FRP抗屈曲加固钢构件及FRP约束屈曲支撑的受力机理和性能的研究

申请人提出了基于同一原理的两个新型结构技术，即用FRP(纤维增强复合材料)及轻质填充材料构成外部约束系统来抑制钢构件屈曲的受力原理，应用于加固受压钢构件和构成新型轻质约束屈曲支撑，这两种技术都具有施工便捷、自重轻、耐锈蚀等显著优点。本项目拟通过试验、数值模拟和理论分析对常见截面形式的构件进行研究，包括：①受力机理：揭示外约束FRP的力学性能特性及其抑制钢构件屈曲的力学行为和作用机理；②理论方法：外约束FRP抑制钢构件屈曲的力学模型和承载力计算方法；③应用技术：以输电塔结构为应用背景，建议FRP抗屈曲加固钢构件的构造及设计方法；针对抗震减震提出FRP约束屈曲支撑的构造形式和设计方法。通过本项研究，将解决这两种技术共同的基本理论问题和各自的关键技术问题，形成设计方法，从而推动它们在工程中的应用，促进新材料应用和结构工程技术发展，为提高我国工程结构抗灾能力提供可靠、有效的技术手段。

本项目在国际上率先提出了采用FRP(纤维增强复合材料)及轻质填充材料抑制钢构件屈曲的技术，并应用于加固钢构件提高其稳定承载力和构成轻质约束屈曲支撑用以提高结构抗震性能。. 项目组对此技术进行了系统的试验研究、理论分析和设计方法研究。主要包括：(1)设计了FRP空套管加固、FRP套管+砂浆填充加固、竹篾填充+FRP纤维布包裹加固等3种构造形式，分别通过试验验证了其实用性和有效性；(2)通过6批84个构件试验和15个基本材性试验，研究了6种常见截面和不同长细比的钢构件的加固效果，并对比了不同的构件连接方式和不同的FRP套管构造，获得了带FRP外约束钢构件的受压性能和破坏模式；(3)利用有限元软件对FRP加固钢构件的试验进行了有限元模拟，并以此为基础进行了大量的参数分析，获得了带FRP外约束钢构件的受压破坏机理和承载力变化规律；(4)构建了FRP抗屈曲加固钢构件的基本力学模型，分别推导得到了弹性和弹塑性整体稳定的理论表达式并进行了求解，结果和试验及有限元分析结果吻合良好；(5)在以上研究基础上，分析了实际应用的构造要求，并针对既有的受压钢构件设计方法进行调整，建立了FRP抗屈曲加固钢构件的设计方法；(6)分别将此项技术应用于冰灾下输电铁塔结构破坏分析和钢支撑框架的抗震性能试验中，验证了其在提高结构整体性能的有效性。. 通过以上研究取得了以下主要技术成果：(1)提出并发展了新型FRP抗屈曲加固轴压钢构件的技术；(2)建立了FRP抗屈曲加固后钢构件弹性和弹塑性的组合受力理论模型，获得了其承载力计算方法；(3)建立了FRP抗屈曲加固钢构件的设计方法；(4)发展了FRP抗屈曲加固和FRP约束防屈曲支撑提高整体结构性能的方法。. 项目组目前已发表学术论文11篇，其中SCI收录期刊论文4篇，授权发明专利1项，受邀做国际学术会议特邀报告2次，获得各种奖励5项，赢得了国内外同行的高度评价，被国际期刊审稿人认为研究具有原创性和实用性，研究成果被《行业标准（纤维增强复合材料加固修复钢结构技术规程）》所采纳。