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研究生毕业论文论文题目FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱轴压性能研究姓名王长诚专业领域地质工程研究方向再生混凝土应用指导老师杨泽平梁炯丰2015年6月20日 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示感谢。作者签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解东华理工大学有关保留、使用学位论文的规定：东华理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。作者签名：导师签名：日期：年月日论文答辩日期：年月日 摘要论文题目：FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱轴压性能研究地质工程（领域）专业2012级硕士生姓名：王长诚指导教师（姓名、职称）：杨泽平（副教授）梁炯丰（副教授）摘要近几年，国家大力发展基础设施建设，房地产行业也迅猛发展，相应的旧建筑大量拆除，这些将产生大量的建筑垃圾，这些建筑垃圾对我们生活的自然环境产生严重的影响。另一方面，新建将需要大量的建筑材料，但是河砂、砾石、淡水等资源是不可再生资源。如何合理地处理这些废弃建筑材料，达到循环再利用的目的，缓解砂石和其他自然资源的需求，满足可持续发展，受到越来越多学者和工程师们的关注。近年来，科研人员陆续开展了一些再生建筑材料的专题研究，特别是在再生混凝土方面的研究尤为突出。通过对废弃建筑垃圾进行破碎加工，生产出配置混凝土所需要的粗细骨料。但在研究中，人们发现再生骨料存在许多不足之处，比如：它的力学性能较差，变异性很大，拌合成的再生混凝土强度也很低。为了使这些废弃混凝土的使用更有效，实现对其力学性能和经济性最大化。许多学者认为通过使用组合结构原理，即把再生混凝土灌入一定大小的钢管中并振捣密实，形成钢管再生混凝土，通过该方法，利用钢材抗拉强度大和混凝土抗压强度好的优势，可以提高混凝土的力学性能，全面发挥混凝土和钢材的协作性。通过工程应用和实验室的大量研究，人们发现这种结构形式的局限性。例如：在进一步增加荷载，而结构的受力面积不可相应地增加，需要加大钢管壁厚来实现承载能力的需求，这样导致项目成本提高，另外其抗腐蚀性能、防火、抗地震作用有限。所以科研人员考虑是否存合适的方法，既能满足构件荷载要求，又不改变原构件外观形状，并且成本较低还弥补钢材多方面缺陷的方法？基于此设想，科研人员通过在钢管混凝土外面包裹FRP材料，利用FRP材料具有高强的抗拉性能来约束构件的横向应变，增加组合构件的承载力，起到增强作用。FRP约束钢管再生混凝土是在钢管外缠绕FRP材料，利用钢管和FRP材料对核心混凝土的双重约束，从而提高构件的承载力。因此，本文通过实验研究，理论分析及有限元分析，对FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱轴压性能进行研究，分析了再生混凝土取代率，组合柱的长细比，FRP包裹层数和包裹方式等因素对该新型柱力学性能的影响。关键词：FRP钢管再生混凝土柱，极限承载力，有限元分析I ABSTRACTTHESIS：FRPconstrainedthin-wallroundsteeltuberecycledconcretelongcolumnsunderaxialcompressionstressperformanceresearchSPECIALIZATION:GeologicalEngineeringPOSTGRADUATE:WangchangchengMENTOR:YangzepingLiangjiongfengABSTRACTInrecentyears,therapiddevelopmentofinfrastructureconstruction,therealestateindustryisdevelopingrapidly,alotoftheoldcitydemolition,whichwillproducealargeamountofconstructionwaste,hasaseriousimpactonthenaturalenvironmentthatwelivein.Theuseofriversand,gravel,waterresourcesislimited,resultinginlackofbuildingmaterials.Howtodealwiththesewastematerials,makesitagainasabuildingmaterial,sandandothernaturalresourcestoeasethedemand,tomeettherequirementsofsustainabledevelopment.Scholarsandengineershavepayedmoreandmoreattentiononit.Inrecentyears,researchershavecarriedoutstudiesonregenerationofbuildingmaterials.Especiallyinthestudyofrecycledconcreteisparticularlyprominent.Throughtheconstructionwastecrushingprocessingwaste,producestheconfigurationofthethicknessofaggregateconcrete.Butinthestudy,peoplehavefoundmanyshortcomings,suchasthemechanicalpropertiesofrecycledconcreteisworse,thelargervariabilityofthestrengthofconcrete,strengthofmixingrecycledconcreteisalsolower.Inordertousethesewasteconcreteeffectively,realizethemaximizationofthemechanicalpropertiesandeconomy.Manyscholarsbelievethattheuseofcompositestructures,therecycledaggregateconcretefilledintosteeltubeandthenstirringandvibratingcompaction,theformationofrecycledconcretesteeltube.Throughthismethod,theadvantageofsteeltensilestrengthandcompressionstrengthofconcrete,canimprovethemechanicalpropertiesofconcrete,thefullcooperationofconcreteandsteel.Inengineeringapplicationandalotofresearchinthelaboratory,thelimitationsofstructuralstyleisfound.Forexample:inthefurthertheincreasingloadonthestructure,bondingthestructureoftheloadingareacannotbeincreasedaccordingly,needthickersteelwallthicknesstoachievethedemandofbearingcapacity.Soastoimprovetheprojectcost,corrosionresistance,fireprotection,earthquakearelimited.Soresearchersconsiderwhetherthereisanewtypeoftechnology,bothcansatisfytherequirementofloadcomponents,anddonotchangetheoriginalappearanceshape,andlowercostbutalsomakeupforsteelofIII 东华理工大学硕士学位论文variousdefectsmethod?Onthisbasis,theresearchersintheconcretefilledsteeltubeiscoatedwithFRPFRPmaterial,makingtheuseofthetensilestrengthofthematerialfeatures,constraintofthelateraldeformationofcompositecolumn,increasingthebearingcapacityofcompositecolumns,playingtheroleofreinforcement.FRPofrecycledaggregateconcretecolumnfilledsteeltubeiswoundFRPmaterialoutsideofsteelpipe,MaketheuseofsteeltubeandFRPconstraintonthecoreconcrete,soastoimprovethebearingcapacityofmemberinthethreeaxialcompression.SothisarticlemainlystudiesFRPparcelthin-wallroundsteeltuberecycledconcretelongcolumnsunderaxialcompressionstressperformanceresearch.Therefore,basedontheexperimentalresearch,theoreticalanalysisandfiniteelementanalysis,theconstraintsonFRPthin-wallroundsteeltuberecycledconcretelongcolumnsaxialcompressionperformancearestudied.Analysisoftherecycledconcretereplacementratio,thelengthofcolumn，theFRPlayernumberofpackagesandpackagemethodfortheinfluenceoffactorsontheexperimentonthemechanicalproperties.Keywords:FRPsteeltubeconcretecolumn,ultimatebearingcapacity,finiteelementanalysisIV 目录目录摘要......................................................................................................................................IABSTRACT.............................................................................................................................III目录....................................................................................................................................V图表目录.................................................................................................................................IX1绪论........................................................................................................................................11.1研究的背景和现状.....................................................................................................11.2研究的内容................................................................................................................21.2.1再生骨料..........................................................................................................21.2.2再生混凝土......................................................................................................31.2.3再生混凝土构件的研究..................................................................................31.2.4FRP材料特点和应用......................................................................................41.3FRP钢管再生混凝土性能.........................................................................................51.3.1FRP钢管再生混凝土的概念..........................................................................51.3.2FRP钢管再生混凝土柱的优点......................................................................61.4本章小结.....................................................................................................................62FRP约束钢管再生混凝土长柱的设计和制作工艺............................................................72.1本章概述....................................................................................................................72.2对试件影响因素的分析和参数的设计....................................................................72.3FRP钢管再生混凝土的施工工艺.............................................................................92.3.1材料的准备.....................................................................................................92.3.2钢管的制作...................................................................................................92.3.3再生混凝土的制作、浇筑和养护................................................................92.3.4应变片的粘贴及工作性能的测定...............................................................102.3.5FRP加固材料的粘贴....................................................................................102.3.6FRP材料表面粘贴应变片并测定其工作性能............................................102.4本章总结...................................................................................................................113FRP约束钢管再生混凝土长柱的实验研究......................................................................133.1本章概述...................................................................................................................133.2加载设备和试验过程...............................................................................................133.3FRP约束钢管再生混凝土长柱试验过程...............................................................143.3.1FC-1柱破坏过程...........................................................................................143.3.2FC-2柱破坏过程...........................................................................................153.3.3FC-3柱破坏过程...........................................................................................153.3.4FC-4柱破坏过程...........................................................................................153.3.5FC-5柱破坏过程...........................................................................................16V 东华理工大学硕士学位论文3.3.6FC-6柱破坏过程............................................................................................163.3.7FC-7柱破坏过程............................................................................................173.3.8FC-8柱破坏过程............................................................................................173.3.9FC-9柱破坏过程............................................................................................183.4试件的荷载—位移....................................................................................................193.4.1FRP钢管再生混凝土长柱的取代率对荷载的影响.....................................193.4.2FRP钢管长柱的包裹层数对荷载的影响.....................................................193.4.3FRP包裹方式的影响...................................................................................213.4.4长细比的影响.................................................................................................223.5荷载—位移曲线分析................................................................................................223.6荷载—应变曲线.......................................................................................................233.6.1FC-1长柱的荷载—应变曲线........................................................................243.6.2FC-2长柱的荷载—应变曲线........................................................................253.6.3FC-3长柱的荷载—应变曲线........................................................................263.6.4FC-4长柱的荷载—应变曲线........................................................................273.6.5FC-5长柱的荷载—应变曲线........................................................................283.6.6FC-6长柱的荷载—应变曲线........................................................................293.6.7FC-7长柱的荷载—应变曲线........................................................................303.6.8FC-8长柱的荷载—应变曲线........................................................................313.6.9FC-9长柱的荷载—应变曲线........................................................................323.7本章小结...................................................................................................................334FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析...................................................364.1钢管再生混凝土的受力机理....................................................................................364.2FRP约束钢管再生混凝土的工作机理....................................................................384.3FRP约束钢管再生混凝土长柱承载力公式推导方法I.........................................394.3.1概述................................................................................................................394.3.2核心混凝土受三向应力作用下的破坏准则方程.........................................404.3.3第四强度理论的概念.....................................................................................434.3.4FRP约束钢管再生混凝土长柱的承载力公式推导.....................................434.4FRP约束钢管再生混凝土长柱承载力公式推导方法II........................................494.4.1两种计算构件极限承载力计算的方法.........................................................494.4.2计算假定.........................................................................................................504.4.3FRP约束薄壁钢管再生混凝土长柱承载力公式推导.................................524.5本章小结.................................................................................................................575FRP约束钢管再生混凝土长柱的有限元分析...................................................................585.1引言............................................................................................................................585.2核心混凝土的材料模型............................................................................................58VI 目录5.2.1组合结构的几种本构关系............................................................................585.2.2混凝土单元....................................................................................................595.3钢材的材料模型.......................................................................................................655.3.1圆钢管的本构关系........................................................................................655.3.2钢管单元类型................................................................................................695.4FRP纤维的材料模型...............................................................................................705.4.1纤维材料的本构关系...................................................................................705.4.2FRP纤维单元................................................................................................715.5各种材料之间的粘结..............................................................................................715.6FRP约束钢管再生混凝土长柱有限元计算过程...................................................715.6.1建立FRP组合柱有限元模型.......................................................................715.6.2边界约束和加载...........................................................................................725.6.3求解及后处理................................................................................................735.6.4计算结果分析...............................................................................................735.7本章小结................................................................................................................756结论与展望.........................................................................................................................756.1本文的结论..............................................................................................................756.2展望..........................................................................................................................76参考文献.................................................................................................................................79VII 图表目录图表目录图1.1粗骨料的来源与加工…………………………………………………………………………………………………………2图2.1间隔包裹………………………………………………………………………………………………………………………………7图2.2连续包裹………………………………………………………………………………………………………………………………7图2.3加工完成的钢管…………………………………………………………………………………………………………………9图2.4应变片的粘贴和测试…………………………………………………………………………………………………………9图2.5钢管表面应变片粘贴法…………………………………………………………………………………………………10图2.6FRP材料………………………………………………………………………………………………………………………………10图2.7FRP表面应变片粘贴法………………………………………………………………………………………………………11图3.1应变片编号…………………………………………………………………………………………………………………………12图3.2试验加载装置……………………………………………………………………………………………………………………13图3.3FC-1柱破坏过程图…………………………………………………………………………………………………………13图3.4FC-2柱破坏过程图…………………………………………………………………………………………………………14图3.5FC-3柱破坏过程图…………………………………………………………………………………………………………14图3.6FC-4柱破坏过程图…………………………………………………………………………………………………………15图3.7FC-5柱破坏过程图…………………………………………………………………………………………………………15图3.8FC-6柱破坏过程图…………………………………………………………………………………………………………15图3.9FC-7柱破坏过程图…………………………………………………………………………………………………………16图3.10FC-8柱破坏过程图…………………………………………………………………………………………………………16图3.11FC-9柱破坏过程图…………………………………………………………………………………………………………17图3.129根长柱破坏图…………………………………………………………………………………………………………17图3.13粗骨料取代率的影响………………………………………………………………………………………………………18图3.14FRP包裹层数对荷载的影响…………………………………………………………………………………………19图3.15FRP包裹方式对荷载的影响…………………………………………………………………………………………19图3.16长细比对荷载的影响……………………………………………………………………………………………………20图3.17FC-1碳纤维荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………22图3.18FC-1柱荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………………22图3.19FC-2碳纤维荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………23图3.20FC-2柱荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………………23图3.21FC-3碳纤维荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………24图3.22FC-3柱荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………………24图3.23FC-4碳纤维荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………25图3.24FC-4柱荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………………25图3.25FC-5碳纤维荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………26图3.26FC-5柱荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………………26图3.27FC-6碳纤维荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………27IX 东华理工大学硕士学位论文图3.28FC-1柱荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………………27图3.29FC-7碳纤维荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………28图3.30FC-7柱荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………………28图3.31FC-8碳纤维荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………29图3.32FC-8柱荷载—应变曲线…………………………………………………………………………………………………29图3.33FC-9碳纤维荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………30图3.34FC-9碳纤维荷载—应变曲线………………………………………………………………………………………30图3.35FC-9柱荷载—应变曲线…………………………………………………………………………………………………31图4.1钢管和混凝土三向受力图………………………………………………………………………………………………33图4.2紧箍力的分布……………………………………………………………………………………………………………………34图4.3钢材的关系……………………………………………………………………………………………………………34ii图4.4核心混凝土的关系………………………………………………………………………………………………34cc图4.5FRP约束钢管再生混凝土的应力状态…………………………………………………………………………35图4.6坐标系示意图……………………………………………………………………………………………………………………37图4.7纤维受力图………………………………………………………………………………………………………………………40图4.8钢管单元应力图…………………………………………………………………………………………………………………41图4.9钢管受力图…………………………………………………………………………………………………………………………42图4.10核心混凝土单元应力图…………………………………………………………………………………………………43图4.11结构和原件………………………………………………………………………………………………………………………46图4.12承载力界限………………………………………………………………………………………………………………………46图4.13核心再生混凝土受力关系图………………………………………………………………………………………47图5.1核心混凝土的应力—应变关系………………………………………………………………………………………55图5.2SOLID65的几何模型图……………………………………………………………………………………………………55图5.3混凝土的开裂处理…………………………………………………………………………………………………………56图5.4混凝土空间破坏面…………………………………………………………………………………………………………59图5.5混凝土的子午线………………………………………………………………………………………………………………59图5.6钢材的应力-应变关系模型……………………………………………………………………………………………62图5.7钢管应力应变曲线…………………………………………………………………………………………………………65图5.8SOLID45的几何模型……………………………………………………………………………………………………66图5.9FRP受拉时候的应力-应变关系…………………………………………………………………………………67图5.10SHELL41几何模型………………………………………………………………………………………………………67图5.11FC1-1试件几何模型………………………………………………………………………………………………………68图5.12FRP网格划分模型……………………………………………………………………………………………………………68图5.13钢管网格划分模型…………………………………………………………………………………………………………68图5.14核心混凝土网格划分模型……………………………………………………………………………………………68图5.15节点耦合放大图………………………………………………………………………………………………………………69图5.16约束及加载的单元模型…………………………………………………………………………………………………69X 图表目录图5.17混凝土轴向应力云图………………………………………………………………………………………………………70图5.18钢管等效应力云图…………………………………………………………………………………………………………70图5.19纤维环向应力云图…………………………………………………………………………………………………………71表1.1常用FRP材料的主要参数…………………………………………………………………………………………………4表2.1FRP约束钢管再生混凝土长柱的设计表………………………………………………………………………8表2.2C30再生混凝土实验配合比参数表…………………………………………………………………………………8表4.1极限承载力实测值与计算值的对比表…………………………………………………………………………45表4.2极限承载力实测值与计算值的对比表…………………………………………………………………………53表5.1数据对比表………………………………………………………………………………………………………………………69XI 第1章绪论1绪论我国经济在迅猛发展，相应的基础设施建设和房地产行业也飞速发展。这就需要拆除原有的建筑，并大量新建建筑，拆除废旧建筑形成大量的垃圾，新建又需要大量建材，[1]会造成环境污染，资源浪费，而新建所需的材料又是不可再生资源。因此，将废弃混凝土和新建所需的建材相应结合起来，具体的处理方法已逐渐成为建筑行业和学术界共同关注的难题。假如把废弃建筑垃圾经加工处理来代替天然骨料，降低天然骨料的消耗，[2]满足可持续发展的资源，实现回收再利用的主要方法。该方法的意义很重大，很有研究价值。一般来说，用再生骨料拌合的混凝土强度要比普通的低，如何解决这个问题？科研人员经过研究发现，如果对再生混凝土采用钢管约束，通过钢管来约束核心混凝土的横向应变，不仅提高核心混凝土的抗压强度，而且快速便捷的施工技术，以及解决模板支护的问题。但是钢管耐腐蚀、防火性能差。而且如果应力增加很大，那么所需的钢管和核心混凝土的抗压强度也需要进一步提高，这样就增加了建筑材料的用量。这导致增加了项目的成本，而FRP材料的使用能够弥补这一缺陷，因为FRP破坏前，有弹性，耐腐蚀，耐高温，抗疲劳性能好，热膨胀系数低，这些都是FRP的优点。FRP约束组合柱的受力机理，就是通过分析FRP材料、钢管、再生核心混凝土三者之间的不同性能，使用其优势，避免其缺陷，这样可以提高组合柱的受力强度，提高构件的承载能力。1.1研究的背景和现状混凝土目前在市政工程、房屋建筑工程、高速铁道、水利电力、港口航道等行业的建设中广泛使用。据资料统计，2014年全球水泥消耗总量高达40亿吨以上，预计2015[3]年将增至45亿吨。据文献报道，我国水泥年销量达到20亿吨的水平，位于世界第一。然而，水泥的生产需要消耗大量的砂、石、矿粉等，同时也面临建筑物的拆除问题，这些拆除将产生大量的废弃物，严重影响环境。就工业与民用建筑为例，2014年我国新建房屋面积位于世界第一，按相关环境保护法规的规定，建筑垃圾不超过400吨/万平[4]方米，通常废弃混凝土占建筑垃圾的40%。通过以上数据表明，每年将产生大量的建筑垃圾。废弃混凝土的危害主要表现为占用土地、污染土体、浪费天然建材等。因此，如何有效利用废弃的建筑垃圾，进行循坏再利用，缓解不可再生天然资源的开采，又能保护环境，还可以实现持续发展，是需要迫切解决的问题。目前，再生混凝土的研究也取得一系列成绩,再生混凝土的生产过程主要是按某个比例取代天然骨料拌合而成的混凝土。[5]早在1946年，第一次提出再生混凝土研究的学者是前苏联的Gluzhge。日本、德国也陆续开展该项课题的研究，各国科研工作者对废弃混凝土的破碎工艺、配合比设计、各项力学性能和耐久、耐高温性能及相关的结构构件进行研究。德国在2002年2月就颁布《DIN4226-100：混凝土和砂浆骨料再生混凝土》和2004年12月颁布《再生混凝[6]土应用指南》。在亚洲国家中，日本的研究也处于先进水平，并且其工程应用达到95%[7]以上。我国在这方面的研究相对较晚，但是取得了显著成就，并越来越多使用工程建1 东华理工大学硕士学位论文设中。钢管再生混凝土结构的设计规范也出现很多，如日本AIJ(1997)、英国BS5400(2005)、美国AISC-LRFD(1999)和AISC(2005)、德国DIN18806(1997)、欧洲EC4(2004)。我国也规定了钢管混凝土结构设计的标准，比如《钢管混凝土混凝土结构设计与施工规范》，这标准是我国建设化标准委员会标准，还有国家财力工业局制定的《钢管混凝土结构设计与施工规程》，另外一个是电力行业制定的《钢—混凝土组合结构设计规程》，但是这些标准主要用于圆形的钢管组合柱的设计与施工，解放军总后勤部制定的《战时军港抢修结构设计规程》GJB4142-2000，以及由国家工程建设标准化协会制定的《矩形钢管混凝土结构技术规程》。与此同时，福建省和天津市也制定相应的技术规程，分别为《钢管在再生混凝土技术规程》DBJB-51-2003和《天津市钢结构住宅设计规程》DB29-57-2003。前者给出了圆形、方形和矩形钢管再生混凝土的设计规定，基于同一理论基础上制定，后者主要表现在结构计算方面，主要基于叠加理论基础上建立的。1.2研究的内容1.2.1再生骨料再生混凝土的材料来源，主要来自废旧建筑物的拆除，经过破碎分级加工形成再生粗骨料，来源如下图1.1所示。同时，市政基础设施改造、废弃砖块等产生的相关废弃建筑材料均可用于生产再生骨料。图1.2粗骨料的来源与加工Fig1.1Sourcesandprocessingofcoarseaggregate但生产再生骨料不是一个简单的回收再利用过程，而是采用科学的方法，应用一系列手段来处理。它的主要生产过程为回收—破碎—分级—预处理—使用。德国在再生混[8]凝土的制作拥有系统的工艺设备，俄罗斯也发展先进。在我国，以肖建庄等为代表的科研人员也提出了一套系统完整的再生骨料制备过程。主要研究再生骨料的堆积密度、表观密度、压碎指标和吸水率等方面。由于再生骨料原来均与水泥、砂的拌合均匀，其表面被水泥包裹。并且孔隙率较大、吸水性强、表面粗糙不均。并且在破碎过程中，对骨料有一定的损坏，导致其强度相应较低。一般用压碎指标来表示再生骨料强度，再生骨料在破碎加工过程中，极易产生内部裂缝，破坏内部结构。因此，存在较多空洞微裂，普通混凝土的压碎指标也没有再生混凝土的高。导致其吸水率也比普通的骨料更高，通过实验发现，其吸水率比天然骨料高5%—15%左右。一般来说，骨料的质量好坏，在[9]一定程度上对混凝土强度起着重要作用。肖建庄等研究发现可以通过机械活化或者化2 第1章绪论学酸液活化处理，适当改善骨料强度较低的现象。它的加工原理就是：通过机械活化或[10]者化学酸液活化处理，把原骨料表面松散的颗粒等去除。杜婷则通过化学浆液的方法，将水泥及外渗剂调成一定比例的浆液浸泡再生骨料，填补骨料空隙，弥补破碎过程中产生的裂纹，增加骨料强度，从而增加再生混凝土的强度。1.2.2再生混凝土[11]史巍和候景鹏研究了一个由于吸水率因素改善再生混凝土强度低的方法，主要方法是设计出合理的自由水灰比。通过这一方法，可以有效的提高再生混凝土的强度。[12]KOU研究了水灰比对再生混凝土强度的影响，随着水灰比的提高，再生混凝土强度[13]有下降趋势。张亚梅等则研究了通过掺加适量粉煤灰和减水剂的方法，提高混凝土的[14]工作性和强度，再生混凝土的表观密度变化趋势与再生骨料的变化趋势相同。李家彬等研究了孔隙率和骨料取代率对再生混凝土强度的影响。主要表现在：再生混凝土空隙率越大，那么它的保温效果越有效，但是骨料的取代率越大，相应也降低了它的表观密15]度，同时也降低了它的坍落度。柯国军等[研究表明，当粗骨料取代率在60%以内时，再生混凝土坍落度与基准混凝土的坍落度相近，但是超过70%的情况下，再生混凝土的坍落度明显降低。由于骨料的取代率、各种材料的配合比、破碎加工等工艺的不同，直接影响再生混凝土的强度，导致在同配合比情况下，它的强度达不到普通混凝土强度水平，经过科研人员的研究，发现新拌制的水泥砂浆无法和再生骨料均匀充分结合，这是导致它的强度[16]降低的主要原因。其中肖建庄等通过大量实验研究表明：随着再生骨料取代率的增加，它的强度反而下降，但是在50%取代率时，再生混凝土的抗压强度反而增加，但造成该[17]现象的具体原因有待进一步研究。Tabsh和Abdelfatah研究了再生骨料表面附着的硬[18]化水泥石的变化与强度成反比。Hansen的实验表明不能用再生骨料配置高强度混凝土，但是若用在受力不大的部位时所需的低强度混凝土，用再生骨料配置是个经济有效方法。影响再生混凝土耐久性的因素，主要有耐高温性、抗硫酸盐浸蚀、抗冻性、抗碳化和抗渗性等。一般来说，抗渗性是由固体空隙的孔径大小、分布和性状、连通性等决定，而它的水平较高，导致其抗冻融减少。由于再生混凝土空隙率高、抗渗性差、其抗硫酸盐浸蚀性也较低。但是通过再生混凝土与普通混凝土抗碳化性的对比，发现其结果基本相同。[19]肖建庄和黄运标等发现随着骨料取代率的提高，它的高温残余抗压强度也提高。[20]Tam等提出了二次搅拌法，其方法主要是先搅拌骨料和水泥浆，再加入水和细骨料进[21]行二次搅拌。这是改善再生混凝土抗压强度的最佳途径。Li等提出了二次拌合法，把硅灰、粉煤灰、高炉灰等加入水泥浆中进行第一次搅拌，通过二次拌合来改善再生混凝土的空隙结构，使再生混凝土性能很大的提高，主要表现在抗压强度、干缩应变、抗渗性、抗碳化、抗酸性、弹性模量等均有明显的提高，甚至接近普通混凝土的性能。1.2.3再生混凝土构件的研究其中钢管再生混凝土的作用是通过约束钢管，对核心混凝土起约束作用，其中肖建3 东华理工大学硕士学位论文[22,23]庄等对钢管柱轴压性能进行了实验。研究表明：钢管的约束作用可以有效的控制核[24]心混凝土的横向应变，提高它的受力性能。吴凤英等研究了组合短柱的受力性能，结果表明在荷载—变形曲线方面，再生混凝土短柱与普通混凝土短柱相似，但其总体轴压承载力低于普通钢管再生混凝土柱。它的强度还受取代率的影响，取代率越高，强度越[25,26]低。杨有福等对构件在往复荷载作用下抗震性能进行了研究，发现其破坏形态与普通钢管再生混凝土柱相似，而其承载力略低于后者。但它的延性比后者强，当取代率在50%以内时，可适当应用于地震区的结构中。1.2.4FRP材料特点和应用常用的FRP材料主要种类和参数如表1-1所示，通过下表可以看出弹性模量最大，断裂应变最好的是CFRP，它的抗拉强度也普遍较高，弹性模量最小，断裂应变最大的是GFRP材料，抗疲劳性能最好的是AFRP，徐变断裂强度最小的是CFRP；AFRP和BFRP则介于前二者之间；AFRP的热膨胀系数最大，而GFRP和BFRP最小；GFRP和BFRP的价格最低，而AFRP的价格最高；密度最大的是BFRP，总之，如何合理选择FRP材料，应[27]考虑各种材料的自身特点和工程应用，达到经济合理。表1.2常用FRP材料的主要参数Table1.1themainparametersofFRPcommonlyusedmaterials类型抗拉强度弹性模量断裂应变FRP热膨胀数/预算价格-2-63fFRP/MPaEFRP/GPa/(10m/m)（10/℃）/（元/m）CFRP(普通型)2050~3790200~2351.2CFRP（高强型）3790~4825220~2351.422~50300~500CFRP（高弹模型）1725~2100345~5150.5CFRP（超高强型）1825~6200220~3251.5CFRP（超高弹模型）1375~2400515~6900.2GFRP（无碱型）1860~268569~724.5GFRP（高强型）3445~413586~905.419~23200~400AFRP（普通型）69~832.5AFRP（高性能型）3445~4135110~1241.660~80500~800AFRP（AFS-60）20601181.7NABFRP3000~350079~933.220~22200~400注：从综合因素分析本文采用FRP材料为CFRP研究材料1）CFRP纤维的特点CFRP纤维材料具有如下特点：（1）高效高强度的特点：CFRP纤维具有超强的抗拉强度，并且重量又很小，不管原构件是什么结构形式，均可以约束在其表面对其进行加固，这种措施既不增加构件的重量，又能达到提高承载力的效果。（2）方便施工：CFRP纤维施工非常方便简单，不改变和增加原结构形状尺寸，4 第1章绪论直接在结构表面黏贴成型，只需要少数人员施工，无需大型机械操作，也不占用地方。（3）高耐腐蚀性能：CFRP纤维布具有防火耐腐，不生锈，在盐碱地带和海边具有很好的应用前景。（4）使用范围广：CFRP纤维的力学性能优点主要表现在蠕变小，弹性模量好，耐碱性，生产加工简单方便，可用在各种领域。2）CFRP加固材料的应用现状FRP材料具有广泛的应用领域，在用途方面，如:烟囱、涵洞、隧道；在形状方面：可以用于加固结构的表面、矩形构件和圆形构件以及不规则构件；还可以用于不同的构件，比如：桥墩修复、板、梁、拱、壳等。更重要的是在传统的加固方法无法实施的情况下，使用FRP技术可以顺利的解决，比如在大型的壳体和筒体结构，大型的桥墩、桥梁、隧道等。欧美很早就开展FRP应用在钢筋混凝土领域的研究，比如美国在1991年成立的混凝土协会就发表了《纤维增强塑料补强混凝土结构发展水平报告》，并推出两个标准：(1)《纤维筋增强混凝土结构设计与施工指南》（1）《纤维筋增强混凝土结构设计与施工指南》。（2）《外贴纤维增强塑料补强混凝土结构设计与施工指南》。我国在FRP加固补强领域的应用研究在20世纪90年代开始初步形成，主要是在加固砌体结构和加固混凝土结构这两个方面，但是随着研究的深入，它的应用范围也越来越广，预计在不久的将来有很大的需求量，重点在海岸、桥梁及高层钢结构方面。FRP的工程加固按物理概念分为事前加固和事后加固，事后加固比如：对即将失稳的建筑结构进行整体加固，事前加固：主要是加固建筑结构中的主要受力构件，其主要原理就是抑制原结构的横向和轴向的变形，提高构件的承载力和延性。1.3FRP钢管再生混凝土性能FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱（简称FRP组合柱）是一种新的思路，它不仅解决了大量的建筑垃圾，使这些废弃混凝土回收，达到混凝土再利用的目的，但其性能远不如普通混凝土。一个新的想法是和钢的组合，成为钢管再生混凝土，钢管提供了外箍力，使抗压强度，蠕变，对再生混凝土性能的约束进一步提高，同时也增强了钢管延性，是优势互补。因此，如果有一个能够具有耐腐蚀性能和弥补钢管缺陷的材料，一直是土木工程界探索的目标。1.3.1FRP钢管再生混凝土的概念FRP组合柱是废弃混凝土经人工破碎后，成为混凝土粗骨料颗粒粒径2～4cm，将它与砂、水、水泥按一定的混合比搅拌而成，将混凝土倒入钢管并夯实，再生混凝土三向受压，这样可明显提高它的承载力。此外，在钢管外绕高强度FRP材料，进一步提高混凝土的承载力。这种新型的复合材料部件，不仅解决了低蠕变能力，较低的剪切强度和较低的刚度等缺点，并解决了开裂和变形问题，同时也解决了FRP材料结构延性低的问题，这种材料的配合应用，受力更合理，效果更显著。5 东华理工大学硕士学位论文1.3.2FRP钢管再生混凝土柱的优点(1)高承载能力：核心再生混凝土可提高钢管局部抗屈曲的能力，而钢管又可以约束核心混凝土纵向开裂的发展，通过钢管约束FRP材料，当钢管柱受到轴压时，再生混凝土会产生径向变形。可根据FRP对钢管的约束作用，抑制钢管的变形，提高再生混凝土的最终轴压承载力，充分发挥核心再生混凝土的抗压强度性能，三类材料发挥各自优势，弥补相互。（2）经济效果良好：FRP材料的使用可以减少自然力对钢管的腐蚀，还降低了钢材的用量，减少了钢管的横截面积，也可以减少柱的直径大小，直接取代高强度钢材。（3）可塑性好：钢管再生混凝土结构，它的弹性变形和塑性破坏性质将大大提高，可以利用它的塑性和韧性特点，用于高层建筑和地震区建筑。虽然再生混凝土的脆性大，强度高，但钢管的延性好，碳纤维材料较脆，但抗拉应变小。总之，把它们的优势结合起来，组合而成FRP钢管再生混凝土柱将具有良好的韧性塑性等性能。（4）施工方便快捷：和钢结构对比，钢结构一般较复杂，焊缝也多，加工成本高，而混凝土结构比较简单，便于施工。总体来说，FRP约束钢管再生混凝土柱的结构简单，所以便于规模化制作和施工。1.4本章小结本章概述了再生混凝土，钢管再生混凝土以及FRP材料的特点及其最新发展，提出了一种FRP约束钢管再生混凝土的最新型组合构件，并分析了其优点。6 第2章FRP约束钢管再生混凝土长柱的设计和制作工艺2FRP约束钢管再生混凝土长柱的设计和制作工艺2.1本章概述本章通过分析设计了9个长柱，并对FRP钢管再生混凝土构件的设计方案和施工技术做详细的说明，并证明了实验数据的科学性。2.2对试件影响因素的分析和参数的设计1几何特征：这个试验分析了在不同截面的受力模式，FRP材料平面外刚度为零，受高强度张力，如果用FRP布来包裹方形钢管，在四个角上将形成对核心混凝土的去强有力的约束，形成应力集中，但是在其他部位的约束力明显更少，主要就形成了有效的约束区和无效区，使柱中间截面中部产生弯曲刚度，从而减少约束力，但在界面上的力均匀，因此本实验选择圆形钢管进行验证。2包裹方式：FRP分为连续和间断的包裹方式。钢管再生混凝土连续包裹承受应力效果更好，可以提高钢管再生混凝土的极限承载力，使整个曲线可能变得上升的趋势，曲线下降时，曲线的斜率越大，持续时间长。钢管再生混凝土的间隔包裹，其约束曲线现象不明显，钢管的极限荷载增加，并出现曲线向下斜率小。包裹方式如图2.1、图2.2。图2.8间隔包裹图2.9连续包裹Fig2.1IntervalpackageFig2.2Consecutivepackage3FRP包裹层数：在轴向压缩试验下，包裹层数越大，承载力提高显著（假设FRP与钢管无滑移），曲线有明显上升区段，而下降时，斜率大，持续时间长。包裹层数少则承载力较低，在轴向压缩试验曲线上升，但上升的曲线平稳，在下坡段比较小，持续时间短。4再生混凝土取代率：由于影响粗骨料强度的因素很多，因此影响再生混凝土的因素也很多，主要有：（1）强度：再生骨料是将混凝土破碎而获得，在加载过程中产生一些裂缝，这些裂缝导致骨料的强度变低，并且产生很复杂的破碎裂缝，各种骨料间强度不均匀，等级不一致，表面结构受自然侵蚀导致结构发生碳化，或因松动后其他腐蚀侵蚀，导致再生骨料的强度较低，情况复杂，随着再生骨料掺量的增加，混凝土的抗压强度降低，所以再生混凝土的制备还要考虑。（2）收缩率：由于存在些砂浆附着于再生骨料表面，并且破碎过程产生大量的裂缝，这些都会导致骨料吸水率提高，从而产生失水后收缩，蠕变也相应增加。7 东华理工大学硕士学位论文（3）耐久性：通过再生混凝土与天然普通混凝土的对比研究，在相同配合比条件下，再生混凝土的各方面性能均比普通混凝土更差，比如：吸水率、抗渗性、抗氯离子渗透等。与普通混凝土相比，它的抗碳化性更差，因为粗骨料的空隙度很高，抗渗性很差，而骨料的硬度和强度决定混凝土的耐久性，所以再生混凝土取代率越高，耐磨性越大。（4）长径比（L/D）：当长度一定的组件，截面尺寸增加导致（减少长细构件等效）截面强度直接增加；当构件的截面尺寸，长度的变化直接影响构件的压缩过程中的不稳定，长细比越大，梁的挠度较大，部分更容易失稳。参照上述对各种材料的分析，制定如下设计方案：表2.1FRP约束钢管再生混凝土长柱的设计表Table2.1FRPoutsourcingdesignofrecycledconcretefilledsteeltubelongcolumntable试件长细取代率FRPFRP包裹D/mmL/mmt/mmfy/Mpafcu/Mpa参数比λ/%层数方式FC-110012002.527326.64801全FC-210012002.527316.948501全FC-310012002.527312.9481001全FC-410010002.527312.9401001全FC-510014002.527312.9561001全FC-610012002.527312.9481000-FC-710012002.527312.9481002全FC-810012002.527312.94810013条带FC-910012002.527312.94810014条带表2.2再生混凝土配合比（C30）Table2.2Ofproportionofrecycledconcrete(C30)再生粗骨水泥/砂天然粗骨料3取代率/%水/kg/m333料kg/m/kg/m/kg/m00500479123119050615.5500479615.5190100123150047901908 第2章FRP约束钢管再生混凝土长柱的设计和制作工艺2.3FRP钢管再生混凝土的施工工艺经过合理设计，试验施工技术才是关键，要求实验者头脑清晰，责任感强等。因此，每一个步骤都要精心操作，奠定了测试的正确性的基石，那么下一步将对每个环节进行详细的说明。2.3.1材料的准备包括基本的测试材料：FRP材料，环氧树脂AB胶，无缝钢管，混凝土废料（人工破碎粒度为2毫米），PC普通硅酸盐水泥，砂（粗砂），水，混凝土钢模块的，以及在测试辅助工具。2.3.2钢管的制作将从生产车间加工的无缝钢管按照设计的要求切割成长度为1000、1200、1400mm的规格，切割时一定要求底部平整，以防试件在轴压时造成偏压，切割成的钢管如右图2.3示。图2.10加工完成的钢管Fig2.3Thefinishedsteelpipe2.3.3再生混凝土的制作、浇筑和养护（1）再生混凝土生产根据表2.2数据，首先根据粗集料用量的比例（称为天然粗骨料，再生粗骨料）放入搅拌器，称取一定量的水泥、砂倒入搅拌机，将水倒入搅拌45秒，这样可提高混凝土坍落度、和易性和流动性。（2）再生混凝土浇筑：钢管再生混凝土浇注时，钢管底部垫木模板，从顶部浇注，并振捣密实。振捣时加钢管扶正器，混凝土面出现水泥浆时，停止振动。振动管不得有任何跳动。浇筑后的混凝土顶部略高于钢管顶部，用刮刀抹平混凝土表面，凝固后与钢管顶部齐平。先清洗试件的试模，并涂上隔离剂。（3）再生混凝土的标准养护试件按照混凝土的设计规范在常温下养护28天后，在养护期间保持湿润状态。（4）钢管的打磨当钢管表面生锈时，影响应变片的粘贴和性能，还影响FRP材料的包裹。因此，对钢管的表面进行打磨，打磨后用细砂纸擦拭，擦拭后用酒精擦抹并且晾晒，如图2.4是对钢管表面进行处理。图2.11应变片的粘贴和测试Fig2.4Straingaugestickingandtest9 东华理工大学硕士学位论文2.3.4应变片的粘贴及工作性能的测定钢管应变片的粘贴:本次试验使用BX120-5AA,栅长、栅宽的规格是53mm规格的应变片，粘贴方法如图2.4。在粘贴应变片的时候首先将502胶水均匀的涂在应变片的表面，此时一定要注意应变片的工作面。应变片按照右图2.4进行粘贴。粘贴在钢管的表面时一定要用塑料薄膜慢慢挤压以免应变片在粘贴时里面留有气泡，防止对其工作性能存在测定不准确的现象。对刚粘贴的应变片稍作晾晒，待502胶水干后用锡焊对应变片焊在端子上。同时，引出导线为后期测定应变片。待以上工作完成后用欧姆表对应变片的电阻进行测定，电阻为120.2±0.170Ω为合格，否则重新粘贴应变片。对应变片按图2.5进行纵横向编号，纵1横2。图2.12钢管表面应变片粘贴方法Fig2.5Thesurfaceofthesteelpipestraingagepastingmethod2.3.5FRP加固材料的粘贴FRP的施工步骤：①浇筑钢管再生混凝土，并养护28天。②对钢管贴应变片处进行打磨除锈、贴片。③对FRP材料进行裁剪，按柱直径加上100mm长搭接要求裁剪，裁剪后如右图所示。④对FRP材料进行包裹施工，按照2:1称量环氧树脂，边涂刷环氧树脂边挤压缠绕钢管，包裹过程中注意把钢管表面粘贴的应变图2.13FRP材料片的导线引出，表面均匀涂刷一层环氧树脂。Fig2.6FRPmaterial⑤包裹完毕后将试件放在干净平整的油毡上，并置于通风干燥的环境下。⑥在FRP表面粘贴应变片。2.3.6FRP材料表面粘贴应变片并测定其工作性能FRP应变片的粘贴：一般先用酒精擦除构件贴应变片处的尘垢和杂质，并把应变片粘贴在构件的中间部位。在纤维布环向和垂直方向做好标记并粘贴4个应变计，应变计和测量物体之间不应有空鼓气泡，应变计的粘贴位置和试样剖面如图2.7显示。应变片的粘贴好后晾晒一会儿后用焊锡将应变计及导线固定在终端，用欧姆表电阻应变计测量10 第2章FRP约束钢管再生混凝土长柱的设计和制作工艺的电阻为120.2+0.170数据采集使用东华理工3816静态数据采集仪。表现为应变计长柱的粘贴方法。长柱在压缩过程中产生附加偏心距，因此，做好固定扶正措施受压柱减少产生附加偏心。得到钢管应变可以通过位移及其长度的比值。图2.14FRP表面应变片粘贴方法Fig2.7FRPsurfacestraingaugestickingmethod2.4本章总结本章通过对试件的影响因素的分析设计9个长柱，并对试件的施工方案做了详细的说明，注意的问题也提出了几点要求，为科学精准的数据做好铺垫。11 东华理工大学硕士学位论文12 第3章FRP约束钢管再生混凝土长柱的实验研究3FRP约束钢管再生混凝土长柱的实验研究3.1本章概述[28,29]柱的长短划分，按照长径比（4l/D）确定，一般大于16的是长柱，由0于长径比越大，柱子承受轴力条件下易失稳，柱本身也存在初始缺陷，主要有柱受力是否均匀，偏心力的作用，钢材残余初始弯曲等，理想的轴心受压状态时不存在的。为了满足实际工程设计的需要，并对组合柱的弯曲应力的性能提供基础研究，通过9根不同长细比组合柱的轴向压缩力学性能的实验研究。建立了再生混凝土组合柱的轴向荷载下的变形数值分析模型，并分析组合柱的轴向压缩变形曲线的计算模型。本章就试验加载机器、加载过程和加荷后构件的受力状态进行描述。最后对整个实验9根柱分析，并得出结论。3.2加载设备和试验过程在东华理工大学建筑工程学院结构工程实验室进行实验，采用3000kN压力机，所有构件进行轴向受压。压力机实现软件控制系统和计算机技术，试验力控制，位移控制，和力加载位移混合控制方式。试验加载装置如图3.2所示。两端放置一个平板铰链的圆钢，是用来模拟铰链，在钢管中沿环向粘贴四对（纵向，横向）电阻应变计是用来测量钢管的应变，一般使用两个大量程的位移计分别布置在柱的两边，按轴向对称布置的方法布置，当总的应变发生位移后，用于测量总应变。发生后采用东华3816采集仪和计算机是由一个单一的收集点连接，这是一种自动的多通道数据采集仪，可以收集60个应变，仪器的连接方式有三种，但本实验使用第一种方法测试，即三线两连接方法，补偿片在常温下测试。测试过程分为预压对中和加压过程。先把构件放置在压力机地板几何圆中心处，再预压。并编号如下图3.1。在加载过程中，注意收集管四纵向应变片（为钢4片，FRP布4片，利用对称性方法修正）。试件进行轴压的表现是应变计值相近，加荷10%后的极限荷载差值很小。本次采集的数据为：（1）钢管表面的纵横向应变（2）FRP表面的环向应变（横向应变）（3）FRP组合柱的轴压荷载与位移图3.36应变片编号Fig3.1Straingaugenumber13 东华理工大学硕士学位论文图3.37试验加载装置Fig3.2Testloadingdevice3.3FRP约束钢管再生混凝土长柱试验过程3.3.1FC-1柱破坏过程图3.38FC-1柱破坏过程图Fig3.3FC-1ColumnfailureprocessFC-1试件：加载初始阶段，刚开始没有明显的现象，有吱吱的钢管和树脂剥开的吱吱的声音发出；随着荷载的继续增大，当力为448kN，钢管下部开始外鼓，碳纤维被剥开；力为462kN，中部开始外鼓，碳纤维被拉断，外漏钢管,碳纤维布向两端延伸，屈曲现象进一步明显；力为286kN，钢管呈“C”型，屈曲现象进一步明显，此时FRP钢管再生混凝土柱的承载能力已经大幅度降低，承载力急剧的下降,破坏过程见图3.3。14 第3章FRP约束钢管再生混凝土长柱的实验研究3.3.2FC-2柱破坏过程图3.39FC-2柱破坏过程图Fig3.4FC-2Columnfailureprocess随着荷载的继续增大，在轴力为410kN，上部22cm处开始外鼓；力为411kN，上部22cm处继续外鼓，且发出一声巨响，屈曲现象进一步明显；力为361kN，下部14cm处外鼓，且发出一声巨响，碳纤维被拉断，钢管呈“S”型，屈曲现象更加明显，急剧下降，破坏现象见图3.4。3.3.3FC-3柱破坏过程图3.40FC-3柱破坏过程图Fig3.5FC-5Columnfailureprocess试验开始时，无明显现象；随着荷载的增大，在荷载为312kN，中部开始外鼓，并有吱吱声音；力为270kN，上部20cm处开始外鼓，碳纤维被拉断，屈曲现象进一步明显；力为254kN，碳纤维布被剥开，屈曲现象更加明显；力为338kN，上部20cm处外鼓约1cm并有钢管破裂的声音，屈曲现象进一步明显；力为328kN，上部10cm处碳纤维布被拉断，钢管破裂，有一声巨响发出，混凝土外漏，钢管呈“C”型，力急剧下降，破坏过程见图3.5。3.3.4FC-4柱破坏过程随着荷载的不断增大，力为451kN，上部20cm处开始外鼓，碳纤维被拉毛，有钢管破裂的声音；力为463kN，上部20cm处碳纤维被拉断，屈曲现象进一步明显；力15 东华理工大学硕士学位论文为460kN，中部开始外鼓，屈曲现象进一步明显；力为413kN，上部开始外鼓，此时整个钢管呈“C”型，中部的碳纤维布被剥开，下部开始外鼓，屈曲现象进一步明显，破坏现象见图3.6。图3.41FC-4柱破坏过程图Fig.3.6FC-4Columnfailureprocess3.3.5FC-5柱破坏过程图3.42FC-5柱破坏过程图Fig3.7FC-5Columnfailureprocess刚开始时没有明显的现象，随着荷载的继续增大，当力为222kN，中部开始外鼓；力为178kN，有钢管开裂的声音，中部的屈曲现象更加明显；力为130kN，钢管呈“C”型，有吱吱响声，中部的屈曲现象更加明显，整个FRP钢管再生混凝土柱承载力明显的降低，破坏过程见图3.7所示。3.3.6FC-6柱破坏过程刚开始时没有明显的现象，随着荷载的继续增大，当力为72KN，上部约15cm处开始外鼓，当力80KN，下部约15cm处开始外鼓,上部的屈曲现象进一步明显，荷载继续增到到94KN，下部外鼓约1cm，见图3.8，此时整个柱子的承载力已经降低，荷载开始下降。图3.43FC-6柱破坏过程图Fig3.8FC-6Columnfailureprocess16 第3章FRP约束钢管再生混凝土长柱的实验研究3.3.7FC-7柱破坏过程刚开始时没有明显的现象，随着荷载的继续增大，轴力为225KN，中部开始外鼓,并有声音钢管与树脂剥开的吱吱声，荷载继续增大，中部的屈曲现象进一步的明显，此时在中部外鼓的地方，碳纤维被多出拉毛有剥开的现象，荷载继续增大，中部的屈曲现象更加的明显，直到最后整个柱子呈“C”型，承载力降低，破坏现象见图3.9所示。图3.44FC-7柱破坏过程图Fig3.9FC-7Columnfailureprocess3.3.8FC-8柱破坏过程图3.45FC-8柱破坏过程图Fig3.10FC-8Columnfailureprocess荷载不断增大，当力为56kN，上部12cm处开始外鼓；力为71kN，上部12cm处继续外鼓，并发出吱吱的声音；力为90kN，上部20cm处开始外鼓，屈曲现象更加明显；力为108kN，中部的碳纤维布被剥开，并且有吱吱的声音，屈曲现象更加明显；力为166kN，上部12cm和20cm处外鼓约1cm，有钢管破裂的声音，屈曲现象进一步明显；力为188kN，下部约204cm处开始外鼓，上部的屈曲现象进一步明显；力为206kN时，中部开始外鼓，碳纤维被拉毛，屈曲现象进一步明显，见图3.10，整个柱子已经17 东华理工大学硕士学位论文发生变形，承载力开始下降。3.3.9FC-9柱破坏过程随着荷载的继续增大，当力为62KN，上部30cm处开始外鼓，力126KN，上部30cm处继续外鼓,中上部的第二带碳纤维布被拉毛，力112KN，上部30cm处外鼓约1cm，屈曲现象进一步明显，力51KN，整钢管呈“C”型，屈曲现象进一步明显，此时整个柱子发生变形，承载力开始降低，破坏过程见图3.11。图3.46FC-9柱破坏过程图Fig3.11FC-9Columnfailureprocess图3.479根长柱破坏图Fig3.129Longcolumnsdamagediagram18 第3章FRP约束钢管再生混凝土长柱的实验研究3.4试件的荷载—位移通过对构件的荷载—位移曲线的分析得出试件受力时的影响因素，构件在不同阶段的受力情况，构件在不同时期时材料的受力大小。3.4.1FRP钢管再生混凝土长柱的取代率对荷载的影响FRP钢管再生混凝土长柱的再生率对比荷载——位移曲线500FC-1的荷载——位移ٛFC-2的荷载——位移400300)NK(200??1000010203040506070??(mm)图3.48粗骨料取代率的影响Fig3.13Coarseaggregatereplacementrateinfluence由图可以看出三条曲线的走向基本一致，FC-1(取代率0%)的最大承载力为499KN，FC-2(取代率50%)的最大承载力为409KN，FC-3（取代率100%）的最大承载力为338KN,得出在FRP包裹层数、长细比、包裹方式相同时，构件的承载力随着粗骨料取代率的增大而减小，但在后期的承载力中取代率大的构件的承载力并没有马上下降，而是有一定的延性，说明再生混凝土并不像普通混凝土是脆性材料，而是有一定的延性的。3.4.2FRP钢管长柱的包裹层数对荷载的影响由图得出三条曲线的走势大致一致，FC-3（全带一层）最大承载力为338KN，FC-6（未加固）最大承载力为116KN，FC-7（全带2层）最大承载力为390KN，得出在粗骨料取代率，包裹方式，长细比相同时，构件的承载力随着FRP包裹层数的增多而增大，在构件后期钢管屈服时FRP发挥很好的约束效果，使核心再生混凝土承受双重的约束作19 东华理工大学硕士学位论文用，大大提高了构件的承载力。20 第3章FRP约束钢管再生混凝土长柱的实验研究FC-3的荷载——位移500FC-6的荷载——位移FC-7的荷载——位移FRP钢管再生混凝土长柱的包裹层数对比的荷载——位移曲线400300200??(KN)1000010203040506070??(mm)图3.49FRP包裹层数对荷载的影响Fig3.14EffectofFRPwrappedlayerstoload3.4.3FRP包裹方式的影响400FRP钢管再生混凝土长柱包裹方式对比的荷载——位移曲线350300FC-8的荷载——位移250FC-9的荷载——位移FC-3的荷载——位移200FC-6的荷载——位移150??(KN)100500010203040506070??(mm)图3.50FRP包裹方式对荷载的影响Fig3.15EffectofFRPpackagetoloadmode21 东华理工大学硕士学位论文由图看出,FC-3（一层全带）的最大承载力为338KN,FC-6（未加固）最大承载力为106KN,FC-8（一层三条带）最大承载力为206KN,FC-9（一层四条带）最大的承载力为119KN,得出在粗骨料取代率、包裹层数、长细比相同时构件的承载力随着包裹方式的不同而不同，没有加固的构件承载力明显低于加固的构件，当构件在后期屈服以后不同的包裹方式显得尤为重要。FC-8的前期承载力略高于FC-9构件，但在后期钢管屈服以后，FC-9的承载力并没有急剧的下降而是在位移增加的很快，而位移缓慢的改变。3.4.4长细比的影响500FRP钢管再生混凝土长柱的长细比对比的荷载—位移400300FC-4的荷载——位移200FC-3的荷载——位移??(KN)FC-5的荷载——位移1000010203040506070??(mm)图3.51长细比对荷载的影响Fig3.16Effectsofslendernessratioandload由图3.16可以看出长细比影响曲线的规律基本一致，FC-3（L/D=12）的最大承载力为338KN，FC-4(L/D=10)最大承载力为468KN,FC-5(L/D-14)最大承载力为262KN，得出在粗骨料取代率、包裹层数、包裹方式相同时,长细比越大构件的承载力越小，当受力截面一致时，构件的长度会影响构件在受力的扰度变化，长度越大则构件在轴压过程中越易变形，轴压时会受到弯矩的影响，此时是一个力的组合变形。3.5荷载—位移曲线分析（1）FRP组合柱的破坏分为三过程：钢管屈服、纤维断裂、柱压碎破坏。在受轴压力早期，随着荷载增大，钢管和核心混凝土应力重分布，钢管的纵向应力变小，侧向应力变大，侧应力为核心混凝土提供约束，增加柱的横向抗变形能力以及整体承载力，对钢管的侧向变形增大，导致FRP横向约束也增加，最后FRP断裂，钢管的屈服载荷缓慢22 第3章FRP约束钢管再生混凝土长柱的实验研究降低，位移变化很大，所以在这个时候，FRP钢管再生混凝土表现出一定的延性，这种效应在地震中特别重要。（2）所有的基本曲线都有上升-峰值-下降-谷值-上升-第二高峰-缓慢变化-急剧下降的过程。（3）再生混凝土承载力与粗骨料取代率之间没有线性变化关系，而是一个曲线波动的关系，因为随着粗骨料取代率的增加，混凝土的延性也增大，后期负荷也相应增大。（4）FRP的增强使曲线分为四个阶段：弹性阶段，塑性阶段（加载中期的应力重分布），塑性硬化阶段，FRP断裂，钢管屈服。弹性阶段曲线是直线上升，卸载后可以回到原点力，一般弹性阶段在10mm以内，随着载荷的增加应力出现，曲线达到第一个高峰，然后核心再生混凝土产生微裂缝。FRP约束层数是不同的，但在这个阶段，基本上是相同的，峰值约10mm，荷载不断增加钢管开始屈服，曲线开始下降，这时横向分力增加，FRP提供侧向力，约束曲线开始增长将出现在第二个高峰时，一层包裹的构件位移是在一般为30mm，两层包裹的构件位移是一般40mm，然后曲线慢慢变缓慢，负荷变化幅度小，位移曲线变化较大，曲线出现硬化阶段，横向应力的不断增加，纤维断裂的出现，钢材屈服，曲线出现急剧下降，说明FRP这种抗拉强度大，弹性模量大的脆性材料，构件破坏为脆性破坏，但无警告征兆，在破坏时会听到FRP拉断的爆炸声音，说明脆性明显要低，延性更大。（5）FRP包裹层数不同，但曲线有以上四种阶段，三带包裹的构件在和未加固的构件在出现交叉点后的破坏形态相似，随着包裹带数量的增多，构件的受力性能得到明显改善，在全部包裹的构件出现谷值时，所有的包裹出现第二峰，表明FRP包裹的方式将构件的应力阶段延迟。所有的包装构件在受力过程中的应力分布更均匀。（6）不同长细比主要影响轴压比和绕度，但曲线会有四个阶段。在长柱中，应力截面大小相同但不同长度，长度较长的轴向压缩过程，绕度越大，越容易失稳，一般在试验过程中有偏压的现象，这种偏压，同时使构件的承载力增加将出现弯矩的影响，这时构件不是单纯的轴向压力，而是一个压弯组合的复合受力构件。FRP增强效果将大大降低。3.6荷载—应变曲线荷载—应变曲线可以看出构件在受载下的应变规律，通过对长柱进行FRP、钢管和构件进行荷载—应变分析，其中构件的应变采用构件的位移和原长的比值，采用应变片采集FRP和钢管的数据。23 东华理工大学硕士学位论文3.6.1FC-1长柱的荷载—应变曲线图3.52FC-1碳纤维荷载—应变曲线Fig3.17FC-1Carbonfiberload-straincurve由图3.17可以看出经过碳纤维布增强的试件在轴压时有比较好的弹性，塑性性能。刚开始时钢管的纵向应变大于横向应变。说明钢管和再生混凝土一起承受轴向压力，钢管约束核心混凝土的现象没有很明显，随着荷载的继续增大，钢管此时发生纵向应变更小，而横向更大，应力状态发生改变，自纵向受压转变为横向受拉的状态。由图3.18可以看出，总体上，构件应变随着荷载的增加而增大，但是随着柱进入屈服状态后，柱的应变趋向于比较平稳的状态。图3.53FC-1柱荷载—应变曲线Fig3.18FC-1Columnload-straincurve24 第3章FRP约束钢管再生混凝土长柱的实验研究3.6.2FC-2长柱的荷载—应变曲线500FC-2???????棗????FC-2的碳纤维纵向荷载——应变FC-2的碳纤维横向荷载——应变400300200??(KN)1000-3000-2000-1000010002000e(10棗6)图3.54FC-2碳纤维荷载—应变曲线Fig3.19FC-2Carbonfiberload-straincurve500FC-2的荷载——应变曲线400300200??(KN)100001000020000300004000050000e(10棗6)图3.55FC-2柱荷载—应变曲线Fig3.20FC-2Columnload-straincurve由图3.19可以看出经过碳纤维的试件在轴压时情况下，刚开始时钢管的纵向应变比横向应变大，随着荷载的增大，钢管的纵向应变进一步增大，说明钢管和再生混凝土共同承受轴压，但是混凝土和钢管比FRP的约束力小，钢管对核心再生混凝土的约束效应不明显，有纵向受压转变为横向受拉的状态。由图3.20可以看出构件应变随着荷载的增加而增大，但是中途有少量增加现象，但是总体上来说，随着柱进入屈服状态后，柱的应变增量减小。25 东华理工大学硕士学位论文3.6.3FC-3长柱的荷载—应变曲线FC-3的碳纤维荷载——应变曲线500400FC-3的碳纤维纵向荷载——应变FC-3的碳纤维横向荷载——应变300200??(KN)1000-2000-10000100020003000e(10棗6)图3.56FC-3碳纤维荷载—应变曲线Fig3.21FC-3Carbonfiberload-straincurve500FC-3的荷载——应变曲线400FC-3的荷载—应变300200??(KN)100001000020000300004000050000e(10棗6)图3.57FC-3柱荷载—应变曲线Fig3.22FC-3Columnload-straincurve由图3.21可以看出经过碳纤维的试件在轴压时有比较好的弹性，塑性性能。刚开始时钢管的纵向应变略小于横向应变。说明钢管和再生混凝土一起承受轴向压力，钢管约束核心混凝土的现象没有很明显，随着荷载的继续增大，钢管此时发生纵向应变更小，横向应变更大，应力状态发生改变，自纵向受压转变为横向受拉的状态。由图3.22可以看出，总体上，构件应变随着荷载的增加而增大，但是随着柱进入屈服状态后，柱的应变趋向于减小状态。26 第3章FRP约束钢管再生混凝土长柱的实验研究3.6.4FC-4长柱的荷载—应变曲线FC-4的碳纤维纵向荷载——应变FC-4的碳纤维横向荷载——应变500FC-4的碳纤维荷载——应变曲线400300200荷载 KN1000-3000-2000-10000100020003000e(10-6)图3.58FC-4碳纤维荷载—应变曲线Fig3.23FC-4Carbonfiberload-straincurve500FC-4的荷载——应变FC-4的荷载——应变曲线400300(KN)200荷载100001000020000300004000050000e(10-6)图3.59FC-4柱荷载—应变曲线Fig3.24FC-4Columnload-straincurve由图3.23可以看出经过碳纤维增强的试件在轴压时有比较好的弹性，塑性性能。刚开始时钢管的横向应变大于纵向应变。说明钢管和再生混凝土共同承受轴压，FRP对核心再生混凝土的约束效应不明显，随着荷载的继续增大，钢管的纵向应变变化没有横向应变变化大，纵向应变在达到最大荷载前，还出现了应变增量缩小的情况，但是横向变化平顺的增大，当荷载接近500KN时，构件屈服，应变变量减小。钢管的应力状态发生改变。由图3.24可以看出，总体上，构件应变随着荷载的增加而增大，在荷载达到350KN左右时候，构件的应变发生减小现象，但是减小到一定程度后，随着应变进一步增大，承载力又产生少量增加现象，最后在应变达到3500左右时候，构件承载力达到最大值，随后构件破坏。27 东华理工大学硕士学位论文3.6.5FC-5长柱的荷载—应变曲线500FC-5的碳纤维纵向荷载——应变400FC-5的碳纤维横向荷载——应变FC-5的碳纤维荷载——应变曲线)3002001000-2000-10000100020003000C1图3.60FC-5碳纤维荷载—应变曲线Fig3.25FC-5Carbonfiberload-straincurve500FC-5的荷载——应变400FC-5的荷载——应变曲线300(KN)200荷载100001000020000300004000050000e(10棗6)图3.61FC-5柱荷载—应变曲线Fig3.26FC-5Columnload-straincurve由图3.25可以看出经过碳纤维增强的试件在轴压时有比较好的弹性，塑性性能。刚开始时钢管的纵向应变大于横向应变。说明钢管和再生混凝土共同承受轴压，FRP对核心再生混凝土的约束效应明显，随着荷载的继续增大，钢管的纵向应变变化一直比横向应变变化大，当荷载接近250KN时，构件屈服，应变变量减小。钢管的发生屈服。由图3.26可以看出，总体上，构件的应变随着荷载的增加而增大，在荷载达到250KN左右时候，构件的应变变量发生减小现象，但是减小到一定程度后，随着应变进一步增大，承载力又产生进一步增加现象，最后在应变达到3000左右时候，构件承载力达到最大值，随后构件破坏。28 第3章FRP约束钢管再生混凝土长柱的实验研究3.6.6FC-6长柱的荷载—应变曲线FC-6的纵向荷载——位移140120FC-6钢管的荷载——应变曲线1008060??(KN)40200-1500-1000-5000500e(10棗6)图3.62FC-6碳纤维荷载—应变曲线Fig3.27FC-6Carbonfiberload-straincurve140FC-6的荷载——位移曲线12010080FC-6的荷载——应变60??(KN)402000500010000150002000025000e(10棗6)图3.63FC-6柱荷载—应变曲线Fig3.28FC-1Columnload-straincurve由图3.27可以看出未经过碳纤维增强的试件在轴压时，构件的弹性、塑性性能相对较差。刚开始时钢管的纵向应变大于横向应变。说明钢管和再生混凝土共同承受轴压，随着荷载的继续增大，钢管的纵向应变变化一直比横向应变变化大，当荷载接近120KN时，构件屈服，应变变量减小，钢管的发生屈服。说明没有使用FRP材料时，构件在轴压下情况下，横向应变虽然起到很好延迟破坏作用，但是由于产生了一处波浪，说明钢管对混凝土的约束作用没有FRP材料和钢管共同对混凝土的约束效果稳定。由图3.28可以看出，总体上，构件的应变随着荷载的增加而增大，在荷载达到120KN左右时候，构件的应变变量发生减小现象，但是减小到一定程度后，随着应变进一步增大，承载力也相应增加，构件承载力达到最大值，随后构件破坏。29 东华理工大学硕士学位论文3.6.7FC-7长柱的荷载—应变曲线FC-7的碳纤维纵向荷载——应变500FC-7的碳纤维横向荷载——应变FC-7的碳纤维荷载——应变曲线400300200??(KN)1000-4000-3000-2000-10000100020003000400050006000e(10棗6)图3.64FC-7碳纤维荷载—应变曲线Fig3.29FC-7Carbonfiberload-straincurve500FC-7???-??FC-7???棗??400300200??(KN)10000100002000030000400005000060000e(10棗6)图3.65FC-7柱荷载—应变曲线Fig3.30FC-7Columnload-straincurve由图3.29可以看出经过碳纤维增强的试件在轴压时有比较好的弹性、塑性性能。刚开始时钢管的纵向应变大于横向应变。说明钢管和再生混凝土共同承受轴压，FRP对核心再生混凝土的约束效应明显，随着荷载的继续增大，钢管的纵向应变变化一直比横向应变变化大，但是随着构件屈服，构件的横向应变比纵向应变更大，当荷载接近400KN时，构件屈服，应变变量减小，钢管的发生屈服。说明FRP材料在构件轴压下情况下，横向应变起到很好延迟破坏作用，但是随着FRP材料的屈服，构件的横向应变将进一步增大。由图3.30可以看出，总体上构件的应变随着荷载的增加而增大，在荷载达到300KN左右时候，构件的应变变量发生减小现象，但是减小到一定程度后，随着应变进一步增大，承载力也相应的增加，承载力达到400KN左右的时候，构件破坏，构件应变减小。30 第3章FRP约束钢管再生混凝土长柱的实验研究3.6.8FC-8长柱的荷载—应变曲线500400FC-8的碳纤维纵向荷载——应变FC-8的碳纤维横向荷载——应变300KNFC-8的碳纤维荷载——应变曲线荷载2001000-3000-2000-1000010002000e(10-6)图3.66FC-8碳纤维荷载—应变曲线Fig3.31FC-8Carbonfiberload-straincurve500FC-8的荷载——应变400FC-8的荷载——应变曲线300200荷载（KN）100001000020000300004000050000e(10-6)图3.67FC-8柱荷载—应变曲线Fig3.32FC-8Columnload-straincurve由图3.31可以看出经过碳纤维增强的试件在轴压时有比较好的弹性、塑性性能。刚开始时钢管的横向应变大于纵向应变。说明钢管和再生混凝土共同承受轴压，FRP对核心再生混凝土的约束效应不够明显，随着荷载的继续增大，钢管的纵向应变变化呈现此起彼落状态，但是横向应变变化平稳。等到构件屈服，构件的横向应变比纵向应变更大，当荷载接近250KN时，构件屈服，应变变量减小，钢管的发生屈服。但是随着FRP材料的屈服，构件的纵向应变将进一步增大。说明FRP材料在构件轴压下情况下，横向应变起到很好延迟破坏作用。由图3.32可以看出，总体上，构件的应变随着荷载的增加而增大，在荷载达到250KN左右时候，构件的应变变量发生减小现象，随着构件破坏，构件承载力降低，构件的应变变量将减少。31 东华理工大学硕士学位论文3.6.9FC-9长柱的荷载—应变曲线FC-9钢管1号应变片荷载——应变160FC-9钢管2号应变片荷载——应变140FC-9的钢管荷载——应变曲线1201008060??(KN)40200-4000-3000-2000-100001000200030004000e(10-6)图3.68FC-9碳纤维荷载—应变曲线Fig3.33FC-9Carbonfiberload-straincurveFC-9的5号应变片纵向荷载—应变160FC-9的6号应变片横向荷载——应变FC-9钢管荷载——应变曲线1401201008060??(KN)40200-10000010000200003000040000e(10棗6)图3.69FC-9碳纤维荷载—应变曲线Fig3.34FC-9Carbonfiberload-straincurve由图3.33和图3.34可以看出经过碳纤维增强的试件在轴压时有比较好的弹性、塑性性能。刚开始时钢管2号纵向应变大于1号横向应变，5号纵向应变大于6号横向应变。说明钢管和再生混凝土共同承受轴压，FRP对核心再生混凝土的约束效应明显，随着荷载的继续增大，构件屈服，钢管的2号纵向应变结果比1号横向更大，但是钢管的5号纵向应变切远远小于6号横向应变。总体上来说，在构件轴压下情况下，FRP材料对构件的横向应变起到很好延迟破坏作用，这有利于增加构件的承载能力，减少钢管的使用量。由图3.35可以看出，总体上，构件的应变随着荷载的增加而增大，在荷载达到134KN左右时候，构件的应变变量发生减小现象，随着构件破坏，构件承载力降低，构件的应变变量将减少，但是构件的纵应变量切很大。32 第3章FRP约束钢管再生混凝土长柱的实验研究160FC-9的荷载——应变曲线1401201008060??(KN)FC-9的荷载——应变40200010000200003000040000e(10棗6)图3.70FC-9柱荷载—应变曲线Fig3.35FC-9Columnload-straincurve总之，由FC-9的一号和二号、五号和六号测点可以得出FRP钢管再生混凝土构件在轴心受压下，同时可以得出刚开始时钢管和核心的再生混凝土共同承受轴压，此时构件的纵向应变大于横向应变，随着荷载继续增大，钢管的横向应变大于纵向应变，应力状态发生改变，由轴心受压状态转变为横向的受拉状态。FC-2和FC-7的碳纤维荷载—应变的曲线形态近似于FC-9的荷载—应变曲线，说明了碳纤维与钢管在受拉的方向是一个协同的作用。FC-1和构件的荷载—应变曲线分析出不同的影响因素使得构件在轴压的四个阶段时的应变曲线的斜率是不同的。（1）弹性阶段。是粗骨料取代了越多，构件曲线的斜率更大，FRP包裹越多，曲线的斜率越大，全部包裹在斜率大于FRP部分包裹的斜率。（2）弹塑性阶段，在长柱的长细比终点更复杂，在钢开始屈服，在构件的屈曲变形中开始，这是长柱易释放不稳定原因。从曲线得出大大提高其横向应变、载荷增加缓慢，横向应变大幅度提高。曲线的斜率是粗骨料取代率的增加而增加的，包裹层数和包裹的方式的增加而增加。（3）塑性强化阶段：应变增加荷载不变，或者应变增加荷载波动，钢管屈服，再生混凝土墙裂缝变大，横向应变分量增加，使FRP约束效应增加，第二峰曲线出现。（4）FRP断裂、破坏阶段：如果侧向应变增加，FRP将拉裂，钢管完全屈服，承载力急剧下降。3.7本章小结FRP约束钢管再生混凝土构件是轴心受压，同时可以得出刚开始时钢管和核心的再生混凝土共同承受轴压，此时构件纵向应变大于横向应变，荷载继续增大时钢管的横向应变大于纵向应变，应力状态发生改变，由轴心受压状态转变为横向的受拉状态。试件的荷载—应变曲线在轴压下可分为四个阶段。（1）弹性阶段，应力的状态同于短柱。此时的构件曲线斜率是粗骨料的取代率越高曲33 东华理工大学硕士学位论文线的斜率越大，FRP包裹的层数越多曲线的斜率越大，FRP的全部包裹的斜率大于部分包裹的方式。（2）弹塑性阶段，此时构件的应力状态不同于短柱是，短柱的长细比比较小端部的受力状态比较复杂，长柱的长细比比较大，在钢管开始屈服时，构件先从中部开始屈曲变形，这也是长柱容易放生失稳的原因。从曲线中得出此时应变增加迅速，荷载增加缓慢，横向应变大幅度的提高。曲线的斜率是随着粗骨料的取代率增大、包裹层数增多，包裹全部的方式而增大。（3）塑性强化阶段，此时的应变增大而荷载不增大或者应变增大，荷载波动，进入塑性强化阶段后，钢管已经屈服，核心的再生混凝土的裂缝变大，构件的横向应变增大，使得FRP的约束效应增强，曲线出现了第二峰值。（4）FRP断裂，构件破坏阶段，横向应变的增大使得FRP发生断裂，FRP断裂之后钢管完全的屈服，构件破坏以后力会急剧的下降。34 第4章FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析35 东华理工大学硕士学位论文4FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析近几年，在钢管包裹再生混凝土柱方面的研究已经有了比较成熟的理论，并已经有了比较成熟的理论，以这些理论为基础，首要的是了解该类柱的力学性能和承载力计算方法，找出其共同之处，在分析FRP材料的受力性能，通过三种材料的相互结合，研究它们各自受力性能和协同作用性能，推导它们的计算公式。4.1钢管再生混凝土的受力机理图4.l(a)显示，构件在纵向轴心压力N的作用下的应变，以及相应产生的1[39]环向应变和，公式如下：s2c2s2s1(4.1)c2c1(4.2)其中：s：钢材的泊松比c：混凝土的横向变形系数。N′σσ11′σ2σ2σ′Pσ′3σ3σ33′σ2σ2σ′N1σ1a(1)a(2)(b)图4.14钢管和混凝土三向受力图Fig4.1Steelpipeandconcreteinthreedirectionalstresscondition0.25~0.300.5一般情况下：s，平均值（0.283）处于弹性阶段，s进入塑性阶段。c=0.17处于低应力状态，c=0.5达到极限状态。开始cs；当时，达cs到极限状态，纵向开裂。由图4.1（b）显示，组合柱在轴压力作用下，核心混凝土产生横向膨胀，而钢管又对核心混凝土进行约束，轴压钢管和核心混凝土之间产生环向应力，导致钢管和核心混凝土受到了三向应力约束。其中：1：钢管纵向压力，2：环向拉36 第4章FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析伸应力，3：径向压力，当核心混凝土受纵向，环向和径向受（,,）压缩下，如123图4.2（a）、图4.2（b）所示。Nt钢管壁中心线rv钢管和混凝土交界处P(a)(b)图4.15紧箍力的分布Fig4.2Distributionoftightforce由于钢管再生混凝土受轴压力，又在三向应力条件下，它的性质已经改变，图4.3显示钢管在三向应力下和的关系。最上一条是单向受压的关系，下面的是三向应力ii作用下，它的应力应变关系，由图可见，构件在三向应力作用下，钢材的塑性变形增加，极限应变增加，屈服强度降低。图4.4表示混凝土的三向压力作用下的应力应变关系，最下一根是在单轴压缩下的应力—应变关系，其余为三向受压下的应力—应变关系。当约束力增加，混凝土抗压强度也增大，弹性模量越大，塑性变形也越大，但环应力达到某个程度，混凝土应力—应变持续平稳，也不下降，而塑性变形能力增大。总之，钢管混凝土柱在受压作用下，混凝土抗压强度变大，并且由脆性变为塑性。σci0εiεc图4.16钢材的关系图4.17核心混凝土的关系iiccFig4.3TheRelationofsteelFig4.4TheRelationshipofthecoreconcreteiicc37 东华理工大学硕士学位论文4.2FRP约束钢管再生混凝土的工作机理研究表明：FRP组合柱具有混凝土在三轴受压条件下套箍的力学形式。主要表现为:构件达到极限荷载前，核心混凝土的横截面迅速增大，大大超过了原来的截面积。压缩变形值与承载力和套箍系数成正比，但是它的应力变化过程较一般的柱复杂，FRP材料只受径向力，不受竖向荷载，竖向荷载由钢管和核心混凝土承担。①在初始阶段，核心混凝土泊松比小于钢管泊松比，两材料之间不发生相互套箍作用，并共同承受轴压力，如图4.5（a），②加荷增加，纵向应变明显变大，混凝土内部产生裂纹，径向变形比钢管径向变形大，如果混凝土的泊松比大于钢的泊松比，那在核心混凝土产生对钢管的挤压，钢管又产生约束，形成套箍力，同时也出现径向压力，此时该双向压力处于弹性阶段。③随着加载进一步增加，钢的横向变形越来越大，FRP与钢管间产生套箍力，FRP产生环向拉应力，受力如图4.5（b）。总之，由于存在FRP的约束效应，FRP组合柱径向变形小，外观变化不大。④若受力再次增大，进入塑性流动阶段，FRP的应变速度加[39]快。根据von米塞斯屈服条件的规则：222fs1s1s2s2y(4.3)s1——表示钢管纵向应力；s2——表示钢管环向应力；fy——表示钢材屈服强度。σs1σcFRP材料钢管核心混凝土σs1σσcs1σcσ(a)混凝土微裂前fσf+σrsσf+σrsσcfFRP材料钢管σs2核心混凝土σcfσf+σrsσfσs2σ+σrsσf+σrsfσs1(b)混凝土微裂后σc图4.18FRP约束钢管再生混凝土的应力状态Fig4.5TheconcretestressstateofsteeltuberecycledFRPconstraints当钢管纵向应力s1减少，钢管与核心混凝土间产生纵向压力的重分布。此时，钢38 第4章FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析管压力减少，钢管和FRP同时对核心混凝土产生套箍作用，钢管由纵向压应力变为环向应力。接着发生局部屈曲，FRP也濒临破坏的边缘，压力进一步增大，FRP材料断裂，此时钢管与核心混凝土承受的力为极限承载力。由此可见，FRP断裂是该类组合柱的轴压极限状态的标志，当组合柱变形进一步增大，构件表面发生起皱现象，此时钢管进入强化阶段，与钢筋再生混凝土柱相比较，钢管再生混凝土柱承载力的在屈服后塑流阶段发生。FRP材料起着增强套箍作用的效果，进一步增加了核心混凝土的抗压强度，并且钢管也处于双向应力状态，这样就延缓了钢材的屈服点，提高了钢和混凝土的承载能力，也导致钢管柱截面刚度变化，增加了塑性变形能力，改善了抗震性能，根据《建筑结构设计统一标准》（GB50068.2001），最大承载力是确定构件是否达到极限状态的标准，因此，要计算该类构件的极限承载力，前提是确定构件承受荷载的能力和变形条件下的极限荷载。4.3FRP约束钢管再生混凝土长柱承载力公式推导方法I由于FRP组合柱受力变形相当复杂，但极限承载力与变形过程无关。因此，若想计算FRP组合柱极限承载力，可仿效钢管再生混凝土柱轴心受压的方法计算求解。4.3.1概述[30,31]有两种方法计算组合柱轴压承载力：第一种方法是求极限承载力，第二种方法是求解进入塑性阶段的承载力，因为再生混凝土受力非线性性质，各材料间相互作用力复杂，可采用钢筋混凝土柱的计算原理和套箍方法来确定极限承载力。理论依据是：当FRP组合柱的承载力达到极限状态时，钢管所承受纵向应力基本为零，而环向应力则达[32]到屈服状态时的极限力，此时达到最大效果的约束效应。但通常情况下，当组合柱达[33]到承载力极限状态时，构件中的钢管在存留残余的纵向应力。环向应力达不到拉伸屈[34]服点，公式如下：NfAKfA（4.4）uckCysf式中ck——再生核心混凝土的抗压强度标准值；fy——钢管达到屈服时的强度值；Ac——核心混凝土的横向截面积大小；As——钢管的横向截面积的大小值；k——再生混凝土的强度提高系数。其中ff10.14x0.72.0，为骨料系数，f为实测骨料强度，x为骨料取ckcoco代率。[35]改进修正为三项式：39 东华理工大学硕士学位论文NfAkfA（4.5）ucks1sys式中——钢管的纵向应力。fs1ck由公式4.3-2可见，式二是钢纵向承载力达到了极限承载状态，第三项式核心混凝土受约束提高的那部分承载力。从研究方法上看，考虑钢管的约束效应比不考虑更合理，更符合常理。钢管承受纵压和环拉双力作用，极限状态可以由应力强度从弹性向塑性转[36]变来确定，通过这一理论可以提出以下理论公式。NfAKpAA0ckcS1S（4.6）式中：fAKpA表示再生核心混凝土在三向受压条件下的达到极限状态的承载ckc力，A表示钢管在受双向应力下达到的极限状态的承载力，表示钢管在进入塑性S1Ss1状态时所承受的纵向应力。4.3.2核心混凝土受三向应力作用下的破坏准则方程[37]经过大量研究，钱在慈等在混凝土传统三轴应力基础上，初步建立了统一强度准则；核心混凝土在三向压缩的理论推导和破坏准则，沈聚敏等建立无量纲混凝土强度准则。f1,2,30为空间破坏曲面[38]。将直角坐标转换为由静水力轴R与平面坐标系，如图4.6所示。1：混凝土达到极限强度的1与fc的比值，同理2,3也是f相应的应力与c的比值。σ1T1压曲线σ1BTT2MM3ρ拉曲线ρAΘABRRΘN0Nσ2σ2σ图4.19坐标系示意图Fig4.6Schematicdiagramofcoordinatesystem两坐标系的转换关系为：3222（4.7）122331340 第4章FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析3R（4.8）12332123cos（4.9）2222221223312123或cos（4.10）6[38]gR,,0破坏面有以下特点：①当cos为常数时，R为光滑凸曲线。破坏面与正R轴形成三轴抗压强度T的3极点，如图4.6示。②当=60，截出的R曲线，图4.6中AB象限的左边缘曲线是的强123度曲线。该曲线通过极点T、T、C（T为双轴抗拉强度点，C单轴抗压强度点）。32121③当0，截出的R曲线，在曲线AB右边缘，是的三轴常规强度123曲线。该曲线必须分别通过相应的极点T、T、C（T破坏面与正R轴形成三轴抗压3123强度的极点，T单轴抗拉强度点，C双轴抗压强度点），称之为拉曲线。12设压曲线方程为：2abRc0（4.11）c1c11a,b,c其中111由无量纲应力坐标T,T,T三点在压曲线上决定。123拉曲线方程为：2abRc0（4.12）t2t22a,b,c其中111由无量纲应力坐标T,T,T三点在拉曲线上决定。由此可得：12363ak1（4.13）19ckc23bk1（4.14）1c921c1（4.15）13kc41 东华理工大学硕士学位论文fckk（4.16）cftk62a2k2k3（4.17）29k2c2cc23k2cbk1（4.18）22c9kc2k2cc1k（4.19）22c3kcf2ckk（4.20）2cftk用参数k与k，可求得a,b,c,a,b,c六个系数。k：核心混凝土在单轴受力状c2c111222c态下，抗压与抗拉强度的比值，k：核心混凝土在双轴受力作用下，它的抗压强度与2c抗拉强度之比。通过计算可得到3o0c060（4.21）4k21cos24k2式中ck（4.22）t2ca1cb1Rc10由2ta2tb2Rc20aa24bRC1111得fR（4.23）cc2aa24bRC2222fR（4.24）tt2由上式(4.22),(4.23)和(4.24)可知，c与k为R的已知函数，因此（4.21）由,R,[40]所决定的空间曲面，该式即为该强度准则的数学表达式。当123时，此时混凝土三向受压，由式(4.7)与式(4.8)分别得6（4.25）c31242 第4章FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析3R3（4.26）133将式(4.25)、式(4.26)及式(4.13)～式(4.15)代入式(4.11)得111k110（4.27）12ck2kkccc式中：k——核心混凝土的材料系数；c其中通过三向应力状态下混凝土的破坏准则，求解,,的关系。1234.3.3第四强度理论的概念第四强度理论通常是人们理解的形状比能理论，它使构件屈服失效，它有以下假设：形状的变化f是造成材料屈服的因素，即无论在什么状态，只要f达到材料极限值fu，该点材料发生屈服。该类材料性能优越，可通过试件在拉伸时正应力截面达到屈服应力时，屈服现象出现明显。因此，通过拉伸结果数据可以很好的确定材料的形状比[39]能极限，通过以下公式：1222（4.28）f1223316E12将,0带入上式，可求得材料的极限强度值：2。所1s23fuEs6以，按照这个理论的观点，屈服条件ffu可改写为：1222（4.29）122331s2即为钢管进入塑性状态时的应力公式。4.3.4FRP约束钢管再生混凝土长柱的承载力公式推导①纤维受力分析σfσcf2tcfσcf2tcf图4.20纤维受力图Fig4.7Fiberbytrying43 东华理工大学硕士学位论文对于FRP组合柱，其横截面积A取：cfAdt（4.30）cfsccf式中t——纤维的厚度；d——管内混凝土的外径长度。cfsc根据纤维纵向应力0，并且径向应力很小可忽略，故主要考虑其环向力cf1cf3。如图4.7纤维的受力平衡：cf2得2cf2tcffdsc（4.31）2ntEbcfcfcfcf参照公式（4.32）cf2DH式中cf2—纤维的环向力；f—FRP材料提供的约束力；n为条带数，tFRP厚cf度，EFRP弹性模量，FRP的张拉应变，bFRP的宽度，D和H分别为柱直径和长度。cfcffA②当钢管进入塑性状态时，其钢管核心混凝土横截面积s可以近似取为：Adt（4.33）scstd式中s—钢管的壁厚；c—核心混凝土的直径；一般情况下，钢管采用薄壁钢管，受轴压力时，径向力可忽略不计，按纵向环向双0应力来考虑，即s3，应力均匀分布，其单元应力如图4.8所示。σs1σσs2s2σs1图4.21钢管单元应力图Fig4.8Pipeunitstress44 第4章FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析[40-42]按第四强度理论，式（4.29）得：122s2s14fy3s2（4.34）22式中：s1—钢管纵向应力，s2—钢管环向应力，fy—钢管屈服强度。如图4.9所示钢管的受力平衡图fσfσcftcfσcftcf图4.22钢管受力图Fig4.9Steelpipebytrying可得2s2tspfdcrsdc（4.35）式中P—混凝土对钢管挤压力，rs—钢管对混凝土的套箍约束力；将式(4.35)代入式(4.34)，可得2123dpfcs14fypf2（4.36）24t4tss③侧压效应系数分析：由于核心混凝土承受的应力相当复杂，它的极限强度理论也相应复杂，为研究方便，f对于三向应力作用下，根据相关资料，在考虑侧压力P作用下，侧压力P与三轴强度ca[32]存在如下线性关系：'ffkp（4.37）cac其中：f：核心混凝土在无侧压力下的抗压强度值；k：核心混凝土侧压效应系数。由于实验室的实验条件比实际施工现场更理想化。因此，强度可适当降低，一般降低15％为宜，即0.8f作为设计强度。美国ACI规定0.85f=0.85×0.83f≈0.7055f，cccucu[39]与我国规范f基本相似，f与p存在如下线性关系：ckck45 东华理工大学硕士学位论文ffkp（4.38）cack其中f——核心混凝土在轴压作用下抗压强度标准值：ck2对核心混凝土的面积Ac为：dcA（4.39）c4A4t则ss（4.40）AdccA4tcfcf（4.41）Adcc从核心混凝土的单元应力图4.10可以看出f,p，再将式(4.38)两ca123f端同除以ck可以得到：1k1k（4.42）123将式(4.42)代入式(4.27)，可得2k1kk2kkccc（4.43）232k1kc2k1kk2kkcccpf（4.44）ck2k1kcσ1σ2σ2σ2σ2σ1图4.23核心混凝土单元应力图Fig4.10Thecoreconcreteunitstress通常，构件在极限破坏状态时，对于FRP约束钢管混凝土柱来说，钢管的环向应力s2还未达到钢材的屈服强度fy，但FRP的环向应力cf2达到拉伸强度fcf，则：2cftcf2sts2fcftcf2fyts22p（4.45）frsddddsccscc46 第4章FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析P2ft2ft14tf14tfcfcfyscfcfsy又因为，且，由于2f2dfdf2df2dfckscckcckcckcckAS4tSAcf4tcfASfyAcffcf,,令,,：钢管对核心混凝土的套箍系数，1121AdAdAdAdCCCCCCkCCk：FRP对钢管混凝土柱的套箍系数，则有214tsfy14tcffcf1212（4.46）2df2df2cckcck将式（4.43)代入式(4.46)，可得2212112K11kC12k2k1212C12C22111211k1（4.47）2k2k12C12CC2kk1cc由式（4.47）可得：K（4.48）max2k1c通过计算(4.47)、(4.48)的平均值求出侧压系数k。即可求得FRP约束薄壁圆钢管再生核心混凝土长柱在轴心受压作用下达到极限承载力状态时的计算式：2fAfA2A2ANckckpAAckckp3pcfpc02kics1s2kifAyfAccss（4.49）f式中ck——核心再生混凝土在轴心受压力下的抗压强度标准值；k——不同取代率下核心混凝土的侧压系数；ip——核心混凝土承受的侧压力；s1——约束圆钢管在塑性状态时所承受的纵向应力；fy——圆钢管的屈服强度值大小；AC——FRP组合柱核心混凝土的横截面积大小值；As——圆钢管的横截面积值；47 东华理工大学硕士学位论文——长柱的稳定性系数。可由式（4.44）求得P，（4.47）、（4.48）求混凝土强度提高系数K，（4.47）求得f，N0[43]因此可以求出。其中10.1154，本章可以参照《混凝土结构设计规范》随着再生混凝土的取代率不同，其材料系数不同，那么它的抗压强度提高系数不同，根mf据材料系数c=ck/f和取代率的不同，求出核心混凝土轴心受压时的提高系数K。根cu据公式（4.32）可知全带时FRP的约束力为1303.33KN，3条带时=325.99KN，4ff条带时=434.65KN，核心混凝土的直径为100mm，试件长度L=1200m。Q235钢材的fE弹性模量s=2.1105N/mm2，泊松比s=0.3；核心混凝土直径与试件长度具体尺寸详f见表2.1；纤维的极限抗拉强度cf=4212N/mm2，纤维厚度为0.17mm,主要参数见表1.1。如下表4.1所示为通过计算的值与实际所得的结果进行比较，通过比较发现，该数值计算公式能有效的计算长柱的承载力。表4.1极限承载力实测值与计算值的对比表Table4.1comparisonbetweenmeasuredandcalculatedvaluesultimatebearingcapacitytable编号λts/mmtcf/mmfy/mpascfNucNueNuc/NueFC-1482.50.342730.2260.0055584621.207FC-2482.50.342730.2260.0054364111.169FC-3482.50.342730.2260.0053913381.157FC-4402.50.342730.2260.0055294631.142FC-5562.50.342730.2260.0052702221.216FC-6482.502730.2260135941.443FC-7482.50.342730.2260.012532251.124FC-8482.50.512730.2260.00132551881.359FC-9482.50.682730.2260.00171581261.254AfAfsycff注：表中λ为柱子长径比，t为钢管的壁厚，t为纤维的厚度，，，、scfsfscfAfAfcccc为钢管和纤维对混凝土的约束系数，f为钢材的屈服强，N为计算的荷载，N为试验所测值。yucue48 第4章FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析4.4FRP约束钢管再生混凝土长柱承载力公式推导方法II4.4.1两种计算构件极限承载力计算的方法第一是全过程法，按照结构加载划分弹性、弹塑性、极限三个阶段。该法需事先确定材料本构关系，难以确定各阶段受力状态。第二种是极限法，不考虑加载和变形的影[43]响，根据结构计算极限状态需在平衡条件下。理论上，结果相同的。第二种方法只需确定材料的本构关系即可，更为简便。确定结构的损伤或开始负荷严重变形时的承载力。1）结构承载力的界限[44]极限平衡理论认为构件承载力未知，变形条件和屈服条件已知，由于构件极限条件已知部分称为元，可近似认为构件是通过一系列原件组成的，一般作用在构件上的力的变化情况来度量结构的极限状态。当压力达到一定规模，结构破坏，承载力损失，称为结构达到极限状态。如果杆的限制条件是不明确的，应该把它作为结构的另一个层面结构，沿长度方向分割的单元体为单位，如图4.11所示。单元材料限制条件（如钢的屈服强度）通过实验确定。NN图4.24结构和原件Fig4.11Structureandoriginal2）结构上作用的三类荷载第一类：结构极限承载力不耗尽，但其固有应力允许有不同变化；第二类：结构的极限承载力耗尽，固有应力也变化不同；第三类：由固有应力的大小和性质决定其极限承载力是否耗尽。3）结构承载能力的界限由形状和荷载集度来确定参数。当连续改变这些参数，在第一类荷载形成了一级负荷区，该区叫承载力内界限。把第二和第三作为承载力外界限，把第二类和第三类看作是构件承载力的外界限值，如当p、p表示受载两参数，则如图4.12表示其内外界限，12其中：B,B,B,B的长度分别在承载力的内上限，内下限和外上限。123449 东华理工大学硕士学位论文4)基本假设P1承载能力的消ⅡⅠ耗不能Ⅲ避免承载能力的1B3耗尽不可能B4B2BP2承载能力的内界限承载能力的外界限图4.25承载力界限Fig4.12Limitbearingcapacity极限平衡理论下的结构有以下特征：a.结构变形微小。这样可以忽略静力平衡方程在几何尺寸的变化。b.元素屈服条件的稳定性。元素在极限强度下变形应明显的增长，但不改变极限条件。c.负荷增长具有单调性和一致性。所有结构上荷载作用是由比例增长相同。在忽略它的弹性变形情况下，是a、b两个假设的本质条件，可以把实际结构理想化为刚塑性的原件。5)解题方法在结构承载力达到极限状态时，需要满足以下条件：①静力平衡，②元件极限，③机动条件。静力平衡表示结构内力和外力达到平衡，元件极限表示内阻力未达到屈服，机动条件表示达到极限状态的组件数量足够，并成为自由变形机制。一般情况下很难真正同时满足以上条件，理论上来说只有三个条件同时满足求出的极限承载力才比较真实，否则只能求得出上下极限解。其中，求解上下极限解有动态法和静态法。动态法考虑的限制条件是结构和元素在机动条件下，用虚功原理来求解静力平衡。而静态法是在对机动条件下不考虑的情况下，只考虑限制因素和静力平衡。静态法的求解结果比真实的小，称为下限解，动态法求解的结果比真实的大，称为上线解。④根据Gvozdev塑性[47]公设，可以把元素分成假塑性和塑性，假塑性没有受最大虚功原理，屈服函数并不是传统的凸函数，也不遵守正交流动法则，不变形耗散功率的每个元素不是最终应力状态，只能用静态法求解。动态法具备这些特征，适用所有塑性部件。4.4.2计算假定虽然FRP组合柱的形变过滤很复杂，但由于其极限承载力不受变形过程的影响，可以用极限平衡法计算极限承载力。一般采用以下假设来推导其承载力公式：①该组合柱由FRP材料、钢管、核心再生混凝土组成；②三者材料处于不受塑性变形而变化的稳定状态；③FRP材料可以为受力理想的弹性材料；④假设钢管是理想的塑性材料；⑤假设不可忽略钢管径向应力应变；50 第4章FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析⑥钢管径向应力小于切向应力。σf+σrs图4.26核心再生混凝土受力关系图Fig4.13Recycledconcretecoreforcediagra[39]⑦核心再生混凝土受三轴受压状态，其中f与p存在以下关系：cffkp（4.50）cckf为核心混凝土抗压强度标准值，K为核心混凝土的侧压系数；ck如图(4.13)为核心混凝土受力简图于是有fcfckkfrs（4.51）其中为FRP材料提供的约束力；为钢管提供的侧压力。frs令,,分别表示核心混凝土在极限状态时三个主应力与f之比，据FRP组合柱123ckfpc等侧压的受力特征：,，有和混凝土统一强度准则，123123ffckck在三向应力条件下的极限状态为：2111k110（4.52）12ck2kkccc式中：kc——再生混凝土材料系数，即：kcfck/ftk；f——再生混凝土轴心受力作用下抗拉强度的标准值；tk11k1通过(4.49)可求出12即k（4.53）2由式（4.52）、（4.53）可得51 东华理工大学硕士学位论文2111k1112kc1（4.54）2k2k2cc2111即fcf1112kc1p（4.55）ck22kc2kc4.4.3FRP约束薄壁钢管再生混凝土长柱承载力公式推导[39]1)经假设推导，钢管和核心混凝土共同承受轴压力，按叠加原理推出其计算公式为NNNAfA（4.56）12ccss1式中：N为再生核心混凝土的承载力；N为圆钢管的承载力值；A为圆钢管的横12s截面积；A为钢管内再生混凝土的横截面积大小；f为再生混凝土所承担的纵应力；ccs1为约束薄壁钢管承受的纵应力。2)纤维受力分析[39]FRP横截面积A可取为：cfAcfdctcf（4.57）t式中cf——FRP约束的厚度；dc——核心混凝土的直径；核心混凝土截面积：2dcA（4.58）c4FRP材料的横截面积与核心混凝土的横截面积之比：A4tcfcf（4.59）AdccFRP材料对核心再生混凝土的套箍系数,1Afcfcf（4.60）1Afcck由FRP的平衡条件可以得到:2td（4.61）cf2cffc：纤维环向应力，：FRP材料对钢管作用产生的侧压力。cf2f52 第4章FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析[39]3)计算钢管的纵向应力A可近似取：Adt（4.62）sscs式中t——钢管厚度；s钢管的横截面积与核心混凝土横截面积之比：As4ts（4.63）Acdc钢管对核心混凝土的套箍系数:2Afsy（4.64）2Afcck根据钢管的平衡条件，可以得到:2s2tspcfdcrsdc（4.65）pcfdcrsdc即s2（4.66）2t2tss式中P—再生核心混凝土所受的侧压力；—钢管对核心混凝土的侧压力；rs又根据4、7基本假设可以得到：222f（4.67）s1s1s2s2y由式(4.63)、式(4.66)、式(4.67)联立可解得：2222AcAc22AcAcs1fy3rspffy3rsrs（4.68）AsAsAsAs所以，钢管承受的力N为：2222AcAcN2S1Asfy3rsrsAs（4.69）AsAs[39]4)核心混凝土的承载力：[39]根据式(4.50)、式(4.51)、式(4.54)可知，核心混凝土的承载力N1为：2111N1fcAcfck1112kc1pAc（4.70）22kc2kcp/f,又因为2ck代入上式则可得53 东华理工大学硕士学位论文2fckAc1frsNAfA1k1（4.71）12kfrscckc2kfcccck[39]5)FRP组合柱的极限承载力计算将式(4.69)、(4.71)代入(4.56)得到FRP组合柱的承载力N为2fAfA1ckcckc1rsN1fckAc1kc1kc12k22k2fccck22fA3A472ysrscdN由式（4.72）知，荷载N与侧压力够吃函数关系，要求最大荷载N，根据0rsmaxdrs的条件，得到相当于最大荷载N的值应满足下列方程：rsk16crs（4.73）2211rs2rs1k1k1f32k2cfcck2fcckck两边整理得43236kc133kc1316kc39131kc36kc922k1f0rs2rscck2fkckc（4.74）32[45]对于一元三次方程axbxcxd0a0，可以根据shengking公式得到方程的解,其重根判别式。222Ab3ac;Bbc9ad;Cc3bd,B4AC当AB0时，一元三次方程的解：bc3dxxx1233abc2当B4AC0，一元三次方程得解：b3Y13Y2x1;3a2b3Y13Y233Y13Y2ix2;6a2b3Y13Y233Y13Y2ix3;6a54 第4章FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析23aBB4AC其中YAb,i1;1222当B4AC0时候，一元三次方程的解：bxk1akBxx其中k,A0232A2当B4AC0时，一元三次方程的解：b2Acos3x13abAcos3sin33xx233a2Ab3aB其中arccosT,TA0,1T1，由此可以解出方程(4-73)的解，即32A2当AB0时bc3d-;rs3abc2当B4AC0时b3Y13Y2rs3a23aBB4AC其中Y1,2Ab;22当B4AC0时bkBk;，其中k,A0;rs1ars22A2当B4AC0时b2AcosbAcos3sin333；;rs1rs23a3a55 东华理工大学硕士学位论文2Ab3aB其中arccosT,TA0,1T1，32A222以上计算中Ab3ac,Bbc9ad,Cc3bd其中43236k13k136k3913k36k9cc1c1cca,b,2fkckc2c0,dk1f,cck2AcffcfAsfyfck,,kcfscAfAffcckccktk2ftys当计算出的值不止1个时，还应满足0<<的条件,选择满足条件的rsrsrsrsdc值带入（4.71），即可得到FRP构件的极限承载力公式:2fckAcfckAc11rs22NfA1k1k1fA3A极2k2k1ckc2k2cfcysrscccck（4-75）如下表4.2所示为通过计算的值与实际所得的结果进行比较，通过比较发现，该数值计算公式能有效的计算长柱的承载力。表4.2极限承载力实测值与计算值的对比表Table4.2comparisonbetweenmeasuredandcalculatedvaluesultimatebearingcapacitytable编号λts/mmtcf/mmfy/mpascfNucNueNuc/NueFC-1482.50.342730.2260.0055614621.214FC-2482.50.342730.2260.0054964111.209FC-3482.50.342730.2260.0054253381.257FC-4402.50.342730.2260.0055754631.242FC-5562.50.342730.2260.0052922221.316FC-6482.502730.226079.2940.843FC-7482.50.342730.2260.012932251.302FC-8482.50.512730.2260.00131711880.909FC-9482.50.682730.2260.00171191260.946注：表中λ为柱子长径比，t为钢管的壁厚，t为纤维的厚度，N为计算的荷载，N为试验所scfucue测值。56 第4章FRP约束薄壁圆钢管再生混凝土长柱极限承载力分析4.5本章小结第四强度理论和三向应力作用下的组合柱破坏准则是推导出FRP组合柱承载力的理论基础，通过轴压极限平衡理论，推导极限承载力的计算公式。当0，即不采用fFRP约束碳纤维材料时，可直接作为圆形钢管约束再生核心混凝土长柱的承载力计算公式。57 东华理工大学硕士学位论文5FRP约束钢管再生混凝土长柱的有限元分析5.1引言[47]本章采用有ANSYS12.0软件，对组合柱中三种材料进行三维建模，并模拟本文9根长柱进行试验。通过模拟结果与试验结果进行对比，观察其差异性，研究构件的内部受力机理。5.2核心混凝土的材料模型5.2.1组合结构的几种本构关系考虑到FRP材料的复杂性，需事先假定该模型的理论基础：a.弹性理论;b.非线性弹性理论;c.弹塑性理论;d.粘弹性理论;e.粘塑性理论;f.塑性-断裂理论;g.内时理论;h.连续损伤理论。由于选择的精度范围不同，它的本构关系也不同，但总体上来说均采用相对简单的模型，FRP组合柱轴压过程中，核心混凝土侧压力与轴压力成线性比例关系，FRP组合柱初始荷载为单轴受压，随着轴力的增大，核心混凝土变形系数比钢的大，导致核心混凝土环向应力在钢管和混凝土之间产生外部荷载，这就形成一个单轴的力学特征，这就与FRP组合柱在三轴受压状态的受力关系不一样，韩林海提出了相应应力应变的[46]关系：当时，2/-/2（5.1）c0c000当时c01q/0.111.1200/（5.2）c01.120/2/00其中0.452241-0.0540.4f;0fccf0.21400800c1;0cc240.745130012.5f;q;ccc20250575..242.3610f3.5110c58 第5章FRP约束钢管再生混凝土长柱的有限元分析式中f为组合柱核心混凝土轴心抗压强度值（MPa）；核心混凝土泊松比的计算公式为：cfc410.173,0.550.25c041（5.3）c1.5ff410.1730.7036c0.4c,0.550.25c24c0410根据公式(5．1)和(5．2)和前期试验过程，得到FRP约束钢管核心再生混凝土柱的总应力—应变曲线如图5.1所示：600FC-2FC-3FC-4500FC-5FC-6400FC-7FC-8FC-9300FC-1荷载KN20010000100002000030000400005000060000??(e)图5.20核心混凝土的应力—应变关系Fig5.1Thestress-strainrelationshipofthecoreconcrete5.2.2混凝土单元本文采用ANSYS12.0对核心再生混凝土SOILD65单元模拟核心混凝土的性质，并建立了三维条件下的破坏准则，该模型共有8个节点，每个节点有3个自由度，节点坐标随x,y,z三个方向移动，如图5.2所示。P④OMO,P⑤⑥KZMN钢筋K,LY③ILKXJ②单元坐标系六面体单元I①M,N,O,PJ面坐标系ZIYK,LXJ图5.21SOLID65的几何模型图Fig5.2SOLID65geometricmodeldiagram59 东华理工大学硕士学位论文本文模拟核心混凝土SIOLD65单元性质，建立三维条件下的破坏准则，设8个节点，3个自由度，如图5.2所示，其中SIOLD65会产生裂缝、压碎、塑性变形和徐变等现象，可以采用以下假设定义3类受压加固材料。①每个积分点只在正交方向开裂，②用调整材料属性来模拟开裂，③核心混凝土初始方向相同，④核心混凝土具有塑性性能。1)混凝土单元对产生裂缝的处理。混凝土开裂的模拟方法如图5.3所示，是通过应力释放和自适应下降法相结合来模拟的。混凝土受单轴压缩双轴和三轴压缩条件，某积分点满足失效准则，这个点发生破碎。σTcftEtRiioεckckεσε图5.22混凝土的开裂处理Fig5.3Concretecrackingtreatment[48]按以下几种情况表示再生混凝土单元受力时内部裂缝：a.单向开裂再生混凝土单元在即将开裂时的弹性刚度矩阵cD：100010001000E12Dc000000（5.4）11221200000212000002其中：E——弹性模量，——泊松比060 第5章FRP约束钢管再生混凝土长柱的有限元分析1R'00000E110001111ckE0000D11（5.5）c1t0000021000002t000002T0.6表示在ANSYS模拟下主应力的释放系数，=0.3为剪力下降系数，C1t用表示裂缝闭合时，在开裂面剪力的下降值，此时核心混凝土刚度矩阵：c100010001000E12cDc000000（5.6）2112120000021200000c2b.双向开裂处理核心混凝土在受力作用下两方向开裂刚张开时的刚度矩阵：R'00000ER'00000E001000Eck0D112000t00（5.7）210000t02100000t21当核心混凝土在受力作用下产生的裂缝出现一个闭合另外一个张开的刚度矩阵：61 东华理工大学硕士学位论文R'100000E10000111ckE00000D11（5.8）1c000002c000002c000002核心混凝土在受力状态下产生的裂缝在两个方向闭合的刚度矩阵：1000010001000E12ck0000c00D（5.9）1122120000c02c12000002c.三向开裂处理核心混凝土三方向裂缝张开的刚度矩阵：R'00000ER'00000E001000ckDcEt（5.10）0000021t000002100000t21总之：①裂缝完全闭合，两个方向开裂，两个刚度矩阵相等。②一个裂缝打开，另一个闭合，两刚度矩阵相同。③两裂缝打开，一个关闭，与开裂后的刚度矩阵相同。2)再生混凝土单元破坏准则62 第5章FRP约束钢管再生混凝土长柱的有限元分析-σzp/fcσxp=σyp=σzpr1r2r2r1r1r2-σyp/fc-σxp/fc图5.23混凝土空间破坏面Fig5.4Concretefailuresurface破坏准则：使用数学函数来描述破坏包络曲面，判断核心混凝土是否达到极限破坏状态，需要定义9个参数：①当裂缝张开的情况下所产生的剪力传递系数，②当裂缝闭合时所产生的剪力传递系数，③核心混凝土的单轴抗压强度值，④核心混凝土在单轴抗拉强度值，⑤核心混凝土在双轴抗压强度，⑥核心混凝土所受的围压大小，⑦核心混凝土所受围压条件下双轴抗压强度，⑧围压条件下单轴抗拉强度，⑨核心混凝土所受的拉应力折减系数，其参数数量的选择必须合理，一般4.5个为宜，太少或太多均不能真实模拟破坏曲面，并且参数太多，造成计算复杂，耗时过长，一般选择1、2、3、4、9共[39]5个参数。其破坏图如5.4，子午线如5.5所示。计算公式如下，裂缝张开时剪力传[49][50]递系数，闭合时剪力传递系数。FS0（5.11）fcf2=60r2fcζcζ2ζ1ζcbζ0ft=0fa1图5.24混凝土的子午线Fig5.5Concretemeridianf在式(5．11)中：c函数与主应力的关系：FF,,，由f,f,f,f,f五123tccb12f参数来表达破坏曲面S。其中：1—核心混凝土在静水压力作用下所受的双轴抗压强度，63 东华理工大学硕士学位论文f2—核心混凝土在静水压力作用下所受的多轴抗压强度，ft—核心混凝土在单轴力作用f下达到极限状态时的抗拉强度，c—核心混凝土在单轴力作用下达到极限状态时的抗压f强度，cb—核心混凝土在双轴作用力下达到极限状态时的抗压强度，默认的参数是：f1.2f（5.12）cbcf1.45f（5.13）tcf1.725f（5.14）2c上面三个等式应满足下式13f（5.15）h123c3当式(5.11)不满足的情况下，核心混凝土就不会发生开裂现象，当式（5.11）成立时核心混凝土就发生开裂或压碎现象，F和S有几种不同的计算方法，一般根据主应力状态的不同来计算：10（压-压-压）12311222F---2（5.16）12233115122222222rrrcosr2rr4rrcos5r4rr22121221121S（5.17）2222224rrcosrr2121当破坏准则成立时，混凝土压碎。20（拉-压-压）12311222F-2（5.18）223315122222222rrrcosr2rr4rrcos5r4rr122121221121S1-（5.19）f222222t4r2r1cosr2r1若破坏准则成立，则与垂直的平面混凝土开裂130（拉-拉-压）123Fi1,2（5.20）i64 第5章FRP约束钢管再生混凝土长柱的有限元分析ftiS1i1,2（5.21）fcS,0,2i3若破坏准则成立，则与i垂直的平面混凝土开裂。40（拉-拉-拉）123Fi1,2,3（5.22）iftS（5.23）fc若条件成立，则与垂直的混凝土开裂。i5.3钢材的材料模型5.3.1圆钢管的本构关系钢管的应力—应变关系曲线通常分为以下5个阶段，如图5.6所示分别为：弹性段f(oa)、弹塑性段(ab)、塑性段(bc)、强化段(cd)和二次塑流段(de)。其中p为钢材的比例极限、fy为钢材的屈服极限，fu为钢材的抗拉强度值。钢材在承受三向应力作用[39]下的应力应变分别为：σidefwibcefyfρa012ε3ε4εiεiiiε图5.25钢材的应力-应变关系模型Fig5.6Themodelofstress-strainrelationofsteel212222（5.24）i122331265 东华理工大学硕士学位论文212222（5.25）i1223313下面确定图5.6在各阶段受力情况下的应力—应变的关系。①弹性阶段(oa段)，此时(i≤fp)，钢材的应力—应变关系为呈线性变化，增量11dd2Ded2（5.26）33其中SS11212SSE1DsSS1S（5.27）e1121212SSSSSS112S12S5其中E2.0610MPa，0.283sS②弹塑性阶段(ab段)，此时(ff)，随着承受的应力增大，钢材的切线模piyt量tEs的公式计算采用F.Bleish提出公式。E从弹性阶段E衰减到进入屈服阶段,sstfyiiEE（5.28）sfffsyppt弹性阶段的泊松比按下列公式计算st-fiy0.1670.283（5.29）sffyp该阶段的应力——应变关系等式为TTddDd（5.30）123ee12366 第5章FRP约束钢管再生混凝土长柱的有限元分析tt1ss1t1tssE1ttt其中Deesss1s（5.31）1t12t1t1tssssttss11t1tssf③塑性阶段(be段)和强化阶段(cd段)及二次塑流阶段(de段)(iy)屈服应力与塑性应变的关系：pHd（5.32）iipp式中：——等效应变的塑性部分；H——与相关的函数。ii[39]假定钢材屈服时满足Von．mises屈服准则，则屈服面的方程为：1F22222Hdp0（5.33）2122331i基于塑性理论可推导dpFi（5.34）塑性应变列阵：Tpppp（5.35）123p3则dS（5.36）2i其中S为应力偏量列阵SSSST（5.37）1231其中Sk1,2,3;kkk3123将（5.37）等式两端化简，等2pTp3TddSS（5.38）2i67 东华理工大学硕士学位论文pd（5.39）ippidd（5.40）i假定由塑性和弹性部分构成完整的全应变，则epddd（5.41）dDd-d（5.42）Ti其中D为钢材弹性阶段的切线刚度矩阵，将（5.43）两边同乘，即TTidiDd-d（5.43）TT经过化简可得iDd-iDdpi（5.44）iTiDp解出得：dd（5.45）iT'HiDi由（5.41）和（5.45）带入（5.46）得dD-DpdDepd（5.46）S2SSSS11213ES2其中DpS3S2S2S2S3（5.47）1s2SSSSS131231s2sssssss11213121212sss其中DEssss1ss3sss（5.48）ep232231121212ssss12ssssssss1312312s12s12sE9GS其中、G22H'3G1s2i68 第5章FRP约束钢管再生混凝土长柱的有限元分析1一次塑流阶段（be阶段）H0，fiy2强化阶段(cd阶段)EH1，fEEiySie21-1Esffuy其中E1e3e23二次塑流阶段（de阶段）H0，fiu经过以上推导过程，其应力—应变关系仍较复杂，应该进一步简化，如图5.7（a）是考虑钢强化的双线性模型，如图5.7（b）是考虑钢强化双线性模型。因为刚才一次塑流段长，在达到强化阶段时变形变大，与实际应用不相符，钢管有是薄壁形，易变形和局部屈服，不能充分发挥组合柱的强度。σibσiaabfyfy0εyεi0εyεi图5.26钢管应力应变曲线Fig5.7Stress-straincurveofsteeltube5.3.2钢管单元类型在ANSYS12.0对钢材的模拟过程中，选用SOLID45单元模拟它的三维实体结构，由8个节点组成该单元体，每个节点共有3个自由度，分别在x、y、z三个方向的自由度。并模拟该钢管单元体具有以下性质：如塑性、蠕变、应力硬化、大变形以及大应变等。如图5.8所示solid45单元的几何形状、节点方向以及坐标轴取向。69 东华理工大学硕士学位论文P④O⑤MO,P⑥KYMK,L③ILXKYJ②单元坐标系六面体单元IX①M,N,O,PJ面坐标系ZIYK,LXJ图5.27SOLID45的几何模型Fig5.8SOLID45geometrymodel5.4FRP纤维的材料模型5.4.1纤维材料的本构关系FRP是一种无屈服强度，只有极限强度的脆性材料，它的本构关系是线弹性，其应力—应变关系如图5.9，当FRP达到极限抗拉强度时，刚度和强度将损失。TT,,,,,QT（5.49）xyzxyxzzyσffrpEfrpεfrpε图5.28FRP受拉时候的应力-应变关系Fig5.9FRPStress-strainrelationshipoftensileforce由Kirchhoff假设，0，其中T为应变转换矩阵z22cs2cs22Tsc2cs（5.50）22cscscs其中ccos,ssin,假定为x逆时针转动材料主轴为正70 第5章FRP约束钢管再生混凝土长柱的有限元分析E112E101-1-12211221EEQ1211220（5.51）1-12211-122100G125.4.2FRP纤维单元FRP材料选用shell41膜纤维单元。该纤维单元膜只承受拉力。单元中的每个节点均沿X，Y，Z轴三个自由度。假设FRP材料厚度变化呈线性变化时，在四个节点输入厚度值。如果FRP材料厚度无变化，只需输入TK（I）的节点值。本文只需输入一个节点值。如图5.10所示是SHELL41膜单元的几何形状、节点坐标轴方向和定位。②K④K,L⑤ZJLZYXJXY③II①⑥图5.29SHELL41几何模型Fig5.10TheSHELL41geometrymodel5.5各种材料之间的粘结本文假定钢管和核心混凝土完全粘结，但是钢管和纤维的粘结很复杂，一般有两个方法：用粘结单元模拟两材料间的相互作用；第二是假设两材料合二为一体，材料之间不产生相互滑移。本文采用第二种。5.6FRP约束钢管再生混凝土长柱有限元计算过程5.6.1建立FRP组合柱有限元模型利用ANSYS12.0软件，建立一个实体几何模型，再根据不同的实体类型进行各自材料的布尔操作，实现FRP材料、薄壁圆钢管与核心混凝土的几何体结合，构成一个完善的几何模型，如图5.11所示。71 东华理工大学硕士学位论文图5.30FC1-1试件几何模型Fig5.11FC1-1specimengeometrymodel定义完单元类型和材性参数后即进行单元网格划分。对本文设计的9个试件采用映射网格划分，并先通过多次试算，最终取得了比较理想的结果。如FC-1试件的网格划分：图5.12、图5.13、图5.14。图5.31FRP网格划分模型图5.32钢管网格划分模型图5.33核心混凝土网格划分模型Fig5.12FRPmeshmodelFig5.13SteelmeshmodelFig5.14Concretegridmodel5.6.2边界约束和加载[51]本章根据相关文献采用位移加载方法，在分析试件极限状态的荷载时，相当于在试件底部施加全部约束，在顶端X和Y向所有节点施加约束，并将试件顶面Z方向所有节点的位移全部耦合在一个起，如图5.15和5.16。72 第5章FRP约束钢管再生混凝土长柱的有限元分析图5.34节点耦合放大图图5.35约束及加载的单元模型Fig5.15NodecouplingenlargementFig5.16Unitmodelofconstraintandload5.6.3求解及后处理采用牛顿迭代法计算。ANSYS有两种后处理方法，即时间处理器post26和后置处理器POST1。POST1是用来检查整个模型的结果，如：时间矢量分布图的应力应变、位移分量、一定负载的步骤和子步骤、应力云图。post26的用途是主要用来检查时间、频率和其他结果的变化以及模型的特定结构。本文就是利用这一功能得到了荷载—位移(P-△)历程曲线。5.6.4计算结果分析图5.36混凝土轴向应力云图Fig5.17Concreteaxialstressnephogram以下是FC-1试件在达到极限荷载状态下的应力云图。图5.17表示核心混凝土在达到极限荷载状态下的应力云图，从图可以知道应力从混凝土端逐渐增加，进而核心混凝土达到抗压强度，最后被粉碎；图5.18表示钢材的等效应力云图，从图可以知道钢材的最大应力下的屈服强度；图5.19表示FRP纤维的环向应力云图，在极限荷载作用下从两端逐渐增加，但是只有部分纤维达到极限拉伸强度。73 东华理工大学硕士学位论文图5.37钢管等效应力云图Fig.5.18Equivalentstressnephogramofsteelpipe图5.38纤维环向应力云图Fig5.19Fiberhoopstressnephogram通过上述建模和求解，求得本章9个试件的计算结果。将本文计算结果与试验结果进行比较，具体数据见表5.1。74 第5章FRP约束钢管再生混凝土长柱的有限元分析表5.1数据对比表Table5.1Datacontrasttable试件FC-1FC-2FC-3FC-4FC-5FC-6FC-7FC-8FC-9编号ANSYS526502389525302138312252168计算值/KN实测46241133846322294225188126值/KN计算值/实1.1381.1221.1501.1351.3601.4721.3881.3411.335测值通过上表可以看出有限元模拟与实际试验结果相近，吻合较好，但是从表上可以看出有限元模拟的数据比实测值更高，这是因为有限元考虑的构件在比较理想的情况下得到的实验结果，而实际试验的构件受多种因素的影响。5.7本章小结基于本章的分析，通过有限元分析软件ansys12.0对组合柱进行模拟分析FRP组合柱的受力情况。通过选取合理的单元，利用纤维理想的线弹性本构关系，选择适当的参数和加载方法，从而求得极限承载力。但是从数据上来看，有限元分析的结果比实际试验测得的结果稍大，其原因是由于有限元分析时，没有考虑三种材料之间的相互粘结滑移。通过ANSYS的后处理，得到了柱的极限荷载的应力分布云图，揭示其破坏机制，试验结果的最大承载力与ANSYS计算结果有一定的吻合。因此，有限元分析方法是可行的。通过ANSYS分析结果表明，组合柱达到极限承载力，核心混凝土压碎，钢基本上都达到其屈服强度，这时候纤维抗拉强度也达到极限强度；从载荷—位移曲线关系来看，不仅其极限承载能力提高，并且增加了相应的位移，并充分发挥核心混凝土的约束效应，提高了构件的延性。当钢管再生混凝土柱达到极限承载力时，此时组合长柱承载力变化不大，仍保留一定的可塑性，FRP约束钢管混凝土柱达到极限承载力后，承载力降低。75 第6章结论与展望6结论与展望6.1本文的结论本文对FRP约束圆钢管再生混凝土长柱进行了力学性能研究。该类柱是通过FRP对再生混凝土和钢管约束的结合，将FRP材料与钢管结合使用，取代了部分钢管，减轻了构件的重量；还减少了钢管的壁厚和钢材使用量，减少了钢管的成本和整个构件的重量；该构件使核心混凝土受FRP和钢管的双重约束，大大提高构件的承载能力，并弥补了钢材和再生混凝土的缺点。因此，FRP组合柱有广阔应用前景。本文主要采用以下影响因素对构件的承载力进行分析，如：粗骨料取代率（0%、25%、50%、75%、100%），FRP的包裹层数，FRP的包裹方式，长细比的设定等。通过对9根构件的实验过程描述和破坏现象的记录，分析构件的荷载位移曲线变化和长柱的稳定性数值分析；通过第四强度理论，以及三向应力状态下核心混凝土破坏准则，分析其在轴心受压极限承载力的公式，分析构件承载力的影响因素；并且根据构件的受力平衡，采用极限平衡理论分析柱极限承载力计算公式。采用ANSYS12．0对FRP组合长柱模拟分析，计算极限承载力，分析内部破坏机理。最后得出以下结论：①FRP约束钢管再生混凝土长柱在负荷初期轴向压缩，FRP约束效应不是纵向变形，随着载荷增大，变形增大，FRP约束作用开始明显，形成双层约束再生核心混凝土芯。②曲线分为上升—峰值—下降—谷值—上升—第二峰值—缓慢变化—急剧下降8个过程。③弹性阶段，横向变形不明显，FRP约束效应不明显，核心再生混凝土和钢管共同承受荷载。④塑性阶段，横向变形增大，FRP约束效应明显，钢筋开始屈服，钢管和再生骨料混凝土应基于重组，核心再生混凝土产生微裂纹，端部受力复杂。⑤塑性硬化阶段，FRP被拉断，曲线出现第二个高峰，此时荷载变化小，位移迅速增大。⑥FRP断裂阶段，钢材屈服，FRP纤维断裂，构件破坏，力大幅下降。⑦荷载-应变曲线反映了不同阶段的变化特征。a.弹性阶段：钢管纵向应变大于横向应变，横向应变和FRP的变化很慢。b.塑性阶段：钢管纵向应变快速变化，FRP横向应变变化快。c.塑性硬化阶段：负载变化不大或波动。d.FRP断裂，负荷急剧下降。⑧荷载—位移曲线表明，FRP组合长柱提高了极限承载力，而且在极限破坏时对应的位移也有所增大，此现象表面对核心混凝土的约束明显，提高了构件的延性。⑨对于FRP组合长柱，当达到极限承载力之后，这时的承载能力会发生降低现象，并且FRP包裹层数对承载力的影响程度降低，说明FRP组合长柱的脆性与纤维层数成正比。总之：通过对构件的理论计算提出假设，并采用参数的影响修正后的理论公式，理论公式的计算结果与构件的实测值误差在10%左右。再生混凝土的再生率在50%与普通的混凝土有0.2%左右的差值，大于50%与普通混凝土有40%以上的差值，在长柱中一76 东华理工大学硕士学位论文层全带包裹的FRP钢管再生混凝土长柱极限荷载提高65.6%，两层全带包裹的FRP钢管再生混凝土提高70.3%，一层三带的FRP钢管再生混凝土的极限荷载提高13.4%，一层四带的FRP钢管再生混凝土的极限荷载提高43.7%，构件的长细比越大构件的极限承载力越低。6.2展望FRP约束钢管再生混凝土是一种新型的构件，到目前还没有学者对其有专项的研究，FRP的发展潜力非常的久远。同时，FRP约束钢管再生混凝土在受力过程中有很好的特性。总之，影响FRP约束钢管再生混凝土的因素很多，今后的发展可以从以下几个方面进行:①再生混凝土的粗骨料一定要经过良好的加工工序，生产品质好、粒径适当、强度高的材料作为粗骨料。②对FRP材料的搭接技术，FRP的搭接效果会在受力的过程中产生滑移影响构件的受力。③本实验做得是构件的轴压，未来的研究可以是构件的偏压。④本实验只在轴力的作用下研究其受力状态，以后可以研究在往复荷载作用下的受力状态，如地震作用。⑤FRP具有耐腐蚀，耐高温的特性，以后可以研究FRP钢管在水中，火中研究其性能。⑥FRP约束钢管再生混凝土有较好的受力特性，未来可以用于桥梁建设，高层建设中。⑦改变构件的截面特性，使钢管和FRP达到双优。⑧分析构件的受力特性在最容易发生破坏的地方进行最有效的加固使得构件的破坏时间滞后，或增大构件的受力大小等。77 致谢行文至此，这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我三年的研究生时光也即将敲响结束的钟声。论文终稿之际首先向我的导师梁炯丰教授致以深深的谢意，感谢梁老师三年来对我在生活、学习、工作上的关心和照顾，使我的研究生生活过得充实有意义。梁老师严谨的科学态度和敏锐的科学洞察力以及勤恳朴实不骄不躁的生活作风给学生留下了不可磨灭的印象，使学生受益匪浅。论文的顺利完成离不开梁老师的耐心指导和鼓励，再一次感谢我的恩师——梁炯丰老师。感谢导师杨泽平副教授、以及杨伟峰教授、易萍华副教授、柴新军教授、侯龙清老师、薛凯喜老师、高金贺老师、等在学业上的指导和帮助。同时，感谢建筑工程学院、研究生院等部门为我创造了良好的学习环境，使我研究生顺利毕业。感谢研究生院的许亚男老师、罗梦悦老师、朱业安老师在生活和学习上的关心和帮助。感谢研究生2012级7班岩土工程专业的李相斌、郑金栋、崔鹏飞、高延生、胡聂雷、司马高飞；地质工程专业的付贤伟、徐少攀、何韬、沈宏亮、谢云欢等同学在生活和学习上的关心和帮助。感谢师弟熊政、谢挺挺在学习及生活上的关心和帮助。最后，感谢我的父母和关心我的亲人，有了你们的鼓励和支持，才使我顺利地完成学业。在这里向你们表达我最衷心的祝愿，祝你们身体健康，工作顺利、万事如意！王长诚2015.06于江西南昌78 东华理工大学硕士学位论文作者简介王长诚，男，汉族，中国共产党党员。1986年9月27日出生于江西省兴国县。2012年09月~2015年07月就读于东华理工大学地质工程专业硕士研究生，师从杨泽平副教授、梁炯丰导师。主要从事再生混凝土应用方面的研究。攻读硕士期间主要参加的课题1、国家自然科学基金项目《型钢部分包裹再生混凝土柱基本力学性能及抗震性能研究》（E080603地区科学基金项目）。2、东华理工大学研究生创新项目《PVC管约束再生混凝土柱的轴压性能研究》。攻读硕士期间发表的论文及专利1、王长诚，梁炯丰，王俭宝．FRP加固型钢混凝土斜截面抗剪承载力计算．内江科技.2014.06．2、梁炯丰，何春峰，王长诚，罗锟、邓宇．再生废砖粗骨料混凝土基本力学性能研究．混凝土.2014.04．79 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