拉挤型GFRP管-混凝土-型钢组合柱受力性能与设计方法研究

Concrete-filled pultruded GFRP tube and section steel columns are a new form of hybrid members. The new column consists of a outer tube made of pultruded glass fiber reinforced plastic and a inner section steel, with the space between filled with concrete. The project has a systematic research on mechanical behavior of pultruded GFRP-concrete-section steel columns by using experimental study, numerical simulation and theory analysis. Firstly, the failure modes of pultruded GFRP-concrete-section steel short columns are researched, formulae of capacity are proposed for short composite column under axial compression. Secondly, the effects of slenderness and eccentricity ratio on capacity of long composite column are analyzed, correction formulae between axial force and moment and critical slenderness are built. Secondly, bond-slip model of composite columns is proposed based on the continuous mechanics state equations of chemical adhesion, microlocking and macrolocking. Thirdly, influence coefficient of composite columns under long term loading is put forward based on creep modes of pultruded GFRP tube and concrete. Lastly, the restoring force model of composite column under low cyclic loading is built. The limited values of axial compression ratio which can guarantee the pultruded GFRP-concrete-section steel columns having a good seismic performance are given. The practical calculation formulae of horizontal capacity for the pultruded GFRP-concrete-section steel columns are also given. New explorations into this field of research include studying static and hysteretic behavior of pultruded GFRP-concrete-section steel columns under short and long term loading and design methods of the composite columns.

拉挤型GFRP管-混凝土-型钢组合柱是在拉挤型GFRP管内设置型钢，然后浇注混凝土而形成的一种新型组合结构形式。项目综合运用试验研究，数值分析和理论分析手段对拉挤型GFRP管-混凝土-型钢组合柱受力性能进行深入研究。首先，研究拉挤型GFRP管-混凝土-型钢组合短柱的破坏模式，建立考虑相关系数的极限承载力公式；然后，讨论长细比和偏心率对组合长柱极限承载力的影响，建立轴力-弯矩相关公式和临界长细比；基于GFRP管与混凝土界面的胶结力、咬合力和摩阻力的连续状态方程建立粘结-滑移模型；接着，在确定GFRP管和混凝土徐变模型的基础上，提出长期荷载作用下组合柱极限承载力影响系数；最后，建立组合柱的恢复力模型，给出满足抗震要求的轴压比限值，推导出组合柱的水平承载力计算公式。本项目对拉挤型GFRP管-混凝土-型钢组合柱在短期与长期荷载作用下的静力性能和滞回性能的研究以及设计方法的建立，是本领域中新的探索。

GFRP管型钢混凝土组合柱作为一种新型的结构柱在本文中被提出，并对其力学性能进行深入的研究。GFRP管型钢混凝土组合柱集GFRP管混凝土柱和型钢混凝土柱的优点于一身，充分发挥了玻璃纤维材料的超强抗拉强度、低泊松比、高弹性模量的优势，内插型钢能有效提高核心混凝土的抗裂能力、提高组合柱的抗拉和抗弯性能并且能消耗组合柱破坏时的能量，从而延缓组合柱的脆性破坏。GFRP管对型钢混凝土有超强的环向约束作用，使型钢混凝土处于三轴受压状态，较大程度的提高其承载力；玻璃纤维材料抗拉强度高、弹性模量大、泊松比低，当组合柱受力时，玻璃纤维的形变量小，使得组合柱的刚度有较大程度的提高；GFRP管抗腐蚀能力很强，作为组合柱的永久保护层使得组合柱在海洋环境、酸碱等恶劣环境中不发生侵蚀损坏，大大降低组合柱的维修养护费用；GFRP管作为核心混凝土的模板，可免除施工中模板的使用费用，同时施工方便快捷；GFRP管的质量比钢管的质量更轻，可以减轻组合柱的重量，有效减小组合柱的截面积，为建筑节省更大空间。.重点研究内容为以下几个方面：1、进行试验方案设计、试件制作、加载方案设计；2、试件加载现象观察记录、试件破坏模式分析总结；3、试件荷载—位移曲线采集和分析、试件荷载—应变曲线采集和分析；4、三个参数（GFRP管径厚比、混凝土强度、含钢率）对试件承载力、刚度、延性等力学性能的影响规律；5、通过实验数据得出GFRP管组合柱的承载力计算公式；6、通过分析提出合理的GFRP管径厚比、混凝土强度、含钢率，提出合理的设计建议。