CFRP約束鋼管混凝土柱的抗震性能研究

1、CFRP勺束鋼管混凝土柱的抗震性能研究鋼管混凝土因為其優(yōu)異的力學(xué)性能和施工便捷被廣泛的應(yīng)用于建筑、橋梁、大跨及高聳結(jié)構(gòu)中。然而研究表明,鋼管混凝土柱端在地震力作用下易發(fā)生塑性壓曲(即所謂“象腿”),且由于內(nèi)部混凝土的破壞降低高度,從而加劇非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的滯回承載力不穩(wěn)定。而約束鋼管混凝土正是基于鋼管混凝土的這一破壞特點,考慮在構(gòu)件的危險區(qū)域施加有效約束,限制鋼管變形進而改善鋼管的力學(xué)性能。研究表明,采用纖維增強復(fù)合材料尤其是碳纖維材料(CFRP次僅可以延緩或限制鋼管的局部屈曲,還能夠與鋼管一同增強對核心混凝土的約束能力,改善構(gòu)件的受力性能。目前對CFRP勺束鋼管混凝土的研究主要側(cè)重

2、于軸壓與受彎性能,而忽視了地震荷載作用下的壓彎組合性能。2012年,CFRP約束鋼管混凝土已被成功的應(yīng)用于高速公路橋梁的墩柱設(shè)計,隨著這一新型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與推廣,加快對其工作機理的深入研究及設(shè)計方法的確定非常必要。本文在已有的研究基礎(chǔ)上,通過試驗研究,有限元計算模擬,與理論分析對CFRP勺束鋼管混凝土柱在低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能及計算方法進行了較為系統(tǒng)的研究,完成了以下主要研究內(nèi)容:(1)完成了9根大比例圓鋼管混凝土柱的低周反復(fù)荷載試驗,通過研究軸壓比、徑厚比及加載制度等參數(shù)對試驗結(jié)果的影響,總結(jié)了影響鋼管混凝土柱破壞形態(tài)、退化性能及約束效應(yīng)的重要指標。研究表明,地震荷載作用下鋼管混凝土柱通

3、常出現(xiàn)鋼管的局部屈曲破壞,即“象腿”破壞;而采用不同的地震序列加載程序會導(dǎo)致柱腳鋼管的斷裂破壞。鋼管破壞形態(tài)的區(qū)別,影響了對核心混凝土的約束能力,導(dǎo)致核心混凝土的破壞形態(tài)存在一定程度的差異。(2)在鋼管混凝土柱的試驗研究基礎(chǔ)上,進行了7根CFRP勺束圓鋼管混凝土柱的抗震試驗。通過對試件破壞形態(tài)、滯回性能、骨架曲線、退化性能、耗能能力等性能指標的對比,分析了不同的約束方法對改善鋼管混凝土受力機理及抗震性能的差異。研究結(jié)果表明本文介紹的帶緩沖墊層的雙向約束方法能夠提高碳纖維的整體約束效果,增大塑性鉸區(qū)的工作范圍,提高構(gòu)件的變形性能。(3)采用ABAQUS限元軟件建立了CFRP勺束鋼管混凝土柱的精細

4、化有限元模型，考慮了不同材料(鋼管，核心混凝土和CFRP在往復(fù)荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系模型,材料與幾何非線性,以及不同材料之間的接觸關(guān)系。通過與已有試驗的對比驗證了模型在模擬CFRP勺束鋼管混凝土柱抗震性能方面的適用性,能夠應(yīng)用于后續(xù)的力學(xué)性能分析。(4)結(jié)合本文試件和工程實際尺寸,建立了典型往復(fù)荷載作用下的CFRP勺束鋼管混凝土柱的精細化有限元模型。對其破壞形態(tài)、受力全過程曲線、材料應(yīng)力分布(鋼材、混凝土和CFRP以及不同材料的接觸關(guān)系進行了分析。分析結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)的鋼管混凝土柱,碳纖維對鋼管的附加約束在峰值點后效果明顯,限制了鋼管的局部屈曲,增大了對核心混凝土的約束作用。通過對約束區(qū)高度、緩沖墊層厚度等影響參數(shù)的討論與分析,確定了緩沖墊層的加入能夠改變鋼管和核心混凝土的應(yīng)力分布狀態(tài),使其具有較好的延性和耗能能力。同時為保證最佳的約束效果,建議約束區(qū)高度取為一倍鋼管直徑。選取了關(guān)鍵參數(shù)(包括軸壓比、鋼管徑厚比、鋼管與核心混凝土強度以及CFRPI數(shù))，進行了系統(tǒng)的參數(shù)分析,為后續(xù)的設(shè)計方法研究提供了理論依據(jù)(5)提出了不同軸壓比作用下CFRP勺束對鋼管混凝土柱承載力和延性的提高系數(shù)，并建議了其荷載位移骨架曲線模型。以CFRP勺束效