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FRP约束钢管混凝土柱承载力研究

作　者: 樊晶
导　师: 郑宏
学　校: 长安大学
专　业: 结构工程
关键词: FRP约束钢管混凝土柱极限承载力第四强度理论破坏准则极限平衡理论有限元分析
分类号: TU398.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer,简写为FRP）以其特有的轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳和易加工等优点,被越来越广泛地应用于各类工业与民用建筑、桥梁、海岸与近海、地下工程以及特种结构之中。在钢管混凝土柱外包FRP材料,形成FRP约束钢管混凝土组合柱。利用FRP约束钢管混凝土,不仅可提高钢管混凝土的承载力,还可以解决FRP筒塑性不足,减轻构件自重,在一定程度上解决钢管的腐蚀问题。因此,FRP约束钢管混凝土组合柱应用前景较好。本文主要研究FRP约束钢管混凝土柱的极限承载力。首先,应用第四强度理论和三向应力状态下混凝土的破坏准则得出了FRP约束钢管混凝土轴心受压柱的承载力计算公式,分析了影响承载力的各种因素,将计算结果与文献试验结果对比吻合较好,从而验证了理论公式的正确性和可行性。（1）通过本文的计算结果可以看出采用第四强度理和三向应力状态下混凝土的破坏准则计算的理论结果与文献资料结果误差较小,说明第四强度理论和三向应力状态下混凝土的破坏准则对于FRP约束钢管混凝土轴心受压柱的计算合理。（2）将FRP约束钢管混凝土柱与其相对应的钢管混凝土柱的极限承载力对比可知,影响极限承载力及其提高率的主要因素是核心混凝土的强度、钢材强度以及纤维层数与种类。FRP约束钢管混凝土轴心受压柱的极限承载力随着核心混凝土的强度等级的提高而提高;与相应的钢管混凝土柱相比,核心混凝土的强度等级越高,其轴心受压时的极限承载力的提高率反而降低;FRP约束钢管混凝土轴心受压柱的极限承载力随着钢材强度的提高而提高（钢管壁厚不变）;与相应的钢管混凝土柱相比,钢材的强度越高,其轴心受压时的极限承载力的提高率反而降低;并且对于采用同一钢材的FRP约束钢管混凝土柱而言,所采用的钢管壁越厚,其轴心受压时的极限承载力的提高率亦反而降低;FRP约束钢管混凝土柱与相应的钢管混凝土柱相比,纤维层数越多,其轴心受压时的极限承载力的提高率相应提高;并且对于缠绕相同层数的FRP材料而言,其极限承载力的提高率随FRP材料的抗拉强度的提高亦得到提高;FRP约束钢管混凝土柱与相应的钢管混凝土柱相比,极限承载力的提高率随着纤维与钢管的约束系数之比即ξ_cf/ξ_s值的增大而增大,即当钢管混凝土柱外包裹的纤维层数与种类完全相同时,其极限承载力的提高率随着钢管约束效应的减小而增大。（3）由极限平衡理论推导出的FRP约束钢管混凝土轴压柱的极限承载力公式与试验实测的极限承载力较为接近,说明极限平衡理论对于FRP约束钢管混凝土轴心受压柱的计算合理。其次,在总结前人研究的基础上,利用大型有限元软件ANSYS9.0的强大分析功能,对FRP约束钢管混凝土柱进行了三维模拟,对纤维采用理想线弹性本构关系,对钢管采用Von Mises屈服准则和等向强化的本构关系,对核心混凝土采用Willam-Warnker五参数破坏准则和弹塑性本构关系,通过合理的单元选取、划分网格和加载方法,较为精确地分析了FRP约束钢管混凝土柱的极限荷载和受力机理。通过ANSYS分析得出:（1）FRP约束钢管混凝土柱在达到极限荷载时,核心混凝土被压碎,钢管基本已经达到了其屈服强度,部分的纤维达到了其抗拉强度,此部分的纤维亦被拉断;（2）从本文荷载——位移曲线中体现了在极限荷载时,FRP约束钢管混凝土柱与其相应的钢管混凝土柱相比,其不仅极限承载力得到了提高,而且在达到极限承载力时,对应的位移也有所增大,充分发挥了其对核心混凝土的套箍约束作用,提高了构件的延性。对于钢管混凝土柱达到极限承载力后,其承载力变化不大,仍具有一定的塑性;而对于FRP约束钢管混凝土柱而言,在其达到极限承载力之后,承载能力迅速降低,并且降低速度随纤维层数的增加而增大,说明此时构件的塑性性能较钢管混凝土的明显降低,即FRP约束钢管混凝土柱随着纤维层数的增加其脆性破坏也越明显。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-22
  1.1 钢管混凝土的发展概况  12-13
  1.2 FRP约束钢管混凝土的提出  13-15
  1.3 FRP在土木工程中的应用概况  15-17
    1.3.1 FRP在土木工程中应用的优点  15-16
    1.3.2 FRP在土木工程中的应用  16-17
  1.4 FRP约束钢管混凝土及相关结构体系的研究  17-19
    1.4.1 钢管混凝土的研究  17-18
    1.4.2 FRP约束混凝土柱的研究状况  18
    1.4.3 FRP约束钢管混凝土的研究状况  18-19
  1.5 本文研究的主要内容  19-22
第二章 FRP约束钢管混凝土柱的极限承载力分析  22-58
  2.1 钢管混凝土的受力性能  22-24
  2.2 FRP约束钢管混凝土的工作机理  24-27
  2.3 FRP约束钢管混凝土柱承载力公式推导1  27-38
    2.3.1 概述  27-28
    2.3.2 三向受压混凝土的破坏准则方程  28-31
    2.3.3 第四强度理论  31-32
    2.3.4 FRP约束钢管混凝土柱的极限承载力公式推导  32-37
    2.3.5 试验验证  37-38
  2.4 FRP约束钢管混凝土柱承载力公式推导2  38-49
    2.4.1 极限平衡理论  38-41
    2.4.2 计算假定  41-43
    2.4.3 FRP约束钢管混凝土柱承载力公式推导  43-48
    2.4.4 试验验证  48-49
  2.5 承载力影响因素分析  49-55
    2.5.1 混凝土强度等级的影响  49-51
    2.5.2 钢材的影响  51-53
    2.5.3 纤维层数和纤维强度的影响  53-55
  2.6 结论  55-58
第三章 ANSYS有限元分析的基本概念  58-70
  3.1 数值模拟技术的工程应用简介  58-59
  3.2 ANSYS有限元软件简介  59-61
  3.3 非线性分析在ANSYS程序中的实现  61-66
    3.3.1 几何非线性  61-62
    3.3.2 材料非线性  62-65
    3.3.3 ANSYS中定义塑性材料的方法  65-66
  3.4 非线性方程组的求解方法  66-70
    3.4.1 增量法  66-67
    3.4.2 迭代法  67-68
    3.4.3 混合法  68
    3.4.4 负刚度的处理  68-70
第四章 FRP约束钢管混凝土柱的有限元分析  70-94
  4.1 引言  70
  4.2 核心混凝土的材料模型  70-79
    4.2.1 核心混凝土的本构关系  70-72
    4.2.2 混凝土单元  72-79
  4.3 钢材的材料模型  79-85
    4.3.1 钢材的本构关系  79-84
    4.3.2 钢管单元  84-85
  4.4 纤维的材料模型  85-87
    4.4.1 纤维材料的本构关系  85-86
    4.4.2 纤维单元  86-87
  4.5 各种材料之间的粘结  87
  4.6 FRP约束钢管混凝土柱有限元分析  87-91
    4.6.1 有限元模型的建立  87-88
    4.6.2 边界约束和加载  88-89
    4.6.3 求解及后处理  89
    4.6.4 计算结果分析  89-91
  4.7 本章小结  91-94
第五章结论与展望  94-98
  5.1 本文的主要结论  94-96
    5.1.1 理论分析结论  94-95
    5.1.2 有限元分析结论  95-96
  5.2 今后工作的展望  96-98
参考文献  98-103
攻读硕士期间的研究成果  103-104
致谢  104

FRP约束钢管混凝土柱承载力研究

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