内置GFRP布约束UHPC柱的钢管混凝土组合柱轴心受压性能研究.pdf

摘要

内置GFRP布约束UHPC柱的钢管混凝土（Steel-Concrete-Glassfibrereinforced

polymer-Ultra-highperformanceconcrete,简称SCGU）组合柱是采用玻璃纤维布对超高

性能混凝土圆柱进行包裹，之后将其作为芯置于圆形钢管中心，再填入普通混凝土。采

用这种组合形式目的在于将钢管、混凝土、GFRP和超高性能混凝土的优点进行优化组

合，以达到更好的承载能力和延性，并保证在组合柱破坏后依旧有较高的承载能力。本

文先对纤维增强复合材料（FRP）约束超高性能混凝土（UHPC）圆柱进行了轴心抗压试

验研究，然后对SCGU组合柱进行轴心抗压试验研究。主要工作和结论包括：

（1）对21根FRP约束UHPC圆柱进行轴压试验，测试了荷载-应变曲线并分析了

FRP布层数、种类和钢纤维掺量对UHPC轴压性能的影响。研究结果表明：UHPC圆柱

的抗压强度和极限应变随着FRP布层数的增加而得到增加；CFRP布对UHPC圆柱承

载力和极限应变的改善程度要明显好过GFRP布；随着钢纤维掺量的增加，UHPC自身

产生的阻止其横向膨胀的纤维约束力增大，钢纤维体积掺量是影响约束试件轴心抗压强

度与峰值应变的一个因素。

（2）对24根SCGU组合柱进行了轴心抗压试验，测试了荷载-位移曲线并分析了

钢管厚度、核心UHPC柱直径和GFRP布层数对组合柱轴压性能的影响规律。研究结果

表明：试件破坏形态表现为钢管出现多处屈曲，内部普通混凝土被压碎，FRP布断裂，

UHPC核心柱产生的轴向裂缝；组合柱的荷载-位移曲线可简化为弹性、弹塑性、塑流阶

段；组合柱表现出较高的承载力、残余承载力和较好的延性；GFRP布层数增加对其承

载力、延性的改善程度较小；UHPC直径的增加明显提升了其承载力、延性；钢管厚度

的增加对其承载力、延性的改善最为明显。

（3）通过对试验结果和已有研究成果的分析，找出影响FRP约束UHPC圆柱抗压

强度与峰值应变的关键因素，然后考虑纤维约束力的影响，对试验数据回归得出抗压强

度与峰值应变的预测公式，再用于对已有试件进行计算，计算值与试验值吻合较好；对

已有相关本构模型进行分析，提出适合的模型并对其进行修正，修正后的模型与试验曲

线吻合较好。

（4）基于统一强度理论对SCGU组合柱的外层钢管和夹层混凝土轴压承载力进行

理论推导，将钢管的约束作用加入GFRP约束UHPC圆柱中得出芯柱承载力，叠加三部

分承载力得出SCGU组合柱的承载力，然后通过提出公式计算，并于试验结果对比。结

I

果表明，SCGU组合柱承载力的理论计算结果与试验结果吻合良好。

（5）采用ABAQUS有限元软件建立SCGU组合柱的数值模型，并按位移控制方式

进行加载，将组合柱的模拟、试验结果进行对比分析，结果表明，模拟所得荷载-位移曲

线与试验曲线吻合良好，应力云图能够较好展示组合柱的破坏形态。

关键词：纤维增强复合材料(FRP)、超高性能混凝土(UHPC)、轴心抗压、荷载-应变曲线、

本构模型、轴压承载力、数值模型

II

Abstract

Steel-concrete-glassfibrereinforcedpolymer-ultra-highperformanceconcrete(SCGU)

compositecolumnismadeofglassfiberclothwrappedaroundacolumnofultra-high

performanceconcrete,whichisthenplacedasacoreinthecenterofacircularsteeltubeand

filledwithordinaryconcrete.Thepurposeofthiscombinationi