文摘

滞回行为的差异研究标本的圆形钢管混凝土CFRP-steel管在不同影响因素下,12个标本设计,及其失效模式P-Δ曲线进行了研究。有限元分析是用来模拟标本的P-Δ曲线和变形模式。基于仿真结果,应力分布的样本的组成材料和分析了钢管和混凝土之间的相互作用在整个加载过程中,和三线性模型,圆形钢管混凝土CFRP-steel管的恢复力模型,提出了。所有标本的P-Δ曲线和展示了出色的滞回行为。标本的P-Δ曲线、骨架曲线、变形模式是由有限元分析模拟,仿真结果与实验结果吻合良好。此外,结果恢复力模型的建立基于三线性模型与有限元仿真结果吻合良好。

1。介绍

近年来,地震在世界上越来越普遍。地震带的分布不是均匀的,但他们是广泛分布的。一些学者进行了广泛、深入地研究建筑结构的抗震设计,地震造成了巨大的经济损失和人员伤亡。应对地震灾害的威胁,建筑,建筑结构的滞回行为的研究越来越广泛。如今,最常用的复合结构核心筒混合结构。这是由钢筋和混凝土组成的复合结构,主要使用的优势钢铁混凝土抗压性能和拉伸性能。这不仅是复合结构施工方便,但它也可以节省大量材料,从而达到降低成本的目标,减少组件的重量,缩短施工周期。因此,核心筒混合结构广泛应用于实际工程。

刘和董116)进行扭力测试的圆CFRP钢管混凝土钢管。结果表明,标本的失效模式和纵向碳纤维增强塑料和圆周碳纤维增强塑料是不同的。罗梅罗et al。2)进行了实验研究和有限元理论分析着火性能钢管混凝土组合的成员。结果表明,钢管和碳纤维增强塑料可以一起工作,和组件的变形大致符合平面部分假设。汉和中3]推导出钢管混凝土的轴向力力矩相关方程,描述目前转矩相关方程,并分析了整个过程的标本。聂et al。4)进行了一项试验研究了钢管混凝土支架的扭转滞后行为管与圆截面和矩形截面。结果表明,滞回曲线非常完整,和卸载刚度和初始加载刚度的标本几乎是相同的,和标本显示了良好的耗能性能;的抗扭强度过大轴向压缩比的标本是削弱由于太严重变形。周et al。5)进行的纯扭转滞后行为测试中空夹层钢管混凝土标本断面形状和孔隙比作为主要参数。实验结果表明,初始弹性刚度接近卸载刚度、标本显示良好的能量耗散能力(6],滞回行为的圆截面中空夹层钢管混凝土优于横切面(7,8]。Sundarraja和您正在9]发现钢比和碳纤维增强塑料层的数量有很大的影响的承载力平方CFRP-CFST标本,提出了一种有限元模拟方法有效地繁殖广场CFRP-CFST的力学行为。道等。10,11]表明CFRP-CFST标本的承载力显著降低火灾之后,但钢管混凝土的耐火能力CFRP-steel管标本比普通钢管混凝土的标本。彭et al。12)研究各种材料的影响方钢管混凝土的承载力CFRP-steel管在轴向压缩。王等人。13和切等。14]研究了长细比和偏心的影响比方形钢管混凝土的性能CFRP-steel管。目前,大多数研究都集中在静态组件的性能。因此,有必要研究CFRP-CFST滞后负荷下,建立更准确的恢复力模型。

针对这一点,12组圆CFRP钢管混凝土在实验设计。指钢管混凝土的滞回测试标本的失效模式和横向force-deflectionP -Δ曲线进行了研究。标本的P-Δ曲线和变形模式与有限元分析模拟。在此基础上,每个组件材料的应力分布和钢管和混凝土之间的相互作用进行了分析。基于三线性模型,提出了C-CF-CFRP-ST的恢复力模型。最后,模型的计算结果与有限元模拟的结果来验证模型的准确性。

2。原材料的性能和测试设计

2.1。原材料的性能
2.1.1。钢

使用纵向焊接钢管。钢的材料属性如表所示1fy是钢管的屈服强度。fu是钢管的强度极限。E年代是钢管的弹性模量。εsy是钢管的屈服应变。 泊松比,ε是钢的延伸率。

2.1.2。混凝土

硅酸盐水泥的强度等级42.5中使用的实验。中粗砂作为细骨料。粗骨料的粒径砾石5∼15毫米,和减水剂与水泥重量增加了1%。混凝土的具体比例如表所示2。在这个实验中是指使用的混凝土混合物准备根据欧洲的C50混凝土混凝土和中国的具体代码。

标准养护28天之后,混凝土立方体抗压强度(f)为47.8 MPa和弹性模量(Ec平均绩点34.6)。立方体抗压强度为77.7 MPa在滞后测试。

2.1.3。碳纤维增强塑料和粘胶

碳纤维织物与碳纤维单向织物编织中国制造的。其主要性能如表所示3

胶和胶粘剂是建筑结构胶粘剂由中国建筑科学和技术研究所的测试。

首先,钢管混凝土制备根据汉et al。15]。之后,丙酮是用来清理焊渣和石油钢管表面。粘胶是均匀地应用于钢管的表面,和粘胶的均匀部分应用于碳纤维增强塑料的表面。泡沫是被刮,确保胶完全渗透到碳纤维增强塑料。粘贴碳纤维增强塑料的顺序如下:粘贴首先纵向碳纤维增强塑料。当其表面干燥,然后粘贴碳纤维增强塑料横,横碳纤维增强塑料的搭接长度是150毫米。最后,应用一个层胶外层一周内完全治愈。

2.2。测试设计

总共12个标本的设计,和滞回行为的标本进行了测试。主要参数包括轴向压缩比(n)和纵向碳纤维增强塑料筋系数(η): 在哪里N0是轴向力应用于标本。

计算长度(l),每组2000毫米,外直径(D年代)是140毫米,壁厚(t年代的数量)是4毫米,横向碳纤维增强塑料层(t)是1,n是轴向压缩比,η是纵向碳纤维增强塑料筋系数,lΔ,纵向碳纤维增强塑料层的数量吗y试样的屈服位移,每个标本的具体参数见表4

在测试前,标本放置水平和两端铰接。应用轴向力由电液伺服系统执行机构设置水平,和滞后是由电液伺服系统应用的执行机构垂直设置在中间部分。试样的致动器连接通过一个刚性夹具。为了避免试样在加载的平面外失稳,一组横向支承装置的设计,分别设置在两个季度的标本。标本的加载全景压缩弯曲滞后行为如图1

此控制方法用于测试。实际的负载是常数,和横向负载循环在这个测试。横向载荷和轴向载荷加载到执行机构,和方向如图2。部分C-CF-CFRP-ST标本图如图3。在初始阶段的测试,负载控制和加载阶段,分别根据0.25P加州大学(P加州大学是估计横向承载力),0.5P加州大学和0.7P加州大学,负载周期每一个阶段都是2倍;之后,位移控制加载阶段,根据1.0Δy1.5Δy2.0Δy3.0Δy5.0Δy7.0Δy和8.0Δyy=P加州大学/ K0.7的割线刚度P -当KΔ骨架曲线0.7是0.7P加州大学。其他阶段的负载循环两次。在测试前,0.5的轴向力N0用于加载和卸载,从而降低内部结构不均匀性的影响(16- - - - - -18]。

在测试期间,发票- 306 d智能信号采集与分析系统与垂直传动装置的电液伺服系统直接收集PΔ。发票- 306 d智能信号采集与分析系统与水平致动器的电液伺服系统直接收集N0和Δ′。挠度测量的位移计在两个点接近两个季度的支持。横向应变和纵向应变仪,分别粘贴在钢管和CFRP管外层边缘的中间部分和较低的部分测量压力。加载系统C-CF-CFRP-ST标本图所示4

3所示。测试结果和分析

3.1。测试现象

在到达yield-loading之前,P-Δ曲线的样品基本上是线性的,而且没有明显的残余变形。与侧向位移的增加,有一个小凸起的刚性夹具和样品之间的联系。之后,轴向压缩比有显著影响的实验现象。

标本的小轴向压缩比(n 0.2),当加载3Δy∼5Δy,microbulge发生两边的夹具。卸载和反向加载,又胀是夷为平地,导致microbulge压缩区域在另一边。当加载5Δy为纵向碳纤维增强塑料的标本,它可以发现,碳纤维增强塑料纤维横向裂缝,和纵向碳纤维增强塑料开始打破零星。当加载7Δy明显,击鼓开始发展,连续破裂的声音发出。这时,横向碳纤维增强塑料有点骨折,纵向碳纤维增强塑料在大舞台开始断裂。如图5(一个)A1试样横向和纵向碳纤维增强塑料,裸漏出现在钢管的外壁,这表明纵向加固破碎。之后,大规模的横向碳纤维增强塑料开始断裂。的标本没有纵向碳纤维增强塑料,如图5 (b)偏转时,只有大在加载后期,大量的横向碳纤维增强塑料骨折开始出现。

如图6(一)的标本与大轴向压缩比(n 0.4),标本的变化基本上是一致的标本与小的轴向压缩比(n 0.2)当负载3Δy∼5Δy。后加载到7Δy横向和纵向碳纤维增强塑料的标本开始逐渐断裂。标本没有纵向碳纤维增强塑料,横向碳纤维增强塑料逐渐开始断裂,如图6 (b)

在此基础上,可以发现的增加η试样的损伤程度降低。图7加载后显示所有圆截面的标本。

打破了装运样品后,可以看出有一些微小的凸起在试样的内部,如图8(一个),有更少的裂缝混凝土的相应位置,如图8 (b)由碳纤维增强塑料,这表明混凝土在钢管具有良好的塑料填充性能,测试性能是标本的故障特征不明显。

3.2。的曲线P -Δ
3.2.1之上。的磁滞曲线P -Δ

9显示了P-Δ标本的曲线。可以看出,试件的滞回曲线是完全没有压力的现象。在加载的初始阶段,样品基本上是在弹性阶段,和滞回曲线近似线性变化。屈服后,残余变形逐渐增加,硬度降低。从卸货到反向加载,试件的刚度变化小。的标本没有轴向压缩比,承载力不减少加载的后期。试样的轴向压缩比,承载力明显降低后期的加载。样品没有轴向压缩比只熊弯矩的作用,消耗更少的能源。与轴向压缩比与样品相比,其承载力不减少。另外,随着轴压比的增加,核心混凝土的受压面积增加,更可能导致混凝土开裂,减少后期承载力的标本(3]。

3.2.2。P -Δ骨架曲线

10显示了P-Δ骨架曲线与不同的轴向压缩比的标本。图11显示了当地部分P-Δ骨架曲线。可以看出,随着轴压比的增加,试样的横向承载力和弹性刚度降低。然而,圆形试样的曲线η= 0没有下降阶段。当η>0,标本的曲线递减阶段,下行范围随轴压比的提高。

4所示。有限元模拟

4.1。元素类型选择和网格离散化

采用元素在钢管的网壳元S4完全整合。辛普森与9整合集成点的壳壁厚度方向。网的混凝土、砖3 d元素C3D8R减少集成使用。膜与4个节点用于造型元素M3D4碳纤维增强塑料(19,20.]。

4.2。材料的应力-应变关系

钢的应力-应变关系的细节决定根据汉建议的本构模型和中3]。使用的混凝土损伤塑性混凝土的有限元模拟,和混凝土的应力-应变关系所示以下方程: 混凝土抗压强度的定义是在哪里fcξ′是比约束因素。,C,D相关参数是ξββ年代相关参数是ξ年代εu试样的纵向应变。混凝土的破坏能量准则是用来模拟混凝土的张力。 总能量消耗在混凝土断裂过程的定义是Gfσt0混凝土的极限抗拉强度。

收缩和蠕变不考虑混凝土材料的有限元模型。

横向加固量化的约束的约束因素横向碳纤维增强塑料(ξcf)提出。纵向碳纤维增强塑料的强化效率被定义为加强系数(η)。所有影响因素有(15)(17)。 在哪里一个钢管f钢管横截面积和横向加固的极限抗拉强度。一个节能灯f节能灯横截面积和纵向碳纤维增强塑料的极限抗拉强度,分别。已经被先前的实验验证,碳纤维增强塑料的侧向约束钢管失去一次达到横向碳纤维增强塑料的断裂应变(ε雌性生殖道= 5500με)。当达到纵向碳纤维增强塑料的断裂应变(εcflr= 10000με),纵向加强影响成员丢失(21,22]。

4.3。划分网格、交互和边界条件

细化网格方法用于分析啮合前网收敛。因为钢管和混凝土之间的压力只能转移两种材料的表面上,它们之间的硬接触模式采用。假设钢管和终板有限元模型的一部分,所以元素节点的钢管和终板接触面有相同的节点自由度。在有限元模拟中,没有在切线方向滑动,很难接触端板和混凝土在正常的方向发展。碳纤维增强塑料,采用焊接钢管接触。图12显示了有限元模拟的边界条件的标本。

首先,整个组件被选中的一半,然后四分之一的标本被切断。根据对称组件的几何形状和边界条件,本季度实际组件的模型进行分析,和对称约束条件对计算模型的对称平面。应用边界条件是表面负载端板和侧力滞后是应用于中间部分。为了确保加载模式是一致的,在测试过程中,采用loading-displacement控制模式。

4.4。比较有限元仿真和测试结果

数据1314显示仿真结果和测试结果之间的比较P-Δ曲线和P分别-Δ骨架曲线部分C-CF-CFRP-ST标本。数据(15日)15 (b)显示实际的失效模式和钢管的有限元模拟失效模式标本,分别。数据(16日)16 (b)显示具体的失效模式标本和有限元模拟,分别。可以看出,仿真结果与实验结果有很好的一致性。每组的测试结果与有限元模拟结果基本上是一致的,这表明,建立的模型的仿真结果与实际测试结果吻合较好。表5显示了比较测试和有限元骨架曲线的误差分析。测试的弹性刚度和极限承载力计算和有限元模型,分别。计算结果表明,测试和有限元之间的误差小于20%。的均方偏差之间的弹性刚度和极限承载力试验和有限元计算。的均方偏差之间的弹性刚度测试和有限元是0.89,和标准差之间的极限承载力试验和有限元是0.84。这表明有限元模型是在良好的协议与实验结果。

5。整个加载过程的分析

17显示了标本的典型P-Δ曲线。六个特征点选择的曲线。点O对应轴向压缩的完成状态(N0)。一个对应于钢管的屈服状态。B对应于纵向碳纤维增强塑料的断裂的状态,和C对应于横碳纤维增强塑料的破碎状态。点D对应于负载的状态达到承载力,和E对应的挠度(Δ)达到7Δy,当偏转大约是l/ 25。

5.1。分布的钢管和混凝土之间的相互作用

18显示的分布之间的交互C-CF-CFRP-ST标本的混凝土和钢管在加载点O对点E。可以看出,管和混凝土之间的相互作用主要反映在压缩区。

O钢管和混凝土之间的相互作用是小因为泊松比混凝土的钢管比和混凝土的横向变形小于钢管。钢管的屈服区域(点一个),交互急剧增加。碳纤维增强塑料后断裂点BC,交互继续增加。点D、负载到达承载力和成员之间的相互作用开始减少。点E再次,增加成员之间的相互作用。

5.2。混凝土管的纵向应力分布

19显示了混凝土的纵向应力分布在C-CF-CFRP-ST标本加载点O对点E。可以看出,点O、混凝土在整个部分压缩和成员的最大压应力循环主要是集中在最外层边缘的混凝土。点一个,混凝土的应力显著增加,由于钢管的约束作用,和拉伸区开始出现在部分。在点BC的逐渐增加,中间部分的偏转,的最大压应力混凝土进一步增加。之后,成员的压力几乎没有增加。纵向压力点C点是一致的D,样品到达最大压应力在E点。

5.3。钢管的应力分布

20.显示了钢管的纵向应力分布在S-CF-CFRP-ST标本加载点O对点E。可以看出,标本的完整的部分是压缩点O。钢管仍在弹性阶段与轻载点O、应力分布以及标本的长度相对统一。点一个,钢管张力带的中间部分成员进入屈服阶段。当加载点BC,钢管的压力逐渐增加,碳纤维增强塑料断裂,钢管的屈服区域逐步发展到两端的成员。在点CD的压力钢管基本上是不变的。此外,它的纵向应力分布可以看出,钢管与混凝土基本上是一致的。

5.4。纵向碳纤维增强塑料的应力分布

纵向碳纤维增强塑料在测试作为一个变量,因此,纵向应力分布进行了研究。图21显示了碳纤维增强塑料的纵向应力分布C-CF-CFRP-ST标本在加载点O对点E。可以看出,在O点,纵向碳纤维增强塑料几乎没有压力,因为碳纤维增强塑料只沿着纤维方向产生拉应力。当达到钢管的产量(一个点),拉伸应力在部分区域是最大的,和纵向碳纤维增强塑料仍处于弹性阶段,不断裂。截面的挠度的逐渐增加,拉伸区域的压力部分逐渐增加,达到断裂强度点B。结果表明,纵向碳纤维增强塑料在张力带延迟变形。随着纵向碳纤维增强塑料的破坏面积增加,压力逐渐降低。在整个加载过程中,纵向碳纤维增强塑料在压缩区没有影响。

6。恢复力模型

C-CF-CFRP-ST标本的有限元模拟P-Δ曲线是复杂的在实践中使用,因此有必要提出一个简化恢复力模型。通过大量计算C-CF-CFRP-ST标本的P-Δ曲线(每个参数的阶段:n= 0 0.8∼fy= 235∼420 MPa,f= 30∼90 MPa,α= 0.03∼0.2,ξcf= 0 0.6∼η= 0 0.9∼λ= 10∼80),发现标本的恢复力模型可以适当修改,然后一个模型适合C-CF-CFRP-ST梁柱提出(23,24]。

6.1。三线性模型

如图22,S-CF-CFRP-ST标本的恢复力模型可以用来计算从一个循环结束时弹性阶段的加载。在图18,点一个骨架曲线的末端的线弹性阶段,及其横向载荷为骨架曲线的峰值载荷的0.6倍(Py)。的办公自动化段的刚度定义为K一个

B是骨架线的峰值点,其横向荷载(PyΔ)相应的位移p。。的刚度公元前段被定义为KT。当卸载从1或4点在图18根据执行卸载刚度的弹性阶段(K一个),加载点2或5。点的加载值2 (0.2 +n)的加载值点1纵,和加载值的点(4纵坐标为(0.2 + 1.2n)乘以加载值5点的纵坐标。随着反向荷载继续增加,模型进入23′的软化段或5 d′。分3′和D′OA的延长线,纵坐标是一样的点1(或3)和4(或D),分别。最后,加载路径是沿着3′1′2′3或D′4′5′D,该方法确定软化段2′3和5′D类似于23′,5D分别′。

可以看出,如果位移(Δp)和横向荷载(Py)点B和刚度(K一个)在弹性阶段和刚度(KT)第三段确定恢复力模型可以根据上面的过程计算。

6.2。三线性模型的确定
6.2.1。Ka的确定

根据参数的结果分析,刚度(K一个)S-CF-CFRP-ST标本的恢复力模型显示如下: 哪一个年代,c,节能灯钢管的惯性部分,混凝土,分别和纵向碳纤维增强塑料。

6.2.2。Δ测定pPy

结果表明,组件Δ的具体表达式p如下: 在哪里r=λ/ 40和年代=fy/ 345。

结果表明,组件的具体表达式Py如下:

的表达f1(ξcf,η,n)是通过大量的计算结果的回归。

结果表明,组件的具体表达式y的样本如下:

的表达f2(ξcf,η,n)是通过使用公式(1)和(20.):

6.2.3。的决心KT

刚度(KT)标本的第三段如下: 在哪里c=f/ 60。

6.3。恢复力模型的比较结果和有限元模拟结果

23展示了恢复力模型之间的比较结果和有限元模拟结果C-CF-CFRP-ST标本的P-Δ曲线。可以看出,恢复力模型的结果与有限元仿真吻合良好。

24展示了恢复力模型之间的比较结果和有限元模拟结果的骨架曲线。可以看出,恢复力模型的结果与有限元仿真吻合良好。表6显示比较误差分析计算和有限元的骨架曲线。计算结果表明,测试和有限元之间的误差小于25%。计算结果表明,测试和有限元之间的误差小于20%。的均方偏差之间的弹性刚度和极限承载力恢复力模型和有限元计算。的均方偏差之间的弹性刚度恢复力模型和有限元是0.81,和标准差的极限承载力之间的恢复力模型和有限元是0.93。这表明有限元模型是在良好的协议与恢复力模型的结果。

7所示。结论

(1)碳纤维增强塑料有良好的横向约束和纵向钢筋影响钢管,钢管的局部屈曲延迟。标本的承载力提高轴压比的增加和纵向碳纤维增强塑料筋系数。(2)典型的P-Δ滞回曲线的成员建立的有限元分析,并仿真结果与实验结果有很好的一致性。结合该模型中,每个组件材料的应力分布进行了分析,反映混凝土和钢管的纵向应力分布是一致的,和增加压力逐渐从两端到中间部分。每个组标本的最大应力出现在最外层边缘的中间部分标本。(3)基于三线性模型,S-CF-CFRP-ST建成的恢复力模型,模型的结果与有限元仿真吻合良好。

数据可用性

本研究或分析生成的数据是包含在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

研究报告的研究是由辽宁省人才项目(没有。XLYC1902009)和博士启动基金辽宁省自然科学基金、中国(20170520139)。