CFRP约束钢管高强混凝土柱的约束机理与设计方法研究

钢管高强混凝土结构技术是解决钢筋混凝土高层建筑“胖柱”问题和增大桥梁结构跨越能力经济而有效的措施，但是采用高强混凝土会使钢管混凝土柱的脆性增大，而高强薄壁钢管的应用会导致钢管局部稳定问题变得突出。基于上述工程背景，本文结合目前对钢管高强混凝土柱与CFRP钢管普通混凝土研究的现状进行分析与比较，开展了一系列实验与理论研究。 （1）完成了6个CFRP圆钢管普通混凝土短柱和6个CFRP圆钢管高强混凝土短柱轴心受压的对比试验，研究了径厚比、混凝土强度、CFRP层数等参数对试验结果的影响。研究结果表明，当径厚比较大时，即钢管为薄壁时，CFRP圆钢管高强混凝土短柱和CFRP圆钢管普通混凝土短柱通常出现剪切破坏，CFRP套箍指数对CFRP圆钢管高强混凝土短柱和CFRP圆钢管普通混凝土短柱轴压极限承载力的影响区别比较大。 (2) 在钢管混凝土柱的试验研究基础上，进行了7根CFRP约束圆钢管混凝土柱的抗震试验。通过对试件破坏形态、滞回性能、骨架曲线、退化性能、耗能能力等性能指标的对比，分析了不同的约束方法对改善钢管混凝土受力机理及抗震性能的差异。研究结果表明本文介绍的带缓冲垫层的双向约束方法能够提高碳纤维的整体约束效果，增大塑性铰区的工作范围，提高构件的变形性能。 (3) 采用ABAQUS有限元软件建立了CFRP约束钢管混凝土柱的精细化有限元模型，考虑了不同材料(钢管，核心混凝土和CFRP)在往复荷载作用下的本构关系模型，材料与几何非线性，以及不同材料之间的接触关系。通过与已有试验的对比，验证了模型在模拟CFRP约束钢管混凝土柱在轴压与抗震性能方面的适用性。 (4) 结合本项目试件和工程实际尺寸，建立了典型往复荷载作用下的CFRP约束钢管混凝土柱的精细化有限元模型。对其破坏形态、受力全过程曲线、材料应力分布(钢材、混凝土和CFRP)以及不同材料的接触关系进行了分析。 (5) 提出了不同轴压比作用下CFRP约束对钢管混凝土柱承载力和延性的提高系数，并建议了其荷载—位移骨架曲线模型。以CFRP约束效应系数和轴压比为参数，建议了CFRP约束钢管混凝土柱的荷载—位移滞回曲线模型。以承载能力和延性为设计目标，给出了CFRP约束钢管混凝土柱的构造建议。 2100433B

钢管高强混凝土结构技术是解决钢筋混凝土高层建筑胖柱问题和增大桥梁结构跨越能力的经济而有效的措施，在高层建筑与大跨桥梁工程中得到了卓有成效的应用。但采用高强混凝土会使钢管混凝土柱的脆性增大，而高强薄壁钢管的应用会导致钢管局部稳定问题变得突出。基于上述工程背景，本项目重点研究CFRP约束钢管高强混凝土柱的力学性能和工作机理。本项目拟发挥硅压阻式压力计的优势，提出基于核心混凝土轴向应力与约束应力的测试新方法，建立核心混凝土被动约束模型，揭示钢管约束延迟核心混凝土出现剪切滑移破坏的机理。通过轴心受压试验揭示CFRP约束钢管高强混凝土的约束机理，建立CFRP约束参数与套箍率的数学关系，确定破坏模态转化的临界值。进行压弯试验，揭示CFRP对钢管高强混凝土压弯构件的约束机理，获得CFRP约束对提高承载力和延性的规律。提出基于性能的CFRP约束钢管高强混凝土的分析与设计方法用于指导工程实践。

本书系统地阐述了作者在钢管约束混凝土柱，钢管约束钢筋混凝土柱，钢管约束型钢混凝土柱的理论、试验方法和设计方法方面的创新性研究成果，并给出了这种新型构件的典型工程应用实例。内容主要包括：钢管约束混凝土轴压短柱的力学性能；钢管约束钢筋混凝土框架柱和钢管约束型钢混凝土框架柱的滞回性能；各类钢管约束混凝土柱的承载力计算方法、构造与设计方法；钢管约束混凝土柱的五个典型工程应用情况。

本书可供土木工程专业的高年级本科生、研究生、教师、科研人员和工程技术人员参考。

钢管约束钢筋混凝土柱具有承载力高、抗震性能好、节点构造简单等优点，在高层建筑与大跨空间结构中得到了应用。目前国内外尚无关于方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能的研究，更无设计规范或规程可供参考。因受力特点不同，方钢管约束钢筋混凝土柱不能套用钢筋混凝土柱或钢管混凝土柱的抗火研究成果。因此对方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能开展了试验研究与理论分析，并提出了相应的抗火设计方法。首先进行了方钢管约束钢筋混凝土柱足尺明火试验，实测了标准火灾作用下构件截面关键测点温度、轴向变形、柱顶转角、侧向变形、耐火极限和破坏模式，获得了荷载比和偏心距对火灾下构件变形和耐火极限的影响规律。建立了方钢管约束钢筋混凝土柱温度场和耐火极限的有限元分析模型，分析了荷载比、截面尺寸、偏心率等参数对温度场和耐火极限的影响规律，提出了标准火灾作用下钢管、钢筋与混凝土温度的计算方法与耐火极限的计算方法。实际结构中受火柱受到相邻构件的约束，受力机理和抗火性能与单体构件显著不同，因此分析了端部轴向约束与转动约束作用对构件抗火性能的影响。获得了轴向约束刚度比和转动约束刚度比对构件耐火极限的影响规律，提出了火灾下构件计算长度计算公式，以及考虑端部约束的方钢管约束钢筋混凝土柱抗火设计方法。本项目揭示了火灾下方钢管约束钢筋混凝土柱的工作机理，建立了方钢管约束钢筋混凝土柱的抗火设计方法，为该类构件的防火设计奠定了基础，进一步完善了钢管约束钢筋混凝土柱的设计理论。 2100433B

钢管约束钢筋混凝土柱具有承载力高、抗震性能好、节点构造简单等优点，在高层建筑与大跨空间结构中得到应用。目前国内外尚无关于方钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能的研究，更无设计规范或规程可供参考。因受力特点不同，方钢管约束钢筋混凝土柱不能套用钢筋混凝土柱或钢管混凝土柱的抗火研究成果。因此，应对其抗火性能展开研究。此外，相关研究表明，实际结构中受火柱受到相邻构件的约束，受力机理和抗火性能与单体构件显著不同，有必要考虑端部约束作用。为此，本项目将以方钢管约束钢筋混凝土柱为研究对象，采用试验研究与理论分析相结合的方式，重点研究火灾下无端部约束构件的温度、变形与耐火极限，并提出抗火设计方法；在此基础上，引入端部约束作用，分析其对火灾下方钢管约束钢筋混凝土柱受力机理与耐火极限的影响，提出可考虑端部约束作用的抗火设计建议。本项目的研究成果将进一步完善钢管约束钢筋混凝土柱的抗火设计理论，促进该类构件的应用与发展。