不同空心率的FRP管-混凝土-钢管组合柱在侧向撞击下的动力性能

发布时间：2016-08-23 07:12

第一章  绪论 

1.1 研究背景 
目前，随着经济的快速发展，人们对建筑结构的期望值也越来越高。为追求建筑功能需求的多元化、建筑结构设计的合理化和建筑经济效益的最佳化的统一，各类不同材料组合而成的特殊结构形式也日益得到科研工作者的青睐，它们主要是混凝土、碳纤维材料（FRP）与钢管和钢筋等组合而成的结构。这些传统组合结构的主要代表有钢管混凝土组合柱[1]、中空夹层钢管混凝土组合柱、FRP 管混凝土组合柱等，它们有着各自的构造形式和力学性能，现已得到广泛的研究和应用。 钢管混凝土柱[2]，即最传统组合结构之一，该结构主要由混凝土和钢管两种基本建筑材料组成，通过将自密实混凝土灌注在钢管内部空心部分中制作形成。最初由于钢管混凝土结构具有强度高、塑形变形好和便于施工等特点而被广泛使用。然而随着对建筑结构要求的不断提高，该传统组合结构柱在承受较大荷载时往往相应提高各材料性能和增加截面尺寸（如提高混凝土和钢材的强度等级、增大相应结构的截面等）来实现其正常工作，这在一方面直接增加了成本。同时，由于钢材普遍存在自身的属性缺陷（如耐久性差和耐火性能一般等），采用该种传统组合结构作为建筑物柱子时必须外钢管采取相应的防锈防腐措施，后期还得进行长期的维护工作，这也从另一方面增加了成本。 中空夹层钢管混凝土组合柱[3-6]，其结构是由同心放置的内部的空心钢管、外部的钢管以及在两管中间填充的混凝土组成。中空夹层钢管混凝土组合柱是在钢管混凝土柱基础上发展的，故它们均具备承载力高、延性好、截面抗弯刚度大（中空夹层钢管混凝土与钢管混凝土相比在同样的自重下，由于截面开展可有更大的横截面，因而抗弯承载力较高。）、抗震性能好和施工方便等优点。同时，该传统组合结构由于其内部是空心的，能节省一部分混凝土用量，从而减轻结构自重。但是作为从钢管混凝土结构进化而来，也同样存在耐久性差和耐火性能一般等问题，这些都直接导致在使用该种结构时经济效益不高。 
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1.2 FRP材料的特点及在工程领域的应用 
纤维增强复合材料[10]（Fiber Reinforced Polymers，简称 FRP）是由基体和纤维按一定的比例混合并经过一定工艺而形成的新型材料。采用不同的工艺可以得到 FRP 片材、筋材和索材、网格材、缠绕型材和手糊制品等。FRP 的工程材料性质优越，有着较高的比强度（即通常所说的轻质高强）、良好的耐腐蚀性、较强的耐疲劳度、沿纤维方向的低热膨胀率和高阻尼等，诸多优点使其在航空、海洋和汽车工业中最早得到快速广泛应用。近二十年来，  FRP 和建筑工程的结合才逐渐被重视，特别是在美国北岭地震后，纤维增强复合材料开始逐渐应用于土木工程领域， 起初主要是用于混凝土结构等工程的加固补强，随着 FRP 具备优良物理力学性能而被快速推广使用，在随后的各类建筑结构中均会看到FRP材料以不同的形式出现。图1-1和图1-2为典型的FRP复合材料成品。 部分新建建筑物和较多已有建筑物由于各种原因使其抗震性能或承载能力不能满足现行设计规范的要求，必须进行加固和修复。在混凝土结构的加固工程中，由于 FRP的抗拉强度是钢筋屈服强度的数倍，且便于施工，因此在工程中主要利用 FRP 的抗拉性能。如在梁、板等结构的受拉面粘贴 FRP 片材，不仅可以增强其抗弯承载力，而且可以有效的控制裂缝宽度；在钢筋混凝土柱的外部环向缠绕 FRP 布，通过对混凝土的约束，使其处于三轴压力状态下，从而增强其强度和变形能力；在梁、柱构件外部粘贴由 FRP布制成的 U 型箍，从而使其抗剪承载力得到增强。在钢结构的加固工程中，由于 FRP的耐久性较好，主要将其用于提高钢结构的疲劳寿命、耐腐蚀性等方面。 
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第二章 FRP 管-混凝土-钢管组合柱在侧向撞击荷载下的试验研究 

2.1引言 
如第一章所述，作为一种新型组合结构，目前对 FRP 管-混凝土-钢管组合柱的研究主要集中在轴压、偏压和纯弯等静力方面的研究，对其在侧向撞击荷载下的动力性能研究甚少。本章对两端固支的 FRP-混凝土-钢管组合柱结构试件进行了侧向撞击试验，该试验在太原理工大学落锤试验机上进行。试验的试件分为 9 组，每组包括 2 根相同的FRP 管-混凝土-钢管组合柱试件。试验主要研究 FRP 管-混凝土-钢管组合柱在侧向撞击荷载下的受力和变形特点，并分析撞击能量、FRP 包裹层数等对 FRP 管-混凝土-钢管组合柱试件在侧向撞击荷载下的力学性能的影响。同时对试件撞击后的撞击力（F）、跨中挠度（Δ）和撞击时间（t）等试验结果进行对比分析。另外，鉴于本章的试验数据，后续的有限元模型验证和相关参数分析等工作才有了坚实的基础。 
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2.2撞击试验基本概况 
本次 FRP-混凝土-钢管组合柱试件的侧向撞击试验在自行研制的 DHR-9401 型落锤式撞击试验机上进行，该试验机位于太原理工大学结构实验室的，将以两端固支的边界条件对试件跨中进行侧向撞击。该试验机主要由钢架、导轨、落锤、试验平台等撞击升降系统和传感器、示波器、高速摄像机等数据采集记录系统共同组成，落锤撞击试验机及试验装置侧视图如图 2-1 所示。该试验机的撞击高度范围较广（0m~13.47m），相应的撞击速度范围为 0 m/s ~15.7m/s，属于低速撞击的范畴，完全能够满足本次试验要求。撞击物的总质量范围较广（2kg ~250kg），可以通过制作不同质量的砝码，并使之相互组合，灵活调整撞击物的总质量，从而充分满足本次试验中的撞击能量要求。本次试验落锤组合质量为 229.8kg；撞击头由铬 15 制成，其底部尺寸为 30mm×80mm，材料硬度较大保证了撞击过程中落锤不变形，并且其内部安装了力传感器。为了达到良好的整体刚度和隔震性能，本试验机试验平台由放置在基础上的 500m 厚的钢平台构成，其垂直部分是带导轨的竖向门式刚架。试验中釆用高速摄像机对整个撞击过程进行录制。  
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第三章  FRP 管-混凝土-钢管组合柱在侧向撞击荷载下有限元计算模型..... 37 
3.1 引言 ........ 37 
3.2 有限元模型概述 .... 37 
3.2.1 材料本构 ...... 37 
3.2.2 单元选取 ...... 40 
3.2.3 定义接触 ...... 41 
3.2.4 边界条件 ...... 41
3.2.5 网格划分 ...... 41
3.2.6 轴力-撞击耦合模型 ..... 42 
3.3  有限元模型验证 ........... 44 
3.4  本章小结 ........ 51 
第四章  FRP 管-混凝土-钢管组合柱在侧向撞击荷载下的影响参数分析 ..... 53
4.1 空心率（χ）对构件抗撞击性能的影响 ....... 53 
4.2 荷载参数对构件抗撞击性能的影响 ..... 56 
4.2.1 撞击能量（E0）的影响 ....... 56 
4.2.2 轴压比（n）的影响 ..... 57 
4.3 本章小结 ......... 60 
第五章   结论与展望 .......... 63 
5.1  结论 ........ 63 
5.2  展望 ........ 64 

第四章 FRP 管-混凝土-钢管组合柱在侧向撞击荷载下的影响参数分析 

本章以第三章建立的有限元模型为基础对影响FRP管-混凝土-钢管柱构件在侧向撞击荷载下力学性能的相关参数进行了分析，这些主要参数包括：空心率（χ）、撞击能量（E0）和轴压比（n）等。为了使本次有限元模拟能够区别于试验工况，在保持FRP为单层不变的条件下，利用有限元计算分析不同的空心率χ（0.3～0.8）和撞击能量E0（0.5k J～1.99k J）及轴压比n（0.2～0.8）等不同荷载参数对新型组合结构FRP管-混凝土-钢管柱抗撞击力学性能的影响。 

4.1 空心率（χ）对构件抗撞击性能的影响 

目前对传统组合结构中空夹层钢管混凝土的研究已经比较完善，虽然本文研究的对象是新型组合结构FRP管-混凝土-钢管柱，但两者之间结构形式完全一致，区别仅在于外管的改变，即新型复合材料FRP管取代传统材料钢管。而陶忠[53]等分别进行中空夹层钢管混凝土轴心受压构件和偏心受压构件的试验研究，最后通过大量的参数分析研究, 求得了中空夹层钢管混凝土这种传统组合结构在轴压、压弯方面的承载力实用验算方法。其中的参数分析之一就是空心率χ，其借助截面示意图的外在表现形式如图 4-1 所示，其计算公式如式（4-1）所示。介于FRP管-混凝土-钢管柱和中空夹层钢管混凝土两者结构形式的一致性，也可采用上述空心率概念来对其进行参数影响分析。 

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结论 

本文为研究两端固定的FRP管-混凝土-钢管组合柱的抗撞力学性能,主要进行了以下三个方面的研究分析工作：首先，在太原理工大学结构实验室进行了不同撞击能量下和不同FRP包裹层数下FRP管-混凝土-钢管组合柱试件的落锤撞击试验；其次，利用ABAQUS有限元软件建立了FRP管-混凝土-钢管组合柱在侧向撞击下的有限元模型，并对该模型的有效性进行了验证，同时在此基础之上建立了轴力-撞击耦合模型；最后，在验证有限元模型有效性的基础上，，利用该模型建立了不同参数下的有限元模拟计算并分析了各参数分别对FRP管-混凝土-钢管组合柱抗撞性能的影响。 本文的主要得到如下结论： 
1、以撞击能量和FRP包裹层数作为主要变化参数进行了FRP管-混凝土-钢管组合柱结构的撞击试验研究。试验结果表明,FRP-混凝土-钢管组合柱试件在遭受撞击后，撞击力会迅速达到峰值。同时，当撞击能量增大时，撞击周期明显变长；撞击力峰值显著增大；而撞击力平台值几乎保持不变（仅因材料应变率的提高而导致材料强度略有增加）。在相同的撞击能量下，不同FRP包裹层数的试件的撞击力平台值和撞击时间几乎保持不变；不同FRP包裹层数的试件最终的跨中极限挠度值和跨中挠度平台值也几乎不变。结合以上变化规律可知，在FRP-混凝土-钢管组合柱遭受恒定的侧向撞击烈度（即保持撞击能量不变）的条件下，单纯的通过增加FRP包裹层数并不能有效改善该结构的抗撞性能。 
2、在考虑了钢材、混凝土等材料的应变率效应和不同部件界面的接触属性等前提下，采用ABAQUS有限元软件建立了两端固定FRP管-混凝土-钢管柱试件在侧向撞击作用下的有限元计算模型。随后利用试验结果对该有限元模型的计算结果进行了验证,验证内容包括试件的破坏形态（整体破坏形态和局部破坏形态）、撞击力（F）时程曲线和跨中挠度(Δ)时程曲线。验证结果表明,本次建立的有限元模型具有较高的可靠度，能够较好地模拟FRP管-混凝土-钢管柱试件在撞击荷载下的抗撞力学性能。同时，建立了轴力-撞击耦合的有限元模型。
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参考文献(略)

本文编号：100733