第一章  緒論 

1.1 研究背景 
目前，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的期望值也越來(lái)越高。為追求建筑功能需求的多元化、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理化和建筑經(jīng)濟(jì)效益的最佳化的統(tǒng)一，各類不同材料組合而成的特殊結(jié)構(gòu)形式也日益得到科研工作者的青睞，它們主要是混凝土、碳纖維材料（FRP）與鋼管和鋼筋等組合而成的結(jié)構(gòu)。這些傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)的主要代表有鋼管混凝土組合柱[1]、中空夾層鋼管混凝土組合柱、FRP 管混凝土組合柱等，它們有著各自的構(gòu)造形式和力學(xué)性能，現(xiàn)已得到廣泛的研究和應(yīng)用。 鋼管混凝土柱[2]，即最傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)之一，該結(jié)構(gòu)主要由混凝土和鋼管兩種基本建筑材料組成，通過(guò)將自密實(shí)混凝土灌注在鋼管內(nèi)部空心部分中制作形成。最初由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、塑形變形好和便于施工等特點(diǎn)而被廣泛使用。然而隨著對(duì)建筑結(jié)構(gòu)要求的不斷提高，該傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)柱在承受較大荷載時(shí)往往相應(yīng)提高各材料性能和增加截面尺寸（如提高混凝土和鋼材的強(qiáng)度等級(jí)、增大相應(yīng)結(jié)構(gòu)的截面等）來(lái)實(shí)現(xiàn)其正常工作，這在一方面直接增加了成本。同時(shí)，由于鋼材普遍存在自身的屬性缺陷（如耐久性差和耐火性能一般等），采用該種傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)作為建筑物柱子時(shí)必須外鋼管采取相應(yīng)的防銹防腐措施，后期還得進(jìn)行長(zhǎng)期的維護(hù)工作，這也從另一方面增加了成本。 中空夾層鋼管混凝土組合柱[3-6]，其結(jié)構(gòu)是由同心放置的內(nèi)部的空心鋼管、外部的鋼管以及在兩管中間填充的混凝土組成。中空夾層鋼管混凝土組合柱是在鋼管混凝土柱基礎(chǔ)上發(fā)展的，故它們均具備承載力高、延性好、截面抗彎剛度大（中空夾層鋼管混凝土與鋼管混凝土相比在同樣的自重下，由于截面開(kāi)展可有更大的橫截面，因而抗彎承載力較高。）、抗震性能好和施工方便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)由于其內(nèi)部是空心的，能節(jié)省一部分混凝土用量，從而減輕結(jié)構(gòu)自重。但是作為從鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)化而來(lái)，也同樣存在耐久性差和耐火性能一般等問(wèn)題，這些都直接導(dǎo)致在使用該種結(jié)構(gòu)時(shí)經(jīng)濟(jì)效益不高。 
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1.2 FRP材料的特點(diǎn)及在工程領(lǐng)域的應(yīng)用 
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[10]（Fiber Reinforced Polymers，簡(jiǎn)稱 FRP）是由基體和纖維按一定的比例混合并經(jīng)過(guò)一定工藝而形成的新型材料。采用不同的工藝可以得到 FRP 片材、筋材和索材、網(wǎng)格材、纏繞型材和手糊制品等。FRP 的工程材料性質(zhì)優(yōu)越，有著較高的比強(qiáng)度（即通常所說(shuō)的輕質(zhì)高強(qiáng)）、良好的耐腐蝕性、較強(qiáng)的耐疲勞度、沿纖維方向的低熱膨脹率和高阻尼等，諸多優(yōu)點(diǎn)使其在航空、海洋和汽車工業(yè)中最早得到快速?gòu)V泛應(yīng)用。近二十年來(lái)，  FRP 和建筑工程的結(jié)合才逐漸被重視，特別是在美國(guó)北嶺地震后，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開(kāi)始逐漸應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域， 起初主要是用于混凝土結(jié)構(gòu)等工程的加固補(bǔ)強(qiáng)，隨著 FRP 具備優(yōu)良物理力學(xué)性能而被快速推廣使用，在隨后的各類建筑結(jié)構(gòu)中均會(huì)看到FRP材料以不同的形式出現(xiàn)。圖1-1和圖1-2為典型的FRP復(fù)合材料成品。 部分新建建筑物和較多已有建筑物由于各種原因使其抗震性能或承載能力不能滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，必須進(jìn)行加固和修復(fù)。在混凝土結(jié)構(gòu)的加固工程中，由于 FRP的抗拉強(qiáng)度是鋼筋屈服強(qiáng)度的數(shù)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、板等結(jié)構(gòu)的受拉面粘貼 FRP 片材，不僅可以增強(qiáng)其抗彎承載力，而且可以有效的控制裂縫寬度；在鋼筋混凝土柱的外部環(huán)向纏繞 FRP 布，通過(guò)對(duì)混凝土的約束，使其處于三軸壓力狀態(tài)下，從而增強(qiáng)其強(qiáng)度和變形能力；在梁、柱構(gòu)件外部粘貼由 FRP布制成的 U 型箍，從而使其抗剪承載力得到增強(qiáng)。在鋼結(jié)構(gòu)的加固工程中，由于 FRP的耐久性較好，主要將其用于提高鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命、耐腐蝕性等方面。 
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第二章 FRP 管-混凝土-鋼管組合柱在側(cè)向撞擊荷載下的試驗(yàn)研究 

2.1引言 
如第一章所述，作為一種新型組合結(jié)構(gòu)，目前對(duì) FRP 管-混凝土-鋼管組合柱的研究主要集中在軸壓、偏壓和純彎等靜力方面的研究，對(duì)其在側(cè)向撞擊荷載下的動(dòng)力性能研究甚少。本章對(duì)兩端固支的 FRP-混凝土-鋼管組合柱結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行了側(cè)向撞擊試驗(yàn)，該試驗(yàn)在太原理工大學(xué)落錘試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)的試件分為 9 組，每組包括 2 根相同的FRP 管-混凝土-鋼管組合柱試件。試驗(yàn)主要研究 FRP 管-混凝土-鋼管組合柱在側(cè)向撞擊荷載下的受力和變形特點(diǎn)，并分析撞擊能量、FRP 包裹層數(shù)等對(duì) FRP 管-混凝土-鋼管組合柱試件在側(cè)向撞擊荷載下的力學(xué)性能的影響。同時(shí)對(duì)試件撞擊后的撞擊力（F）、跨中撓度（Δ）和撞擊時(shí)間（t）等試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。另外，鑒于本章的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，后續(xù)的有限元模型驗(yàn)證和相關(guān)參數(shù)分析等工作才有了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 
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2.2撞擊試驗(yàn)基本概況 
本次 FRP-混凝土-鋼管組合柱試件的側(cè)向撞擊試驗(yàn)在自行研制的 DHR-9401 型落錘式撞擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)位于太原理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的，將以兩端固支的邊界條件對(duì)試件跨中進(jìn)行側(cè)向撞擊。該試驗(yàn)機(jī)主要由鋼架、導(dǎo)軌、落錘、試驗(yàn)平臺(tái)等撞擊升降系統(tǒng)和傳感器、示波器、高速攝像機(jī)等數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)共同組成，落錘撞擊試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)裝置側(cè)視圖如圖 2-1 所示。該試驗(yàn)機(jī)的撞擊高度范圍較廣（0m~13.47m），相應(yīng)的撞擊速度范圍為 0 m/s ~15.7m/s，屬于低速撞擊的范疇，完全能夠滿足本次試驗(yàn)要求。撞擊物的總質(zhì)量范圍較廣（2kg ~250kg），可以通過(guò)制作不同質(zhì)量的砝碼，并使之相互組合，靈活調(diào)整撞擊物的總質(zhì)量，從而充分滿足本次試驗(yàn)中的撞擊能量要求。本次試驗(yàn)落錘組合質(zhì)量為 229.8kg；撞擊頭由鉻 15 制成，其底部尺寸為 30mm×80mm，材料硬度較大保證了撞擊過(guò)程中落錘不變形，并且其內(nèi)部安裝了力傳感器。為了達(dá)到良好的整體剛度和隔震性能，本試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)由放置在基礎(chǔ)上的 500m 厚的鋼平臺(tái)構(gòu)成，其垂直部分是帶導(dǎo)軌的豎向門式剛架。試驗(yàn)中釆用高速攝像機(jī)對(duì)整個(gè)撞擊過(guò)程進(jìn)行錄制。  
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第三章  FRP 管-混凝土-鋼管組合柱在側(cè)向撞擊荷載下有限元計(jì)算模型..... 37 
3.1 引言 ........ 37 
3.2 有限元模型概述 .... 37 
3.2.1 材料本構(gòu) ...... 37 
3.2.2 單元選取 ...... 40 
3.2.3 定義接觸 ...... 41 
3.2.4 邊界條件 ...... 41
3.2.5 網(wǎng)格劃分 ...... 41
3.2.6 軸力-撞擊耦合模型 ..... 42 
3.3  有限元模型驗(yàn)證 ........... 44 
3.4  本章小結(jié) ........ 51 
第四章  FRP 管-混凝土-鋼管組合柱在側(cè)向撞擊荷載下的影響參數(shù)分析 ..... 53
4.1 空心率（χ）對(duì)構(gòu)件抗撞擊性能的影響 ....... 53 
4.2 荷載參數(shù)對(duì)構(gòu)件抗撞擊性能的影響 ..... 56 
4.2.1 撞擊能量（E0）的影響 ....... 56 
4.2.2 軸壓比（n）的影響 ..... 57 
4.3 本章小結(jié) ......... 60 
第五章   結(jié)論與展望 .......... 63 
5.1  結(jié)論 ........ 63 
5.2  展望 ........ 64 

第四章 FRP 管-混凝土-鋼管組合柱在側(cè)向撞擊荷載下的影響參數(shù)分析 

本章以第三章建立的有限元模型為基礎(chǔ)對(duì)影響FRP管-混凝土-鋼管柱構(gòu)件在側(cè)向撞擊荷載下力學(xué)性能的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析，這些主要參數(shù)包括：空心率（χ）、撞擊能量（E0）和軸壓比（n）等。為了使本次有限元模擬能夠區(qū)別于試驗(yàn)工況，在保持FRP為單層不變的條件下，利用有限元計(jì)算分析不同的空心率χ（0.3～0.8）和撞擊能量E0（0.5k J～1.99k J）及軸壓比n（0.2～0.8）等不同荷載參數(shù)對(duì)新型組合結(jié)構(gòu)FRP管-混凝土-鋼管柱抗撞擊力學(xué)性能的影響。 

4.1 空心率（χ）對(duì)構(gòu)件抗撞擊性能的影響 

目前對(duì)傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)中空夾層鋼管混凝土的研究已經(jīng)比較完善，雖然本文研究的對(duì)象是新型組合結(jié)構(gòu)FRP管-混凝土-鋼管柱，但兩者之間結(jié)構(gòu)形式完全一致，區(qū)別僅在于外管的改變，即新型復(fù)合材料FRP管取代傳統(tǒng)材料鋼管。而陶忠[53]等分別進(jìn)行中空夾層鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件的試驗(yàn)研究，最后通過(guò)大量的參數(shù)分析研究, 求得了中空夾層鋼管混凝土這種傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)在軸壓、壓彎方面的承載力實(shí)用驗(yàn)算方法。其中的參數(shù)分析之一就是空心率χ，其借助截面示意圖的外在表現(xiàn)形式如圖 4-1 所示，其計(jì)算公式如式（4-1）所示。介于FRP管-混凝土-鋼管柱和中空夾層鋼管混凝土兩者結(jié)構(gòu)形式的一致性，也可采用上述空心率概念來(lái)對(duì)其進(jìn)行參數(shù)影響分析。 

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結(jié)論 

本文為研究?jī)啥斯潭ǖ腇RP管-混凝土-鋼管組合柱的抗撞力學(xué)性能,主要進(jìn)行了以下三個(gè)方面的研究分析工作：首先，在太原理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了不同撞擊能量下和不同F(xiàn)RP包裹層數(shù)下FRP管-混凝土-鋼管組合柱試件的落錘撞擊試驗(yàn)；其次，利用ABAQUS有限元軟件建立了FRP管-混凝土-鋼管組合柱在側(cè)向撞擊下的有限元模型，并對(duì)該模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)在此基礎(chǔ)之上建立了軸力-撞擊耦合模型；最后，在驗(yàn)證有限元模型有效性的基礎(chǔ)上，，利用該模型建立了不同參數(shù)下的有限元模擬計(jì)算并分析了各參數(shù)分別對(duì)FRP管-混凝土-鋼管組合柱抗撞性能的影響。 本文的主要得到如下結(jié)論： 
1、以撞擊能量和FRP包裹層數(shù)作為主要變化參數(shù)進(jìn)行了FRP管-混凝土-鋼管組合柱結(jié)構(gòu)的撞擊試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,FRP-混凝土-鋼管組合柱試件在遭受撞擊后，撞擊力會(huì)迅速達(dá)到峰值。同時(shí)，當(dāng)撞擊能量增大時(shí)，撞擊周期明顯變長(zhǎng)；撞擊力峰值顯著增大；而撞擊力平臺(tái)值幾乎保持不變（僅因材料應(yīng)變率的提高而導(dǎo)致材料強(qiáng)度略有增加）。在相同的撞擊能量下，不同F(xiàn)RP包裹層數(shù)的試件的撞擊力平臺(tái)值和撞擊時(shí)間幾乎保持不變；不同F(xiàn)RP包裹層數(shù)的試件最終的跨中極限撓度值和跨中撓度平臺(tái)值也幾乎不變。結(jié)合以上變化規(guī)律可知，在FRP-混凝土-鋼管組合柱遭受恒定的側(cè)向撞擊烈度（即保持撞擊能量不變）的條件下，單純的通過(guò)增加FRP包裹層數(shù)并不能有效改善該結(jié)構(gòu)的抗撞性能。 
2、在考慮了鋼材、混凝土等材料的應(yīng)變率效應(yīng)和不同部件界面的接觸屬性等前提下，采用ABAQUS有限元軟件建立了兩端固定FRP管-混凝土-鋼管柱試件在側(cè)向撞擊作用下的有限元計(jì)算模型。隨后利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該有限元模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,驗(yàn)證內(nèi)容包括試件的破壞形態(tài)（整體破壞形態(tài)和局部破壞形態(tài)）、撞擊力（F）時(shí)程曲線和跨中撓度(Δ)時(shí)程曲線。驗(yàn)證結(jié)果表明,本次建立的有限元模型具有較高的可靠度，能夠較好地模擬FRP管-混凝土-鋼管柱試件在撞擊荷載下的抗撞力學(xué)性能。同時(shí)，建立了軸力-撞擊耦合的有限元模型。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：100733