FRP管约束十字形钢骨混凝土柱的力学性能与设计方法

The mechanical behavior and design method of a novel type of FRP tube-confined concrete-encased cross-shaped steel columns (FCCSCs) is investigated experimentally, numerically and theoretically. The columns can be used as bridge piers under severe corrosive environment. Firstly, the experimental study and 3D finite element analysis on FCCSCs subjected to axial compression load have been chosen as breakthrough point to reveal the interaction mechanism among the FRP tube, concrete and cross-shaped steel. Based on the test and analysis results, the cyclic stress-strain model and axially compressed bearing capacity equation for FCCSCs is proposed. Then, the eccentric compression behavior of FCCSCs are investigated experimentally and analytically. The influence of load eccentricities and slenderness ratio on the eccentric compression behavior of composite columns are investigated systematically. On the basis, the N-M interaction diagram, stability coefficient, and ultimate bearing capacity equation of eccentrically compressed FCCSCs are proposed. Finally, the seismic performance of FCCSCs are investigated experimentally and analytically. The influence of axial compression ratio, shear span ratio, seismic load direction and FRP tube confined stress on the seismic performance of FCCSCs are verified. The shear capacity, ultimate drift ratio and lateral load-displacement hysteretic model of FCCSCs are then proposed. The seismic design method for FCCSCs is developed through the above investigations.

以处于恶劣腐蚀环境下的FRP管约束十字形钢骨混凝土桥墩柱为研究对象，对其力学性能和设计方法进行系统深入的试验研究、数值模拟和理论分析。首先以FRP管约束十字形钢骨混凝土柱的轴压性能试验与三维有限元模拟分析为切入点，揭示FRP管、混凝土及十字形钢骨之间的相互作用机理，提出FRP管约束十字形钢骨混凝土滞回本构关系模型，建立轴压承载力公式；在此基础上进行FRP管约束十字形钢骨混凝土柱的偏压性能试验与分析，系统研究偏心距、长细比等对柱偏压性能的影响，得到组合柱的轴力-弯矩（N-M）相关曲线，提出长柱承载力稳定系数，建立偏压承载力计算公式；最后进行FRP管约束十字形钢骨混凝土柱的抗震性能试验与分析，明确轴压比、剪跨比、地震作用方向和FRP管约束强度等对组合柱抗震性能的影响规律，建立FRP管约束十字形钢骨混凝土柱的水平抗剪承载力、极限位移角和荷载-位移恢复力模型，提出实用抗震设计方法。

项目对可用于恶劣腐蚀环境下FRP管约束十字形钢骨混凝土新型组合桥墩柱的力学性能和设计方法进行了系统深入的试验研究、数值模拟和理论分析。首先，从材料层面上进行了新型组合柱的单调及反复受压试验研究，得到了FRP管厚度、十字形钢骨截面尺寸、长细比等参数对组合柱单调和反复受压应力-应变关系曲线的影响规律，实现了组合柱轴压性能的精细化三维有限元模拟分析，揭示了FRP管、混凝土及十字形钢骨之间的相互作用机理，提出了考虑FRP管与十字形钢骨双重约束作用的侧向约束应力计算方法，建立了针对了组合柱的FRP约束混凝土单调及滞回本构关系模型，开发了基于OpenSees的FRP约束混凝土材料模块，提出了FRP管约束十字形钢骨混凝土柱的轴压承载力计算公式；其次，在构件层面进行了组合柱的偏心受压试验，明确了偏心距、长细比等参数对组合柱偏心受压性能的影响规律，得到了轴力-弯矩相关曲线，编制了FRP管约束十字形钢骨混凝土截面弯矩-曲率分析程序，进行了组合柱偏心受压性能的精细化有限元模拟分析，提出了FRP管约束十字形钢骨混凝土柱的偏压承载力计算公式；在此基础上，进行了新型组合柱在单向和双向水平荷载作用下的拟静力试验研究，得到了轴压比、水平荷载加载角度等参数对组合柱抗震性能的影响规律，基于OpenSees有限元分析软件，实现了组合柱抗震性能的精细化有限元模拟分析，并基于试验和有限元分析结果提出了FRP管约束十字形钢骨混凝土柱的水平抗剪承载力、极限位移角计算公式和荷载-位移强度和刚度退化模型，建立了新型组合柱的荷载-位移恢复力模型，提出了实用抗震设计方法；最后，在针对FRP管约束十字形钢骨混凝土柱静力性能研究的基础上，额外对其在轴向冲击荷载作用下的动力性能进行了数值模拟分析，得到了冲击质量、冲击速度等参数对组合柱轴向冲击性能的影响规律，提出了组合柱在轴向冲击荷载作用下弹性、弹塑性和破坏状态的定义和界定方法，得到了组合柱的轴向冲击动力和动位移放大系数，提出了轴向冲击力简化模型；项目研究成果为该新型组合柱在土木工程中的推广应用提供了理论基础和科学依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。