新型FRP-钢复合管海水海砂混凝土柱受力性能及其基于可修复性的抗震设计方法

Based on the early research of applicants, this project proposes to study mechanical performance and repairability-based seismic design methods of novel seawater and sea sand concrete (SWSSC) filled FRP-steel composite tube columns. The novel SWSSC filled FRP-steel composite tube structure consists of external FRP, steel tube, internal FRP and core SWSSC, and makes use of the native corrosion resistance ability of FRP. The novel structure makes it possible for concrete mixed with seawater and unwashed sea sand, moreover, it has outstanding application advantages for marine environmental engineering. The aim of this project is to develop the stress-strain relationship models considering the effect of sectional properties for SWSSC filled FRP-steel composite tube columns subjected to monotonic and cyclic axial compressive load. This work investigates the influence rules of damage, failure mechanism, plastic hinge length, ductility, energy absorbing capacity of SWSSC filled FRP-steel composite tube columns, and reveals the effect of design parameters of the composite tube, axial compression ratio on the second stiffness, residual displacement, recoverability and hysteretic behavior. From this project, the quantitative relationships between the performance indicators and the design parameters are established, the models relating the seismic performance indicators to the extent of damage of columns are developed, as well as the repairability is defined thorough two aspects of exterior appearance and quantitative indicators. Finally, the seismic design method based on repairability which can take into account various performance indicators is presented. This work will provide new technical solutions and theoretical basis for marine structures and coastal cities.

基于申请人的前期工作，本项目提出研究新型FRP-钢复合管海水海砂混凝土柱受力性能及其基于可修复性的抗震设计方法，该新型结构由外部FRP、钢管、内部FRP和浇筑于核心的海水海砂混凝土组合而成，其利用FRP天生的耐腐蚀能力，使得海水和原状海砂配制混凝土成为可能，并具备海洋环境的突出应用优势。本课题旨在建立考虑截面特性的单调与反复荷载下FRP-钢复合管海水海砂混凝土的应力-应变关系模型，研究FRP-钢复合管海水海砂混凝土柱损伤、破坏机理、延性、耗能等参数的演化规律及复合管设计参数、轴压比等对二次刚度、残余变形、恢复性能、滞回规律等可修复性指标的影响，确定其设计参数与性能指标的定量关系，建立抗震性能指标与结构损伤程度的关系，从宏观描述及量化指标两个方面实现可修复性的定义，提出能综合考虑各性能指标的基于可修复性的抗震设计方法。为海洋工程及沿海城市建设提供新的结构技术方案与理论依据。

本项目提出了新型FRP-钢复合管海水海砂混凝土柱的结构形式，并对其受力性能和基于可修复性的抗震设计方法进行了多方位的研究。该新型结构利用FRP的耐腐蚀性包裹在钢管内外壁，内填充海水海砂混凝土而形成新型组合结构，良好的利用了海水海砂资源，具备海洋环境的应用优势。具体进行了以下几个方面的研究工作：（1）研究了新型FRP-钢复合管海水海砂混凝土柱在单调轴压荷载下的力学性能，开展了普通强度、高强、UHPC以及珊瑚骨料等多种混凝土配比的大量试验研究，设定了全截面受压和核心混凝土受压两种加载制度，定量分析了FRP和钢管对核心混凝土的约束效果，建立了通用的单调轴压应力-应变关系计算模型；（2）开发了内置分布式FRP管约束海水海砂混凝土增强钢管混凝土柱的新型结构形式，由外侧钢管、夹层普通混凝土、内侧FRP管和核心海水海砂混凝土组成，进行了系列轴压试验并提出了考虑不同混凝土约束机理的应力-应变关系预测曲线；（3）开发了FRP-钢丝网复合管约束海水海砂混凝土柱的新型结构形式，将钢丝网嵌入FRP管内，有效改善了传统FRP约束海水海砂混凝土在轴压荷载下的破坏模式，将钢丝网等效考虑为箍筋约束效应，建议了相应的应力-应变关系计算模型；（4）深化确定了矩形FRP-钢复合管约束混凝土柱的静力性能，揭示了倒圆角可以显著改善矩形FRP-钢复合管约束混凝土柱的FRP在倒角处的受力，揭示了截面特性对其力学性能的影响机理，建议了考虑倒角半径影响的矩形FRP-钢复合管约束混凝土柱承载能力计算模型；（5）完成了新型FRP-钢复合管海水海砂混凝土柱在不同FRP层数和类型参数下的反复轴压性能研究，分析了FRP的应变可恢复性能对塑性应变、刚度退化等关键参数指标的影响，提出了面向设计的完整循环轴压应力-应变关系计算方法；（6）完成了新型FRP-钢复合管海水海砂混凝土柱的抗震性能研究，研究了环向和纵向FRP对钢管外部屈曲的抑制作用，通过数值模拟和理论研究方法确定了设计参数对抗震性能的定量影响，建议了面向设计的恢复力计算模型。