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为了适应当代建筑结构向着大跨度、高耸和重载方向发展和生产施工的工业化要求,以及承受恶劣环境的要求,本文在钢管混凝土、FRP约束混凝土、FRP套管混凝土等概念的基础上,提出了一种新型的组合结构——FRP与钢管混凝土复合结构,这种结构是在钢管混凝土外围粘贴纤维布,利用FRP和钢管两种材料约束核心混凝土。纤维增强复合材料(FRP)具有强度高、重量轻、耐腐蚀、抗磁性等优点,在土木工程领域中发挥着重要的作用,已被成功地应用于旧有结构的补强与加固或替换钢筋或钢管直接应用于新建结构。用FRP约束传统钢管混凝土柱,可以为核心混凝土提供更强的约束,延缓钢管的屈曲,且可以防止钢管的锈蚀。本文通过试验和理论分析研究了FRP与钢管混凝土复合短柱以及中长柱的轴压性能,主要进行了以下几方面的工作：(1)通过11个FRP与钢管混凝土复合短柱试件的轴心受压试验,研究了FRP与钢管混凝土复合短柱的工作机理、破坏形态和轴压极限承载力,以及粘贴FRP的种类、含钢率、FRP粘贴用量和混凝土强度等级等因素对复合短柱轴压性能的影响。试验结果表明：与钢管混凝土相比,FRP与钢管混凝土复合短柱的轴压极限承载力和刚度有较大程度的提高；FRP与钢管混凝土复合短柱中,钢管与纤维布能很好的共同工作,两者对试件的约束能力都得到了充分发挥；试件的破坏形态主要与粘贴的FRP种类有关；随着纤维布层数的增加,复合柱的极限承载力增大,延性也有所提高；随着钢管壁厚的增加,复合柱的屈服强度和极限承载力随之增大；混凝土等级的增加可以适当提高复合柱的极限承载力。(2)在试验结果的基础上,结合钢管混凝土和FRP约束混凝土结构的相关理论,本文对FRP与钢管混凝土复合短柱的受力进行理论分析并推导出复合柱轴压承载力的理论公式。在分析钢管混凝土柱的轴压承载力计算公式的基础上,提出影响复合短柱轴压承载力的因素,即约束效应系数,在此基础上结合本次试验的结果,得出基于统一理论的复合短柱轴压承载力的简化计算公式,理论公式计算结果以及简化公式计算结果与试验结果吻合良好。应用数值解法对轴心受压下的FRP与钢管混凝土复合短柱的全过程非线性分析,计算结果与试验结果比较接近,验证了计算方法的合理性。(3)对15根FRP与钢管混凝土复合中长柱进行了轴心受压试验,研究了钢管混凝土柱外围粘贴纤维布后的破坏形态、破坏机理和受力性能。分析了长细比、FRP的种类和FRP粘贴量对复合柱的极限承载力、荷载-挠度关系、荷载-应变关系等方面的影响。试验研究结果表明：FRP与钢管混凝土复合短柱结合了钢管混凝土和纤维布各自的优点,钢管与纤维布能很好地共同工作；复合柱的轴压力学性能得到明显的改善,其极限承载力、延性以及变形能力均优于钢管混凝土柱；长细比越小、FRP粘贴量越多,则复合柱的承载力越高、延性越好。其它参数相同时,GFRP与钢管混凝土复合柱的延性以及材料强度利用率略高于CFRP与钢管混凝土复合柱。(4)在试验研究和理论分析的基础上,建立了FRP与钢管混凝土复合中长柱轴压承载力的实用计算公式,计算结果与试验结果吻合良好。在试验研究的基础上,选取合适的钢材、混凝土及纤维布的本构模型,采用ANSYS有限元软件对FRP-钢管混凝土中长柱轴压性能进行了非线性有限元计算,得到了荷载-挠度曲线和荷载-纵向平均应变曲线,计算结果与试验结果吻合较好,验证了采用ANSYS分析此类结构的适用性。
为了适应当代建筑结构向着大跨度、高耸和重载方向发展和生产施工的工业化要求,以及承受恶劣环境的要求,本文在钢管混凝土、FRP约束混凝土、FRP套管混凝土等概念的基础上,提出了一种新型的组合结构——FRP与钢管混凝土复合结构,这种结构是在钢管混凝土外围粘贴纤维布,利用FRP和钢管两种材料约束核心混凝土。纤维增强复合材料(FRP)具有强度高、重量轻、耐腐蚀、抗磁性等优点,在土木工程领域中发挥着重要的作用,已被成功地应用于旧有结构的补强与加固或替换钢筋或钢管直接应用于新建结构。用FRP约束传统钢管混凝土柱,可以为核心混凝土提供更强的约束,延缓钢管的屈曲,且可以防止钢管的锈蚀。本文通过试验和理论分析研究了FRP与钢管混凝土复合短柱以及中长柱的轴压性能,主要进行了以下几方面的工作：(1)通过11个FRP与钢管混凝土复合短柱试件的轴心受压试验,研究了FRP与钢管混凝土复合短柱的工作机理、破坏形态和轴压极限承载力,以及粘贴FRP的种类、含钢率、FRP粘贴用量和混凝土强度等级等因素对复合短柱轴压性能的影响。试验结果表明：与钢管混凝土相比,FRP与钢管混凝土复合短柱的轴压极限承载力和刚度有较大程度的提高；FRP与钢管混凝土复合短柱中,钢管与纤维布能很好的共同工作,两者对试件的约束能力都得到了充分发挥；试件的破坏形态主要与粘贴的FRP种类有关；随着纤维布层数的增加,复合柱的极限承载力增大,延性也有所提高；随着钢管壁厚的增加,复合柱的屈服强度和极限承载力随之增大；混凝土等级的增加可以适当提高复合柱的极限承载力。(2)在试验结果的基础上,结合钢管混凝土和FRP约束混凝土结构的相关理论,本文对FRP与钢管混凝土复合短柱的受力进行理论分析并推导出复合柱轴压承载力的理论公式。在分析钢管混凝土柱的轴压承载力计算公式的基础上,提出影响复合短柱轴压承载力的因素,即约束效应系数,在此基础上结合本次试验的结果,得出基于统一理论的复合短柱轴压承载力的简化计算公式,理论公式计算结果以及简化公式计算结果与试验结果吻合良好。应用数值解法对轴心受压下的FRP与钢管混凝土复合短柱的全过程非线性分析,计算结果与试验结果比较接近,验证了计算方法的合理性。(3)对15根FRP与钢管混凝土复合中长柱进行了轴心受压试验,研究了钢管混凝土柱外围粘贴纤维布后的破坏形态、破坏机理和受力性能。分析了长细比、FRP的种类和FRP粘贴量对复合柱的极限承载力、荷载-挠度关系、荷载-应变关系等方面的影响。试验研究结果表明：FRP与钢管混凝土复合短柱结合了钢管混凝土和纤维布各自的优点,钢管与纤维布能很好地共同工作；复合柱的轴压力学性能得到明显的改善,其极限承载力、延性以及变形能力均优于钢管混凝土柱；长细比越小、FRP粘贴量越多,则复合柱的承载力越高、延性越好。其它参数相同时,GFRP与钢管混凝土复合柱的延性以及材料强度利用率略高于CFRP与钢管混凝土复合柱。(4)在试验研究和理论分析的基础上,建立了FRP与钢管混凝土复合中长柱轴压承载力的实用计算公式,计算结果与试验结果吻合良好。在试验研究的基础上,选取合适的钢材、混凝土及纤维布的本构模型,采用ANSYS有限元软件对FRP-钢管混凝土中长柱轴压性能进行了非线性有限元计算,得到了荷载-挠度曲线和荷载-纵向平均应变曲线,计算结果与试验结果吻合较好,验证了采用ANSYS分析此类结构的适用性。