GFRP-钢管混凝土构件抗震性能研究

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GFRP (glass fiber reinforced polymer)-钢管混凝土是在钢管内填充混凝土,外部缠绕GFRP片材而形成的一种组合结构,与CFRP (carbon fiber reinforced polymer)-钢管混凝土相比,其整体延性更好,造价更低。为了研究低周循环往复荷载作用下GFRP-钢管混凝土构件的力学性能以及对比CFRP-钢管混凝土构件的性能差异,对七个尺寸相同而加固方式不同的圆形截面FRP (GFRP、CFRP)钢管混凝土试件进行了拟静力试验研究,荷载采用轴压、双向弯曲的组合来模拟地震动力。研究结果表明,试件的动力学响应与FRP的种类与加固方式有密切关系;与CFRP相比,GFRP加固更能有效提高试件的耗能能力,减缓试件刚度退化速度;虽然GFRP片材的极限强度低于CFRP,但是由于良好的延伸性能,使其能够与钢管混凝土更好的协同工作,是一种理想的钢管混凝土结构抗震加固材料。与普通钢管混凝土相比,包裹环向,纵向和双向包裹的GFRP-钢管混凝土构件承载力分别提高10%,25%和27%,等效粘滞阻尼系数提高2.0%,7.0%和12.7%,CFRP-钢管混凝土承载力分别提高5%,12%,13%,等效粘滞阻尼系数提高2.0%,5.8%和6.7%,试件耗能能力得到增强。为了弥补试验中试件数量和试验条件的不足,利用大型有限元软件ABAQUS分别对GFRP-钢管混凝土、CFRP-钢管混凝土拟静力试验进行数值模拟,在通过与试验结果对比,验证有限元模型可行性的基础上,对试验开展了延拓分析,揭示出FRP包裹层数、轴压比以及含钢率等因素对试件滞回性能的影响:相同轴压比下,随着纵向FRP包裹层数的增加,试件抗震性能提高,与普通钢管混凝土试件相比,包裹三层纵向GFRP的试件承载力提高31.7%,包裹三层纵向CFRP的试件承载力提高27.9%,相应耗能能力提升,抗震性能得到改善;在相同FRP包裹层数下,轴压比越大,每级加载时构件极限荷载出现时间提前,而后期刚度退化愈加严重;随着截面含钢率的增加构件的耗能系数呈非线性增长,试件滞回曲线形态趋于饱满,抗震性能增强。在现有钢管混凝土滞回数学模型基础上提出FRP-钢管混凝土滞回曲线数学模型,考虑了FRP包裹层数、FRP种类、轴压比等因素对构件滞回性能的影响,通过与试验、ABAQUS模拟结果的比较,证明了数学模型建立的合理性,为FRP-钢管混凝土这一新型结构抗震性能更深层次的理论研究提供依据。
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