．2．4 量测方案

2．3 试验现象

2．3．1 对比构件

2．3．2 两层碳纤维布约束构件

2．3．3 三层碳纤维布约束构件

2．4 试验结果分析

2．4．1 荷载-变形曲线

2．4．2 荷载-应变曲线分析

2．4．3 CFRP布的应变分析

2．4．4 特征荷载和位移

2．5 小结

第三章 CFRP约束矩形柱的有限元分析

3．1 有限元模型的组成与建立

3．1．1 单元选取与网格划分

3．1．2 材料本构关系

3．1．3 边界条件与加载方式

3．2 数值分析结果的验证

3．3 参数分析

3．4 CFRP约束矩形柱的受力机理分析

3．4．1 荷载-位移曲线

3．4．2 承载力和延性提高幅度

3．4．3 碳纤维布环向应变

3．4．4 混凝土截面应力

3．5 小结

第四章 CFRP布约束型钢混凝土柱高宽比影响下的理论分析

4．1 高宽比限值

4．2 侧向约束应力

4．2．1 已有侧向约束应力

4．2．2 矩形柱各边侧向约束应力

4．3 强度模型

4．3．1 已有强度模型

4．3．2 约束型钢混凝土柱的强度模型

4．4 小结

第五章 结论及展望

5．1 主要工作和结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况