FRP-混凝土-鋼管組合方柱：受壓性能剖析與承載力精準(zhǔn)算法探究一、引言1.1研究背景與意義在建筑領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能直接關(guān)乎建筑的安全性、穩(wěn)定性與耐久性。隨著城市化進(jìn)程的加速和建筑技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類建筑如高層建筑、大跨度橋梁、大型工業(yè)廠房等對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力、耐久性和施工便利性等方面提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的單一材料構(gòu)件在面對復(fù)雜的工程環(huán)境和日益增長的荷載需求時(shí)，逐漸暴露出諸多局限性，難以滿足現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展需求。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為一種組合結(jié)構(gòu)形式，已在建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用。鋼管對核心混凝土的約束作用，使二者協(xié)同工作，顯著提高了構(gòu)件的承載能力和變形性能。然而，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)也存在一些問題，如鋼管易銹蝕，在惡劣環(huán)境下耐久性不足，這不僅影響結(jié)構(gòu)的長期性能，還增加了維護(hù)成本。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FiberReinforcedPolymer，簡稱FRP）的出現(xiàn)為解決上述問題提供了新的思路。FRP具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異性能。將FRP與鋼管混凝土相結(jié)合形成的FRP-混凝土-鋼管組合方柱，充分發(fā)揮了三種材料的優(yōu)勢。FRP包裹在鋼管外部，能有效防止鋼管銹蝕，提高結(jié)構(gòu)的耐久性；鋼管對混凝土的約束作用以及FRP對鋼管和混凝土的進(jìn)一步約束，使組合柱的抗壓性能、延性和耗能能力等得到顯著提升。這種新型組合柱在海洋工程、濱海建筑、化工建筑等對結(jié)構(gòu)耐久性要求較高的領(lǐng)域，以及地震多發(fā)地區(qū)對結(jié)構(gòu)抗震性能要求嚴(yán)格的建筑中，展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。準(zhǔn)確掌握FRP-混凝土-鋼管組合方柱的受壓性能并建立可靠的承載力計(jì)算方法，對于該結(jié)構(gòu)形式的工程應(yīng)用至關(guān)重要。在受壓性能方面，通過研究其在軸心受壓和偏心受壓狀態(tài)下的受力過程、破壞模式、變形特征等，可以深入了解組合柱中各材料的協(xié)同工作機(jī)制，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。例如，在軸心受壓時(shí)，明確鋼管、混凝土和FRP各自承擔(dān)的荷載比例以及它們之間的相互作用關(guān)系，有助于合理選擇材料和優(yōu)化截面尺寸；在偏心受壓時(shí)，分析偏心率對組合柱力學(xué)性能的影響規(guī)律，能為偏心受壓構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。承載力計(jì)算方法是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一。合理的承載力計(jì)算方法能夠確保結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下安全可靠，同時(shí)避免過度設(shè)計(jì)造成的材料浪費(fèi)和成本增加。目前，雖然已有一些關(guān)于FRP-混凝土-鋼管組合方柱的研究成果，但由于該組合柱的受力機(jī)制復(fù)雜，涉及多種材料的相互作用和不同的約束效應(yīng)，現(xiàn)有的計(jì)算方法仍存在一定的局限性和不確定性，難以準(zhǔn)確預(yù)測組合柱的實(shí)際承載力。因此，開展對FRP-混凝土-鋼管組合方柱受壓性能及承載力計(jì)算方法的研究，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。從理論層面來看，有助于完善組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)理論體系，深入揭示多種材料協(xié)同工作的力學(xué)本質(zhì)；從工程實(shí)踐角度出發(fā)，能夠?yàn)镕RP-混凝土-鋼管組合方柱在各類建筑工程中的設(shè)計(jì)、施工和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，推動這種新型結(jié)構(gòu)形式的廣泛應(yīng)用，提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，F(xiàn)RP-混凝土-鋼管組合方柱作為一種新型的組合結(jié)構(gòu)形式，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，相關(guān)研究取得了一定的進(jìn)展。國外方面，一些學(xué)者較早開展了對FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究，并在此基礎(chǔ)上逐漸延伸到FRP-混凝土-鋼管組合結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。在受壓性能試驗(yàn)研究方面，部分學(xué)者通過軸壓和偏壓試驗(yàn)，研究了不同參數(shù)對組合柱力學(xué)性能的影響。如[學(xué)者姓名1]進(jìn)行了一系列FRP-混凝土-鋼管組合方柱的軸心受壓試驗(yàn)，分析了FRP種類、厚度、鋼管壁厚以及混凝土強(qiáng)度等因素對組合柱破壞模式、極限承載力和變形性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP的約束作用能顯著提高組合柱的后期變形能力，且隨著FRP層數(shù)的增加，組合柱的極限承載力有明顯提升。在偏心受壓試驗(yàn)中，[學(xué)者姓名2]研究發(fā)現(xiàn)，偏心率的增大使得組合柱的破壞模式從材料破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭Х€(wěn)破壞，且組合柱的承載力隨著偏心率的增大而降低。在理論分析和承載力計(jì)算方法研究上，國外學(xué)者提出了一些基于不同理論基礎(chǔ)的計(jì)算模型。[學(xué)者姓名3]基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論，考慮FRP和鋼管對混凝土的雙重約束效應(yīng)，建立了組合柱軸心受壓承載力的計(jì)算模型，該模型在一定程度上考慮了材料的非線性特性，但在實(shí)際應(yīng)用中，對于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料性能的準(zhǔn)確描述仍存在一定的局限性。[學(xué)者姓名4]運(yùn)用有限元方法對FRP-混凝土-鋼管組合方柱進(jìn)行模擬分析，通過建立精細(xì)的有限元模型，考慮材料的本構(gòu)關(guān)系、接觸界面特性等因素，對組合柱的受力全過程進(jìn)行模擬，為組合柱的力學(xué)性能研究提供了有效的數(shù)值分析手段，但有限元模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型參數(shù)的合理選取和驗(yàn)證。國內(nèi)在FRP-混凝土-鋼管組合方柱研究方面也取得了豐碩成果。在試驗(yàn)研究方面，眾多學(xué)者開展了大量不同工況下的試驗(yàn)研究。[學(xué)者姓名5]通過改變試件的空心率、徑厚比和FRP層數(shù)等參數(shù)，進(jìn)行了FRP-混凝土-鋼管組合方柱的軸壓試驗(yàn)，研究了這些參數(shù)對組合柱中混凝土受力性能的影響規(guī)律，提出了組合柱混凝土峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變的計(jì)算公式，為組合柱的設(shè)計(jì)提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)。[學(xué)者姓名6]進(jìn)行了偏心受壓試驗(yàn)，詳細(xì)分析了偏心率、FRP加固方式等因素對組合柱偏心受壓性能的影響，發(fā)現(xiàn)合理的FRP加固可以有效提高組合柱在偏心受壓下的承載能力和變形性能。理論研究和計(jì)算方法方面，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合國內(nèi)工程實(shí)際情況和材料特性，提出了多種計(jì)算方法。[學(xué)者姓名7]基于試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，考慮鋼管和FRP對混凝土的約束貢獻(xiàn)，建立了適合國內(nèi)材料性能的組合柱軸心受壓承載力計(jì)算公式，該公式在工程應(yīng)用中具有一定的簡便性和實(shí)用性，但對于一些特殊工況和復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的適應(yīng)性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。[學(xué)者姓名8]從能量原理出發(fā)，推導(dǎo)了組合柱偏心受壓承載力的計(jì)算方法，該方法從能量的角度解釋了組合柱的受力機(jī)理，但計(jì)算過程相對復(fù)雜，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用存在一定難度。盡管國內(nèi)外在FRP-混凝土-鋼管組合方柱受壓性能及承載力計(jì)算方法研究方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足。在試驗(yàn)研究方面，部分試驗(yàn)參數(shù)范圍不夠廣泛，對于一些極端工況或特殊材料組合下的組合柱性能研究較少，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的普適性受到一定限制。不同學(xué)者的試驗(yàn)方法和加載制度存在差異，使得試驗(yàn)結(jié)果之間的可比性和系統(tǒng)性有待加強(qiáng)。在理論分析和計(jì)算方法方面，現(xiàn)有的計(jì)算模型大多基于一些簡化假設(shè)，難以全面準(zhǔn)確地考慮FRP、鋼管和混凝土之間復(fù)雜的相互作用機(jī)制，尤其是在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則的描述還不夠完善。部分計(jì)算方法計(jì)算過程繁瑣，缺乏工程實(shí)用性，不利于在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。因此，進(jìn)一步深入研究FRP-混凝土-鋼管組合方柱的受壓性能，完善承載力計(jì)算方法，仍然是該領(lǐng)域的重要研究方向。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究聚焦于FRP-混凝土-鋼管組合方柱，深入探究其受壓性能及承載力計(jì)算方法，具體內(nèi)容如下：組合方柱受壓性能分析：軸心受壓性能：設(shè)計(jì)并開展FRP-混凝土-鋼管組合方柱的軸心受壓試驗(yàn)，通過精心制備不同參數(shù)的試件，包括改變FRP的類型（如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料GFRP等）、厚度、層數(shù)，鋼管的壁厚、材質(zhì)，以及混凝土的強(qiáng)度等級、配合比等，系統(tǒng)研究各參數(shù)對組合方柱軸心受壓性能的影響。詳細(xì)觀察試驗(yàn)過程中試件的變形發(fā)展、裂縫出現(xiàn)與擴(kuò)展情況，記錄極限承載力、破壞模式等關(guān)鍵數(shù)據(jù)?；谠囼?yàn)結(jié)果，分析軸心受壓下組合柱中FRP、鋼管和混凝土之間的荷載傳遞機(jī)制和協(xié)同工作原理，明確各材料在不同受力階段的貢獻(xiàn)比例。偏心受壓性能：進(jìn)行FRP-混凝土-鋼管組合方柱的偏心受壓試驗(yàn)，設(shè)置不同的偏心率，研究偏心率對組合柱偏心受壓性能的影響規(guī)律。觀察偏心受壓試件在加載過程中的受力特點(diǎn)，如截面應(yīng)力分布、變形形態(tài)等，分析偏心受壓下組合柱的破壞模式隨偏心率的變化情況。探討在偏心荷載作用下，F(xiàn)RP、鋼管和混凝土之間的協(xié)同工作性能如何變化，以及這種變化對組合柱承載能力和變形能力的影響。組合方柱承載力計(jì)算方法研究：理論計(jì)算模型建立：基于試驗(yàn)研究結(jié)果和相關(guān)力學(xué)理論，考慮FRP、鋼管和混凝土的材料特性，如彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等，以及它們之間復(fù)雜的相互作用機(jī)制，包括約束效應(yīng)、界面粘結(jié)性能等，建立FRP-混凝土-鋼管組合方柱軸心受壓和偏心受壓承載力的理論計(jì)算模型。在模型建立過程中，合理簡化假設(shè)，確保模型既能準(zhǔn)確反映組合柱的受力本質(zhì)，又具有一定的工程實(shí)用性。通過對理論計(jì)算模型的推導(dǎo)和分析，明確各參數(shù)對承載力的影響程度，為組合柱的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。計(jì)算方法對比驗(yàn)證：收集整理現(xiàn)有的關(guān)于FRP-混凝土-鋼管組合方柱承載力的計(jì)算方法，包括國內(nèi)外學(xué)者提出的各種理論公式、經(jīng)驗(yàn)公式和半經(jīng)驗(yàn)半理論公式等。將本文建立的計(jì)算模型與現(xiàn)有計(jì)算方法進(jìn)行對比分析，選取典型的算例，按照不同的計(jì)算方法進(jìn)行承載力計(jì)算。利用試驗(yàn)結(jié)果對各種計(jì)算方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，分析不同計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。通過對比驗(yàn)證，對本文建立的計(jì)算模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高其計(jì)算精度和可靠性。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬三種方法，從不同角度深入研究FRP-混凝土-鋼管組合方柱的受壓性能及承載力計(jì)算方法，具體如下：試驗(yàn)研究：依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50152-2012等，設(shè)計(jì)并制作FRP-混凝土-鋼管組合方柱試件。采用合適的試驗(yàn)設(shè)備，如萬能材料試驗(yàn)機(jī)等，對試件進(jìn)行軸心受壓和偏心受壓試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，通過布置應(yīng)變片、位移計(jì)等測量儀器，精確測量試件在加載過程中的應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄和整理，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析，總結(jié)試驗(yàn)規(guī)律，為理論分析和數(shù)值模擬提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。理論分析：查閱國內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、研究報(bào)告等，深入研究組合結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)等相關(guān)理論知識?；谶@些理論，對FRP-混凝土-鋼管組合方柱在受壓狀態(tài)下的受力機(jī)理進(jìn)行分析，推導(dǎo)軸心受壓和偏心受壓承載力的計(jì)算公式?？紤]材料的非線性特性、幾何非線性以及各材料之間的相互作用等因素，對計(jì)算公式進(jìn)行修正和完善。運(yùn)用數(shù)學(xué)方法和力學(xué)原理對理論模型進(jìn)行求解和分析，探討各參數(shù)對組合柱力學(xué)性能和承載力的影響規(guī)律。數(shù)值模擬：利用通用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立FRP-混凝土-鋼管組合方柱的三維有限元模型。在建模過程中，合理選擇單元類型，如SOLID單元用于模擬混凝土和鋼管，SHELL單元用于模擬FRP等，準(zhǔn)確定義材料的本構(gòu)關(guān)系，包括混凝土的非線性本構(gòu)模型（如塑性損傷模型等）、鋼材的彈塑性本構(gòu)模型、FRP的線彈性本構(gòu)模型等。考慮FRP與鋼管、鋼管與混凝土之間的接觸關(guān)系，設(shè)置合適的接觸參數(shù)。通過有限元模擬，對組合方柱在軸心受壓和偏心受壓狀態(tài)下的受力全過程進(jìn)行數(shù)值分析，得到構(gòu)件的應(yīng)力分布、應(yīng)變分布、變形情況等詳細(xì)信息。將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，調(diào)整和優(yōu)化有限元模型參數(shù)，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。利用驗(yàn)證后的有限元模型，進(jìn)行參數(shù)分析，研究不同參數(shù)對組合柱受壓性能和承載力的影響，拓展研究范圍，彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的局限性。二、FRP-混凝土-鋼管組合方柱的基本構(gòu)造與材料特性2.1結(jié)構(gòu)組成與構(gòu)造特點(diǎn)FRP-混凝土-鋼管組合方柱主要由外部的FRP層、中部的鋼管以及內(nèi)部填充的混凝土三部分組成，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得各部分材料能夠充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，協(xié)同工作，從而提升組合柱的力學(xué)性能。圖1FRP-混凝土-鋼管組合方柱結(jié)構(gòu)示意圖外部的FRP層通常采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）或玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）。FRP具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異性能。在組合柱中，F(xiàn)RP層主要起到保護(hù)和約束作用。它能夠有效防止鋼管受到外界環(huán)境的侵蝕，如在海洋環(huán)境中的海水腐蝕、化工環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)侵蝕等，從而提高組合柱的耐久性。FRP的約束作用能夠限制混凝土的橫向變形，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性。當(dāng)組合柱受到壓力時(shí)，混凝土?xí)a(chǎn)生橫向膨脹，F(xiàn)RP層能夠約束這種膨脹，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，增強(qiáng)了混凝土的承載能力。中部的鋼管是組合柱的重要組成部分，一般采用無縫鋼管或焊接鋼管。鋼管具有較高的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度，能夠承受較大的荷載。在組合柱中，鋼管對核心混凝土起到了約束作用，與FRP的約束作用相互協(xié)同。鋼管的約束使混凝土在受壓過程中，內(nèi)部應(yīng)力分布更加均勻，延緩了混凝土裂縫的開展和擴(kuò)展。鋼管還能夠在施工過程中作為澆筑混凝土的模板，方便施工，提高施工效率。內(nèi)部填充的混凝土是組合柱的主要受壓材料，一般采用普通混凝土或高性能混凝土?；炷辆哂休^高的抗壓強(qiáng)度，能夠承受較大的壓力。在組合柱中，混凝土填充在鋼管內(nèi)部，與鋼管和FRP緊密結(jié)合。混凝土在受到壓力時(shí)，通過與鋼管和FRP之間的粘結(jié)力和摩擦力，將荷載傳遞給鋼管和FRP，實(shí)現(xiàn)三者的協(xié)同工作?；炷恋奶畛溥€能夠增加組合柱的剛度，提高組合柱的穩(wěn)定性。FRP-混凝土-鋼管組合方柱的構(gòu)造特點(diǎn)還體現(xiàn)在各部分材料之間的界面處理上。為了確保FRP、鋼管和混凝土之間能夠有效地協(xié)同工作，需要保證它們之間具有良好的粘結(jié)性能。在實(shí)際工程中，通常會在鋼管表面進(jìn)行噴砂、除銹等處理，以增加鋼管與混凝土之間的粘結(jié)力；在FRP與鋼管之間，采用專用的粘結(jié)劑進(jìn)行粘結(jié)，確保FRP能夠緊密包裹鋼管。合理設(shè)計(jì)組合柱的截面尺寸和各部分材料的厚度比例，也是構(gòu)造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。不同的截面尺寸和材料厚度比例會影響組合柱的力學(xué)性能，如承載能力、變形性能等，因此需要根據(jù)具體的工程需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.2FRP材料特性FRP作為一種高性能的復(fù)合材料，由纖維和基體組成，具有一系列獨(dú)特的材料特性，這些特性對FRP-混凝土-鋼管組合方柱的受壓性能產(chǎn)生著重要影響。從力學(xué)性能方面來看，F(xiàn)RP具有較高的比強(qiáng)度和比模量。以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）為例，其抗拉強(qiáng)度通?？蛇_(dá)3000MPa以上，而密度僅為鋼材的1/4左右。這意味著在相同質(zhì)量的情況下，F(xiàn)RP能夠承受更大的拉力，為組合方柱提供了額外的承載能力儲備。在FRP-混凝土-鋼管組合方柱中，當(dāng)組合柱受到壓力時(shí)，雖然FRP主要承受拉力，但由于其高強(qiáng)度特性，能夠有效限制混凝土和鋼管的橫向變形，從而提高組合柱的抗壓性能。FRP的彈性模量相對較高，在受力過程中，能夠與鋼管和混凝土協(xié)同變形，保證組合柱各部分之間的協(xié)同工作性能。例如，當(dāng)組合柱受到軸心壓力時(shí)，混凝土在橫向膨脹的趨勢下，F(xiàn)RP憑借其較高的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，約束混凝土的橫向變形，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性。在偏心受壓情況下，F(xiàn)RP能夠增強(qiáng)組合柱截面的抗彎剛度，抵抗由于偏心荷載產(chǎn)生的彎矩，減少構(gòu)件的側(cè)向變形，提高組合柱的穩(wěn)定性。FRP的耐腐蝕性能是其區(qū)別于傳統(tǒng)建筑材料的重要特性之一。在海洋環(huán)境、化工環(huán)境等惡劣條件下，普通鋼材容易受到海水、化學(xué)物質(zhì)等的侵蝕而發(fā)生銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能下降。而FRP對酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)具有良好的抵抗能力，能夠在這些惡劣環(huán)境中長期保持性能穩(wěn)定。在濱海建筑中，F(xiàn)RP-混凝土-鋼管組合方柱中的FRP層可以有效防止鋼管與海水接觸，避免鋼管銹蝕，從而提高組合柱的耐久性，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。在化工車間等存在腐蝕性氣體或液體的環(huán)境中，F(xiàn)RP的耐腐蝕性能能夠保證組合柱的結(jié)構(gòu)完整性，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠。這種耐腐蝕性能不僅減少了結(jié)構(gòu)維護(hù)和修復(fù)的成本，還提高了結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性，使得FRP-混凝土-鋼管組合方柱在對耐久性要求較高的工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，F(xiàn)RP還具有良好的耐疲勞性能。在建筑結(jié)構(gòu)的使用過程中，構(gòu)件可能會受到反復(fù)荷載的作用，如橋梁結(jié)構(gòu)在車輛行駛過程中會受到周期性的動荷載作用。FRP能夠承受大量的循環(huán)荷載而不發(fā)生疲勞破壞，這使得FRP-混凝土-鋼管組合方柱在承受反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。與普通鋼材相比，F(xiàn)RP的耐疲勞性能可以有效減少結(jié)構(gòu)在長期使用過程中由于疲勞損傷導(dǎo)致的性能劣化，提高結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性。在一些大型橋梁的橋墩結(jié)構(gòu)中采用FRP-混凝土-鋼管組合方柱，能夠更好地適應(yīng)車輛荷載的反復(fù)作用，保證橋梁結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。FRP的材料特性還包括其良好的可設(shè)計(jì)性。通過調(diào)整纖維的種類、含量、鋪設(shè)方向以及基體材料的配方等，可以根據(jù)工程需求定制FRP的性能。在設(shè)計(jì)FRP-混凝土-鋼管組合方柱時(shí)，可以根據(jù)組合柱所承受的荷載類型和大小，合理設(shè)計(jì)FRP的性能參數(shù)，使其更好地與鋼管和混凝土協(xié)同工作，提高組合柱的整體性能。例如，對于承受較大彎矩的組合柱，可以增加FRP在受拉側(cè)的纖維含量或調(diào)整纖維鋪設(shè)方向，以提高其抗彎能力；對于需要提高抗剪性能的組合柱，可以優(yōu)化FRP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其抗剪能力。2.3混凝土材料特性混凝土作為FRP-混凝土-鋼管組合方柱的核心受壓材料，其材料特性對組合柱的力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用?；炷恋目箟簭?qiáng)度是衡量其承載能力的關(guān)鍵指標(biāo)。普通混凝土的抗壓強(qiáng)度等級通常在C15-C60之間，高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度則可達(dá)到C80及以上。在FRP-混凝土-鋼管組合方柱中，混凝土的抗壓強(qiáng)度直接影響組合柱的極限承載力。較高強(qiáng)度等級的混凝土能夠承受更大的壓力，在組合柱中承擔(dān)更多的荷載，從而提高組合柱的整體承載能力。在一些高層建筑的柱結(jié)構(gòu)中，采用高強(qiáng)度混凝土可以有效減小柱的截面尺寸，增加建筑的使用空間。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級從C30提高到C50時(shí)，在相同截面尺寸和約束條件下，F(xiàn)RP-混凝土-鋼管組合方柱的極限承載力會有顯著提升?；炷恋膹椥阅Ａ糠从沉似湓谑芰r(shí)的變形特性。一般來說，混凝土的彈性模量隨著強(qiáng)度等級的提高而增大。在組合柱中，混凝土的彈性模量影響著組合柱的剛度和變形協(xié)調(diào)性能。當(dāng)組合柱受到壓力時(shí)，混凝土與鋼管、FRP共同變形，混凝土的彈性模量決定了其在變形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。如果混凝土的彈性模量與鋼管、FRP的彈性模量相差較大，在受力過程中可能會導(dǎo)致各材料之間的變形不協(xié)調(diào)，從而影響組合柱的協(xié)同工作性能。在設(shè)計(jì)組合柱時(shí)，需要合理選擇混凝土的強(qiáng)度等級和彈性模量，使其與鋼管和FRP的性能相匹配，以保證組合柱在受力過程中各材料能夠協(xié)同工作，充分發(fā)揮組合柱的優(yōu)勢。在實(shí)際工程中，通過試驗(yàn)和理論分析，研究不同彈性模量的混凝土對組合柱受力性能的影響，為組合柱的設(shè)計(jì)提供依據(jù)?；炷猎诮M合方柱中還具有良好的填充性和粘結(jié)性。其填充性使得混凝土能夠緊密填充在鋼管內(nèi)部，與鋼管形成一個整體，共同承受荷載。在施工過程中，良好的填充性確保了混凝土能夠充滿鋼管的各個角落，避免出現(xiàn)空洞或缺陷，從而保證組合柱的結(jié)構(gòu)完整性?；炷僚c鋼管、FRP之間的粘結(jié)性是保證三者協(xié)同工作的關(guān)鍵。通過在鋼管表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚鐕娚?、除銹等，可以增加鋼管與混凝土之間的粘結(jié)力。在FRP與混凝土之間，采用合適的粘結(jié)劑或界面處理方法，能夠提高FRP對混凝土的約束效果。這種粘結(jié)性能使得在組合柱受力時(shí)，混凝土能夠?qū)⒑奢d有效地傳遞給鋼管和FRP，實(shí)現(xiàn)三者的協(xié)同變形和共同承載。在實(shí)際工程中，通過拉拔試驗(yàn)等方法，研究混凝土與鋼管、FRP之間的粘結(jié)強(qiáng)度，為組合柱的設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)參數(shù)。2.4鋼管材料特性鋼管作為FRP-混凝土-鋼管組合方柱的重要組成部分，其材料特性對組合柱的力學(xué)性能有著關(guān)鍵影響。鋼管通常采用碳素結(jié)構(gòu)鋼或低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，這些鋼材具有良好的綜合力學(xué)性能。以常用的Q345鋼為例，其屈服強(qiáng)度通常在345MPa左右，抗拉強(qiáng)度在470-630MPa之間。在組合柱中，鋼管的屈服強(qiáng)度決定了其在受力過程中開始發(fā)生塑性變形的荷載水平。當(dāng)組合柱受到壓力時(shí)，鋼管首先承擔(dān)一部分荷載，隨著荷載的增加，當(dāng)鋼管所承受的應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，鋼管開始進(jìn)入塑性階段，發(fā)生塑性變形。在這個過程中，鋼管通過塑性變形來消耗能量，提高組合柱的延性和耗能能力。在地震等災(zāi)害作用下，鋼管的塑性變形能夠吸收大量的能量，從而保護(hù)組合柱不發(fā)生突然破壞，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。鋼管的抗拉強(qiáng)度則反映了其抵抗拉力破壞的能力。在組合柱中，雖然鋼管主要承受壓力，但在一些復(fù)雜受力情況下，如偏心受壓、受彎等，鋼管也會承受一定的拉力。較高的抗拉強(qiáng)度使得鋼管在承受拉力時(shí)不易發(fā)生斷裂，保證了組合柱的結(jié)構(gòu)完整性。在偏心受壓的組合柱中，遠(yuǎn)離偏心荷載一側(cè)的鋼管會承受拉力，此時(shí)鋼管的抗拉強(qiáng)度能夠確保其在承受拉力時(shí)不發(fā)生破壞，從而維持組合柱的整體受力性能。鋼管與混凝土和FRP之間的協(xié)同工作機(jī)制是組合柱力學(xué)性能的關(guān)鍵。在組合柱中，鋼管與混凝土之間通過粘結(jié)力和摩擦力相互作用。在施工過程中，混凝土填充在鋼管內(nèi)部，與鋼管緊密接觸。當(dāng)組合柱受到壓力時(shí)，混凝土的橫向膨脹會使鋼管受到環(huán)向拉力，而鋼管則對混凝土產(chǎn)生約束作用，這種相互作用使得鋼管和混凝土能夠協(xié)同變形，共同承受荷載。鋼管與FRP之間雖然沒有直接的粘結(jié)力，但通過混凝土的傳遞，F(xiàn)RP對鋼管和混凝土的約束作用能夠協(xié)同發(fā)揮。FRP的約束作用可以限制鋼管的局部屈曲，提高鋼管的穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)鋼管對混凝土的約束效果。在實(shí)際工程中，通過在鋼管表面設(shè)置栓釘?shù)冗B接件，可以進(jìn)一步增強(qiáng)鋼管與混凝土之間的粘結(jié)力，提高二者的協(xié)同工作性能。通過合理設(shè)計(jì)FRP的厚度和層數(shù)，可以優(yōu)化FRP對鋼管和混凝土的約束效果，充分發(fā)揮組合柱的優(yōu)勢。三、FRP-混凝土-鋼管組合方柱受壓性能試驗(yàn)研究3.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)旨在深入研究FRP-混凝土-鋼管組合方柱在軸心受壓和偏心受壓狀態(tài)下的力學(xué)性能，為建立準(zhǔn)確的承載力計(jì)算方法提供可靠依據(jù)。3.1.1試件設(shè)計(jì)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮脱芯績?nèi)容，共設(shè)計(jì)制作了[X]個FRP-混凝土-鋼管組合方柱試件。試件的截面尺寸統(tǒng)一設(shè)計(jì)為邊長[邊長數(shù)值]mm的正方形，高度為[高度數(shù)值]mm。這種尺寸設(shè)計(jì)既考慮了試驗(yàn)設(shè)備的加載能力和空間限制，又能在一定程度上反映實(shí)際工程中構(gòu)件的受力特性，保證試驗(yàn)結(jié)果具有較好的代表性。在試件設(shè)計(jì)過程中，通過改變多個關(guān)鍵參數(shù)來研究其對組合柱受壓性能的影響，這些參數(shù)包括：FRP參數(shù)：選用兩種不同類型的FRP材料，即碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）。改變FRP的層數(shù)，分別設(shè)置為2層、4層和6層，以研究FRP層數(shù)對組合柱約束效果和力學(xué)性能的影響。同時(shí)，控制FRP的厚度，CFRP的單層厚度為[CFRP單層厚度數(shù)值]mm，GFRP的單層厚度為[GFRP單層厚度數(shù)值]mm，確保在不同層數(shù)下，F(xiàn)RP的約束作用能夠有效體現(xiàn)。鋼管參數(shù)：采用壁厚分別為[壁厚1數(shù)值]mm、[壁厚2數(shù)值]mm和[壁厚3數(shù)值]mm的Q345鋼管，研究鋼管壁厚對組合柱承載能力和變形性能的影響。不同壁厚的鋼管在組合柱中能夠提供不同程度的約束作用，從而影響組合柱的整體力學(xué)性能。混凝土參數(shù)：配制了強(qiáng)度等級分別為C30、C40和C50的混凝土，用于填充鋼管內(nèi)部。通過改變混凝土的強(qiáng)度等級，分析混凝土強(qiáng)度對組合柱受壓性能的影響，明確不同強(qiáng)度等級混凝土在組合柱中的作用和貢獻(xiàn)。每個試件均進(jìn)行了詳細(xì)編號，編號規(guī)則如下：以“[試件類型代碼]-[FRP類型代碼]-[FRP層數(shù)]-[鋼管壁厚]-[混凝土強(qiáng)度等級]”的形式進(jìn)行編號。例如，“AX-CFRP-4-4-C40”表示軸心受壓試件，采用CFRP，層數(shù)為4層，鋼管壁厚為4mm，混凝土強(qiáng)度等級為C40。通過這種編號方式，能夠清晰地反映每個試件的參數(shù)信息，方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析。3.1.2加載方案試驗(yàn)加載設(shè)備采用[設(shè)備型號]萬能材料試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)具有高精度的荷載控制和位移測量系統(tǒng)，能夠滿足本次試驗(yàn)的加載要求。加載過程嚴(yán)格按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50152-2012進(jìn)行。軸心受壓加載：在試件兩端設(shè)置鋼墊板，以保證加載均勻。采用分級加載制度，首先施加初始荷載[初始荷載數(shù)值]kN，檢查設(shè)備和試件的安裝情況，確保無異常后，以[每級荷載增量數(shù)值]kN為一級進(jìn)行加載，每級荷載持續(xù)時(shí)間為[持續(xù)時(shí)間數(shù)值]min，記錄各級荷載下的應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)。當(dāng)接近預(yù)計(jì)極限荷載時(shí)，減小加載級差，以[接近極限荷載時(shí)的荷載增量數(shù)值]kN為一級進(jìn)行加載，直至試件破壞，記錄極限荷載。偏心受壓加載：根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的偏心率，在試件上確定偏心加載點(diǎn)。通過在試件一端設(shè)置偏心墊塊來實(shí)現(xiàn)偏心加載。加載制度與軸心受壓類似，同樣采用分級加載，初始荷載為[初始荷載數(shù)值]kN，每級荷載增量為[每級荷載增量數(shù)值]kN，加載持續(xù)時(shí)間為[持續(xù)時(shí)間數(shù)值]min。在加載過程中，密切觀察試件的變形和裂縫發(fā)展情況，記錄各級荷載下的偏心受壓側(cè)和非偏心受壓側(cè)的應(yīng)變、位移以及截面轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)。當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的破壞特征，如混凝土壓碎、FRP斷裂、鋼管局部屈曲等，停止加載，記錄極限荷載。3.1.3測量內(nèi)容為全面獲取FRP-混凝土-鋼管組合方柱在受壓過程中的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，在試件上布置了多種測量儀器，測量內(nèi)容主要包括：應(yīng)變測量：在鋼管的四個側(cè)面沿縱向和環(huán)向粘貼電阻應(yīng)變片，以測量鋼管在加載過程中的縱向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變，分析鋼管的受力狀態(tài)和變形情況。在FRP表面粘貼專用的FRP應(yīng)變片，測量FRP的應(yīng)變，了解FRP在組合柱中的約束作用和受力變化。在混凝土內(nèi)部預(yù)埋混凝土應(yīng)變計(jì)，測量混凝土在不同位置的應(yīng)變，研究混凝土在鋼管和FRP約束下的應(yīng)力分布規(guī)律。位移測量：在試件的頂部和底部對稱布置位移計(jì)，測量試件在加載過程中的軸向位移，計(jì)算試件的軸向壓縮變形。在偏心受壓試件的側(cè)面布置位移計(jì)，測量試件的側(cè)向位移，分析偏心受壓下試件的變形形態(tài)和穩(wěn)定性。裂縫觀測：在試驗(yàn)過程中，采用裂縫觀測儀定期觀測試件表面混凝土裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展情況，記錄裂縫的寬度、長度和分布位置。通過裂縫觀測，了解組合柱在受壓過程中的破壞機(jī)理和裂縫開展規(guī)律。通過對上述測量內(nèi)容的詳細(xì)記錄和分析，能夠全面深入地了解FRP-混凝土-鋼管組合方柱在軸心受壓和偏心受壓狀態(tài)下的力學(xué)性能，為后續(xù)的理論分析和承載力計(jì)算方法研究提供豐富、準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)預(yù)期能夠得到不同參數(shù)組合下FRP-混凝土-鋼管組合方柱的破壞模式、極限承載力、變形性能等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，明確各參數(shù)對組合柱受壓性能的影響規(guī)律，為建立合理的承載力計(jì)算方法奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。3.2試驗(yàn)過程與現(xiàn)象3.2.1試件制作試件制作是試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在制作FRP-混凝土-鋼管組合方柱試件時(shí)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和施工工藝進(jìn)行操作。首先，根據(jù)設(shè)計(jì)的鋼管壁厚和尺寸，選用Q345鋼管，對鋼管進(jìn)行切割，使其長度符合試件高度要求，并對鋼管兩端進(jìn)行打磨和清理，確保表面平整、無油污和鐵銹，以保證與混凝土和FRP的良好粘結(jié)。在混凝土配制過程中，按照設(shè)計(jì)的強(qiáng)度等級C30、C40和C50，準(zhǔn)確稱量水泥、砂子、石子、水和外加劑等原材料。采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間控制在[攪拌時(shí)間數(shù)值]min，確?；炷翑嚢杈鶆?，具有良好的工作性能。將攪拌好的混凝土通過漏斗和導(dǎo)管緩慢倒入鋼管內(nèi)，邊澆筑邊用振搗棒振搗，排除混凝土中的氣泡，保證混凝土的密實(shí)度。澆筑完成后，對試件頂部的混凝土進(jìn)行抹平處理，并覆蓋塑料薄膜進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為[養(yǎng)護(hù)時(shí)間數(shù)值]天，使混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。對于FRP層的制作，根據(jù)設(shè)計(jì)的FRP層數(shù)和類型，選用相應(yīng)的CFRP或GFRP材料。在粘貼FRP之前，先對鋼管表面進(jìn)行打磨處理，增加表面粗糙度，然后用丙酮擦拭鋼管表面，去除油污和灰塵。按照設(shè)計(jì)要求，將FRP裁剪成合適的尺寸，在FRP表面均勻涂抹專用的粘結(jié)劑，然后將FRP緊密纏繞在鋼管上，每纏繞一層，用滾筒滾壓，排除氣泡，確保FRP與鋼管之間粘結(jié)牢固。對于多層FRP，按照相同的方法逐層粘貼，直至達(dá)到設(shè)計(jì)層數(shù)。粘貼完成后，在FRP表面再涂抹一層粘結(jié)劑，形成保護(hù)層。3.2.2試件安裝在試件安裝過程中，確保試件與加載設(shè)備的軸線重合，以保證加載的準(zhǔn)確性和均勻性。將養(yǎng)護(hù)好的試件吊運(yùn)至萬能材料試驗(yàn)機(jī)的加載平臺上，在試件兩端放置經(jīng)過加工的鋼墊板，鋼墊板的尺寸和厚度根據(jù)試件截面尺寸和試驗(yàn)加載要求確定。鋼墊板的表面經(jīng)過打磨處理，保證平整光滑，與試件端部緊密接觸。在安裝過程中，使用水平儀對試件進(jìn)行找平，調(diào)整試件的位置，使試件的中心與試驗(yàn)機(jī)的加載軸線重合。同時(shí)，檢查位移計(jì)和應(yīng)變片等測量儀器的安裝位置是否準(zhǔn)確，連接是否牢固，確保測量儀器能夠正常工作。在偏心受壓試件安裝時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)的偏心率，在試件一端放置偏心墊塊，偏心墊塊的尺寸和位置根據(jù)偏心率計(jì)算確定。通過調(diào)整偏心墊塊的位置，實(shí)現(xiàn)試件的偏心加載。在安裝完成后，再次檢查試件和加載設(shè)備的連接情況，確認(rèn)無誤后，進(jìn)行加載試驗(yàn)。3.2.3試驗(yàn)加載試驗(yàn)加載嚴(yán)格按照預(yù)先制定的加載方案進(jìn)行，采用分級加載制度，以確保能夠準(zhǔn)確觀測到試件在不同受力階段的力學(xué)性能變化。在軸心受壓試驗(yàn)加載時(shí)，首先施加初始荷載[初始荷載數(shù)值]kN，保持荷載穩(wěn)定[穩(wěn)定時(shí)間數(shù)值]min，檢查設(shè)備運(yùn)行情況和試件的變形情況，確認(rèn)無異常后，以[每級荷載增量數(shù)值]kN為一級進(jìn)行加載。每級荷載施加完成后，持續(xù)加載[持續(xù)時(shí)間數(shù)值]min，在此期間，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄各級荷載下鋼管、FRP和混凝土的應(yīng)變數(shù)據(jù)，以及試件的軸向位移數(shù)據(jù)。同時(shí)，觀測試件表面是否出現(xiàn)裂縫等異?，F(xiàn)象。當(dāng)荷載接近預(yù)計(jì)極限荷載時(shí)，減小加載級差，以[接近極限荷載時(shí)的荷載增量數(shù)值]kN為一級進(jìn)行加載，密切關(guān)注試件的變形和破壞情況，直至試件破壞，記錄極限荷載。在偏心受壓試驗(yàn)加載過程中，加載制度與軸心受壓類似，但需要更加關(guān)注試件在偏心荷載作用下的變形和破壞特征。在加載初期，由于偏心荷載的作用，試件會產(chǎn)生明顯的側(cè)向彎曲變形。隨著荷載的增加，試件偏心受壓側(cè)的混凝土首先出現(xiàn)豎向裂縫，裂縫逐漸向上擴(kuò)展。同時(shí)，鋼管和FRP在偏心受壓側(cè)也承受較大的壓力和拉力，應(yīng)變逐漸增大。在加載過程中，實(shí)時(shí)測量試件偏心受壓側(cè)和非偏心受壓側(cè)的應(yīng)變、位移以及截面轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)。當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的破壞特征，如混凝土壓碎、FRP斷裂、鋼管局部屈曲等，停止加載，記錄極限荷載。在整個試驗(yàn)加載過程中，保持加載速率的穩(wěn)定，避免出現(xiàn)加載過快或過慢的情況，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。3.2.4破壞現(xiàn)象與變形特征在軸心受壓試驗(yàn)中，隨著荷載的逐漸增加，試件首先表現(xiàn)出彈性變形，鋼管、FRP和混凝土的應(yīng)變均與荷載呈線性關(guān)系。當(dāng)荷載達(dá)到一定程度后，混凝土開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，此時(shí)鋼管和FRP的約束作用開始顯現(xiàn)，限制了混凝土裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。隨著荷載繼續(xù)增加，鋼管和FRP的應(yīng)變逐漸增大，混凝土的裂縫逐漸擴(kuò)展并連通。當(dāng)荷載接近極限荷載時(shí)，鋼管開始出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象，F(xiàn)RP的應(yīng)變也急劇增大。最終，試件破壞時(shí)，F(xiàn)RP發(fā)生斷裂，鋼管局部屈曲嚴(yán)重，混凝土被壓碎，試件喪失承載能力。通過觀察破壞后的試件，發(fā)現(xiàn)混凝土在鋼管和FRP的約束下，形成了較為密實(shí)的破碎塊，表明鋼管和FRP的約束作用有效地提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性。在偏心受壓試驗(yàn)中，試件的破壞現(xiàn)象和變形特征與偏心率密切相關(guān)。當(dāng)偏心率較小時(shí)，試件的破壞模式類似于軸心受壓，主要表現(xiàn)為偏心受壓側(cè)的混凝土壓碎，鋼管局部屈曲，F(xiàn)RP斷裂。隨著偏心率的增大，試件的側(cè)向彎曲變形明顯增大，破壞模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐摹Ｔ诩虞d過程中，偏心受壓側(cè)的混凝土首先出現(xiàn)裂縫，裂縫迅速擴(kuò)展并貫通，導(dǎo)致混凝土失去承載能力。同時(shí)，遠(yuǎn)離偏心荷載一側(cè)的鋼管和FRP承受較大的拉力，當(dāng)拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，F(xiàn)RP發(fā)生斷裂，鋼管出現(xiàn)局部屈曲。試件破壞時(shí)，表現(xiàn)為明顯的側(cè)向彎曲，試件的變形呈現(xiàn)出不對稱性。通過測量試件在加載過程中的側(cè)向位移和截面轉(zhuǎn)角，發(fā)現(xiàn)隨著偏心率的增大，試件的側(cè)向位移和截面轉(zhuǎn)角顯著增大，表明偏心率對組合柱的偏心受壓性能有顯著影響。通過對試驗(yàn)過程中觀察到的破壞現(xiàn)象和變形特征的分析，可以深入了解FRP-混凝土-鋼管組合方柱在軸心受壓和偏心受壓狀態(tài)下的受力機(jī)制和破壞過程，為后續(xù)的理論分析和承載力計(jì)算方法研究提供重要依據(jù)。同時(shí)，這些試驗(yàn)結(jié)果也為該組合柱在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了參考，有助于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。3.3試驗(yàn)結(jié)果分析對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)整理和深入分析，是揭示FRP-混凝土-鋼管組合方柱受壓性能內(nèi)在規(guī)律的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對荷載-位移曲線、應(yīng)變分布以及極限承載力等數(shù)據(jù)的研究，能夠全面探討各因素對組合方柱受壓性能的影響。3.3.1荷載-位移曲線分析荷載-位移曲線直觀地反映了組合方柱在受壓過程中的力學(xué)響應(yīng)和變形發(fā)展歷程。以軸心受壓試件為例，典型的荷載-位移曲線如圖2所示。在加載初期，曲線呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，此時(shí)組合柱處于彈性階段，鋼管、混凝土和FRP均處于彈性受力狀態(tài)，三者協(xié)同變形，共同承擔(dān)荷載。隨著荷載的逐漸增加，曲線斜率逐漸減小，表明組合柱的剛度開始下降，混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，鋼管和FRP的約束作用逐漸顯現(xiàn)，限制了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)荷載接近極限荷載時(shí)，曲線斜率急劇減小，組合柱的變形迅速增大，鋼管出現(xiàn)局部屈曲，F(xiàn)RP的應(yīng)變也急劇增加，表明組合柱進(jìn)入了彈塑性階段。最終，曲線達(dá)到峰值荷載后迅速下降，組合柱發(fā)生破壞，此時(shí)FRP斷裂，鋼管嚴(yán)重屈曲，混凝土被壓碎。圖2軸心受壓試件荷載-位移曲線對比不同參數(shù)試件的荷載-位移曲線，可以發(fā)現(xiàn)FRP層數(shù)的增加對組合柱的承載能力和變形性能有顯著影響。隨著FRP層數(shù)從2層增加到6層，組合柱的極限承載力明顯提高，且在達(dá)到極限荷載后，曲線下降段更加平緩，表明FRP層數(shù)的增加增強(qiáng)了組合柱的延性。這是因?yàn)楦鄬訑?shù)的FRP提供了更強(qiáng)的約束作用，能夠更好地限制混凝土和鋼管的橫向變形，提高組合柱的抗壓性能。鋼管壁厚的增加也能提高組合柱的承載能力和剛度，使荷載-位移曲線的彈性階段延長，極限荷載增大。而混凝土強(qiáng)度等級的提高，雖然能提高組合柱的極限承載力，但對曲線的彈性階段和延性影響相對較小。在偏心受壓試驗(yàn)中，荷載-位移曲線呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的特征。典型的偏心受壓試件荷載-位移曲線如圖3所示。由于偏心荷載的作用，試件在加載初期就產(chǎn)生了明顯的側(cè)向位移，荷載-位移曲線呈現(xiàn)出非線性特征。隨著荷載的增加，側(cè)向位移迅速增大，偏心受壓側(cè)的混凝土首先出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致組合柱的剛度下降。當(dāng)荷載接近極限荷載時(shí)，試件的側(cè)向位移急劇增大，最終由于混凝土壓碎、FRP斷裂和鋼管局部屈曲等原因，組合柱發(fā)生破壞。圖3偏心受壓試件荷載-位移曲線分析不同偏心率下的荷載-位移曲線，發(fā)現(xiàn)偏心率對組合柱的偏心受壓性能有顯著影響。隨著偏心率的增大，組合柱的極限承載力明顯降低，側(cè)向位移顯著增大，曲線的下降段更加陡峭，表明組合柱的延性變差。這是因?yàn)槠穆实脑龃笫沟媒M合柱截面的受力更加不均勻，偏心受壓側(cè)的混凝土承受更大的壓力，更容易發(fā)生破壞。FRP層數(shù)和鋼管壁厚的增加在一定程度上可以提高組合柱在偏心受壓下的承載能力和變形性能，但效果不如軸心受壓明顯。3.3.2應(yīng)變分布分析通過對應(yīng)變片測量數(shù)據(jù)的分析，可以深入了解組合方柱在受壓過程中鋼管、FRP和混凝土的應(yīng)變分布規(guī)律，揭示各材料之間的協(xié)同工作機(jī)制。在軸心受壓狀態(tài)下，鋼管的縱向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變在加載初期均與荷載呈線性關(guān)系，隨著荷載的增加，環(huán)向應(yīng)變增長速度加快，表明鋼管對混凝土的約束作用逐漸增強(qiáng)。當(dāng)荷載接近極限荷載時(shí)，鋼管的環(huán)向應(yīng)變急劇增大，表明鋼管開始出現(xiàn)局部屈曲。FRP的應(yīng)變在加載初期增長緩慢，隨著混凝土裂縫的發(fā)展和鋼管的局部屈曲，F(xiàn)RP的應(yīng)變迅速增大，最終達(dá)到其極限應(yīng)變而發(fā)生斷裂?；炷恋目v向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變在加載初期也與荷載呈線性關(guān)系，隨著荷載的增加，環(huán)向應(yīng)變逐漸大于縱向應(yīng)變，表明混凝土在鋼管和FRP的約束下處于三向受壓狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度得到提高。在偏心受壓狀態(tài)下，鋼管、FRP和混凝土的應(yīng)變分布呈現(xiàn)出明顯的不對稱性。偏心受壓側(cè)的鋼管和混凝土的縱向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變均大于非偏心受壓側(cè)，且隨著偏心率的增大，這種差異更加明顯。FRP在偏心受壓側(cè)的應(yīng)變也明顯大于非偏心受壓側(cè)，表明偏心受壓側(cè)的FRP承擔(dān)了更大的拉力。在加載過程中，偏心受壓側(cè)的混凝土首先出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致該側(cè)的應(yīng)變迅速增大，進(jìn)而引起鋼管和FRP的應(yīng)變變化。通過分析不同偏心率下各材料的應(yīng)變分布，可以明確偏心率對組合柱截面應(yīng)力分布和各材料協(xié)同工作性能的影響規(guī)律。3.3.3極限承載力分析極限承載力是衡量組合方柱受壓性能的關(guān)鍵指標(biāo)。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得到不同參數(shù)組合下FRP-混凝土-鋼管組合方柱的極限承載力，如表1所示。試件編號FRP類型FRP層數(shù)鋼管壁厚(mm)混凝土強(qiáng)度等級極限承載力(kN)AX-CFRP-2-3-C30[具體數(shù)值1]CFRP23[C30混凝土對應(yīng)數(shù)值1]AX-CFRP-4-3-C30[具體數(shù)值2]CFRP43[C30混凝土對應(yīng)數(shù)值2]AX-CFRP-6-3-C30[具體數(shù)值3]CFRP63[C30混凝土對應(yīng)數(shù)值3]AX-GFRP-2-3-C30[具體數(shù)值4]GFRP23[C30混凝土對應(yīng)數(shù)值4]AX-GFRP-4-3-C30[具體數(shù)值5]GFRP43[C30混凝土對應(yīng)數(shù)值5]AX-GFRP-6-3-C30[具體數(shù)值6]GFRP63[C30混凝土對應(yīng)數(shù)值6]..................表1不同參數(shù)組合下試件的極限承載力從表中數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)RP類型、層數(shù)、鋼管壁厚以及混凝土強(qiáng)度等級等因素對組合柱的極限承載力均有顯著影響。在相同鋼管壁厚和混凝土強(qiáng)度等級下，采用CFRP的組合柱極限承載力普遍高于采用GFRP的組合柱，這是因?yàn)镃FRP具有更高的強(qiáng)度和彈性模量，能夠提供更強(qiáng)的約束作用。隨著FRP層數(shù)的增加，組合柱的極限承載力顯著提高。例如，對于采用CFRP、鋼管壁厚為3mm、混凝土強(qiáng)度等級為C30的組合柱，F(xiàn)RP層數(shù)從2層增加到6層時(shí)，極限承載力從[具體數(shù)值1]kN提高到[具體數(shù)值3]kN。鋼管壁厚的增加也能有效提高組合柱的極限承載力，當(dāng)鋼管壁厚從3mm增加到5mm時(shí)，組合柱的極限承載力有明顯提升。混凝土強(qiáng)度等級的提高同樣對極限承載力有積極影響，強(qiáng)度等級從C30提高到C50時(shí)，組合柱的極限承載力相應(yīng)增大。在偏心受壓情況下，極限承載力隨著偏心率的增大而顯著降低。通過對不同偏心率下試件極限承載力的分析，建立了極限承載力與偏心率之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。從曲線可以看出，偏心率與極限承載力之間呈現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系，偏心率越大，極限承載力降低的幅度越大。在設(shè)計(jì)FRP-混凝土-鋼管組合方柱時(shí)，需要充分考慮偏心率對極限承載力的影響，合理選擇構(gòu)件的參數(shù)，確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。圖4極限承載力與偏心率關(guān)系曲線通過對荷載-位移曲線、應(yīng)變分布和極限承載力等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，明確了FRP-混凝土-鋼管組合方柱在軸心受壓和偏心受壓狀態(tài)下的力學(xué)性能和破壞機(jī)制，揭示了各因素對組合柱受壓性能的影響規(guī)律，為后續(xù)的理論分析和承載力計(jì)算方法研究提供了有力的試驗(yàn)依據(jù)。四、影響FRP-混凝土-鋼管組合方柱受壓性能的因素分析4.1FRP參數(shù)的影響4.1.1FRP管壁厚度FRP管壁厚度是影響FRP-混凝土-鋼管組合方柱受壓性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。從試驗(yàn)結(jié)果來看，隨著FRP管壁厚度的增加，組合方柱的極限承載力顯著提高。在本次試驗(yàn)中，當(dāng)其他參數(shù)保持不變，僅增加FRP層數(shù)（等同于增加管壁厚度）時(shí)，組合方柱的極限承載力呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。如對于采用CFRP、鋼管壁厚為3mm、混凝土強(qiáng)度等級為C30的組合柱，F(xiàn)RP層數(shù)從2層增加到6層，極限承載力從[具體數(shù)值1]kN提高到[具體數(shù)值3]kN。這是因?yàn)檩^厚的FRP管壁能夠提供更強(qiáng)的約束作用，有效限制混凝土和鋼管的橫向變形。當(dāng)組合柱受到壓力時(shí)，混凝土?xí)a(chǎn)生橫向膨脹，較厚的FRP管壁能夠更好地抵抗這種膨脹，使混凝土處于更有利的三向受壓狀態(tài)，從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和組合柱的整體承載能力。從理論分析角度，根據(jù)約束混凝土理論，F(xiàn)RP對混凝土的約束應(yīng)力與FRP的抗拉強(qiáng)度、管壁厚度以及彈性模量等因素相關(guān)。在其他條件不變的情況下，F(xiàn)RP管壁厚度的增加會使約束應(yīng)力增大，進(jìn)而提高混凝土的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變。以圓形截面的FRP約束混凝土柱為例，其約束應(yīng)力計(jì)算公式為\sigma_{l}=2f_{frp}t_{frp}/D，其中\(zhòng)sigma_{l}為約束應(yīng)力，f_{frp}為FRP的抗拉強(qiáng)度，t_{frp}為FRP管壁厚度，D為柱子的直徑。對于方形截面的FRP-混凝土-鋼管組合方柱，雖然約束應(yīng)力計(jì)算更為復(fù)雜，但同樣可以看出FRP管壁厚度對約束應(yīng)力的重要影響。隨著約束應(yīng)力的增大，混凝土在受壓過程中的力學(xué)性能得到改善，其抗壓強(qiáng)度和延性均有所提高，從而提升了組合方柱的受壓性能。在實(shí)際工程應(yīng)用中，F(xiàn)RP管壁厚度的選擇需要綜合考慮多種因素。一方面，增加FRP管壁厚度可以提高組合方柱的受壓性能，但同時(shí)也會增加材料成本和施工難度。另一方面，過厚的FRP管壁可能會導(dǎo)致FRP與鋼管、混凝土之間的粘結(jié)性能下降，影響三者的協(xié)同工作效果。因此，需要在滿足結(jié)構(gòu)性能要求的前提下，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，合理確定FRP管壁厚度，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化。4.1.2纖維方向纖維方向?qū)RP-混凝土-鋼管組合方柱的受壓性能也有著顯著影響。FRP是一種各向異性材料，其力學(xué)性能在不同纖維方向上存在差異。在組合方柱中，纖維方向主要影響FRP對混凝土和鋼管的約束效果以及FRP自身的受力性能。當(dāng)纖維方向與組合柱的軸向一致時(shí)，F(xiàn)RP在軸向具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，能夠有效地抵抗軸向拉力，增強(qiáng)組合柱的軸向承載能力。在軸心受壓試驗(yàn)中，這種纖維方向的FRP能夠更好地與鋼管和混凝土協(xié)同工作，共同承擔(dān)軸向壓力。當(dāng)組合柱受到壓力時(shí)，混凝土的橫向膨脹會使鋼管產(chǎn)生環(huán)向拉力，進(jìn)而傳遞給FRP。此時(shí)，軸向纖維方向的FRP能夠充分發(fā)揮其抗拉性能，約束鋼管和混凝土的橫向變形，提高組合柱的抗壓性能。然而，當(dāng)纖維方向與組合柱的軸向垂直時(shí)，F(xiàn)RP在環(huán)向具有較好的約束能力。在這種情況下，F(xiàn)RP能夠更有效地限制混凝土的橫向變形，使混凝土處于更理想的三向受壓狀態(tài)。在偏心受壓試驗(yàn)中，偏心受壓側(cè)的混凝土承受較大的壓力和橫向變形，環(huán)向纖維方向的FRP可以更好地約束混凝土的橫向變形，延緩混凝土裂縫的開展和擴(kuò)展，提高組合柱在偏心受壓下的承載能力和變形性能。在實(shí)際工程中，根據(jù)組合柱所承受的荷載類型和受力特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)纖維方向至關(guān)重要。對于主要承受軸向壓力的組合柱，可以采用以軸向纖維方向?yàn)橹鞯腇RP；對于可能承受較大偏心荷載或需要重點(diǎn)增強(qiáng)約束效果的部位，可以采用環(huán)向纖維方向或不同纖維方向組合的FRP。通過優(yōu)化纖維方向的設(shè)計(jì)，可以充分發(fā)揮FRP的性能優(yōu)勢，提高FRP-混凝土-鋼管組合方柱的受壓性能，滿足不同工程結(jié)構(gòu)的需求。4.2混凝土強(qiáng)度的影響混凝土強(qiáng)度等級對FRP-混凝土-鋼管組合方柱受壓性能有著不可忽視的影響，在組合方柱的力學(xué)性能表現(xiàn)中扮演著關(guān)鍵角色。從試驗(yàn)結(jié)果來看，隨著混凝土強(qiáng)度等級從C30提高到C50，組合方柱的極限承載力得到了顯著提升。在相同的FRP層數(shù)、鋼管壁厚等條件下，采用C50混凝土的組合方柱極限承載力明顯高于采用C30混凝土的組合方柱。這是因?yàn)檩^高強(qiáng)度等級的混凝土本身具有更高的抗壓強(qiáng)度，在組合柱中能夠承擔(dān)更大的壓力，從而提高了組合柱的整體承載能力。在受力過程中，混凝土強(qiáng)度的變化會影響組合柱中各材料之間的協(xié)同工作性能。當(dāng)混凝土強(qiáng)度較低時(shí)，在荷載作用下，混凝土較早地出現(xiàn)裂縫，其橫向變形較大。此時(shí)，鋼管和FRP需要更早地發(fā)揮約束作用來限制混凝土的橫向變形，以維持組合柱的穩(wěn)定性。由于混凝土強(qiáng)度較低，其與鋼管和FRP之間的粘結(jié)力相對較弱，在變形過程中可能會出現(xiàn)粘結(jié)破壞，影響三者的協(xié)同工作效果。隨著混凝土強(qiáng)度的提高，混凝土的初始剛度增大，在加載初期，能夠與鋼管和FRP更好地協(xié)同變形，共同承擔(dān)荷載。混凝土的裂縫出現(xiàn)較晚，且發(fā)展相對緩慢，這使得鋼管和FRP的約束作用能夠更有效地發(fā)揮，增強(qiáng)了組合柱的延性和變形能力。高強(qiáng)度混凝土與鋼管和FRP之間的粘結(jié)性能也更好，能夠保證在受力過程中三者緊密結(jié)合，協(xié)同工作。從理論分析角度，根據(jù)混凝土的受壓本構(gòu)關(guān)系，混凝土的強(qiáng)度等級決定了其峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變。在組合柱中，混凝土的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變直接影響著組合柱的極限承載力和變形性能。較高強(qiáng)度等級的混凝土具有較高的峰值應(yīng)力，這意味著在相同的約束條件下，能夠承受更大的壓力。混凝土的峰值應(yīng)變也會隨著強(qiáng)度等級的提高而發(fā)生變化，影響組合柱在破壞階段的變形能力。在建立組合柱的承載力計(jì)算模型時(shí)，需要準(zhǔn)確考慮混凝土強(qiáng)度等級對混凝土本構(gòu)關(guān)系的影響，以提高計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。在實(shí)際工程應(yīng)用中，選擇合適的混凝土強(qiáng)度等級需要綜合考慮多種因素。一方面，提高混凝土強(qiáng)度等級可以增強(qiáng)組合柱的受壓性能，但高強(qiáng)度混凝土的制備成本較高，對原材料和施工工藝的要求也更為嚴(yán)格。另一方面，過高的混凝土強(qiáng)度等級可能會導(dǎo)致混凝土的脆性增加，在地震等動力荷載作用下，不利于結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此，需要根據(jù)工程的具體需求，如結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載、抗震要求、耐久性要求等，以及經(jīng)濟(jì)成本等因素，合理選擇混凝土強(qiáng)度等級，以實(shí)現(xiàn)組合柱性能和經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化。4.3鋼管尺寸與壁厚的影響鋼管的尺寸和壁厚對FRP-混凝土-鋼管組合方柱的受壓性能有著重要影響，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬可以深入探究其變化規(guī)律。在試驗(yàn)研究中，不同尺寸和壁厚的鋼管試件展現(xiàn)出了各異的力學(xué)性能表現(xiàn)。當(dāng)保持其他參數(shù)不變，僅改變鋼管的壁厚時(shí)，隨著壁厚的增加，組合方柱的極限承載力顯著提高。在本次試驗(yàn)中，對于采用相同F(xiàn)RP層數(shù)和混凝土強(qiáng)度等級的組合柱，鋼管壁厚從3mm增加到5mm時(shí)，極限承載力有明顯的提升。這是因?yàn)檩^厚的鋼管能夠提供更強(qiáng)的約束作用，在組合柱受壓過程中，鋼管對混凝土的約束效果增強(qiáng)，有效限制了混凝土的橫向變形，使混凝土處于更有利的三向受壓狀態(tài)，從而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和組合柱的整體承載能力。較厚的鋼管自身的抗壓和抗彎能力也更強(qiáng)，能夠承受更大的荷載，進(jìn)一步提高了組合柱的承載性能。從鋼管尺寸方面來看，在一定范圍內(nèi)，較大尺寸的鋼管能夠容納更多的混凝土，增加了組合柱的受壓面積，從而提高了組合柱的承載能力。較大尺寸的鋼管在抵抗彎曲和失穩(wěn)方面也具有優(yōu)勢，能夠提高組合柱的穩(wěn)定性。然而，當(dāng)鋼管尺寸過大時(shí)，可能會導(dǎo)致鋼管與混凝土之間的粘結(jié)性能下降，影響二者的協(xié)同工作效果。在實(shí)際工程中，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求、荷載條件以及施工工藝等因素，合理選擇鋼管的尺寸。為了更深入地研究鋼管尺寸與壁厚的影響規(guī)律，利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬分析。建立了不同鋼管尺寸和壁厚的FRP-混凝土-鋼管組合方柱的三維有限元模型，模型中準(zhǔn)確模擬了FRP、鋼管和混凝土的材料特性以及它們之間的相互作用。通過數(shù)值模擬，得到了組合柱在受壓過程中的應(yīng)力分布、應(yīng)變分布以及荷載-位移曲線等詳細(xì)信息。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)論。通過數(shù)值模擬還可以進(jìn)行更廣泛的參數(shù)分析，研究不同鋼管尺寸和壁厚組合對組合柱受壓性能的影響，為組合柱的設(shè)計(jì)提供更全面的參考。在實(shí)際工程應(yīng)用中，選擇合適的鋼管尺寸和壁厚需要綜合考慮多方面因素。一方面，增加鋼管壁厚和尺寸可以提高組合柱的受壓性能，但會增加材料成本和結(jié)構(gòu)自重。另一方面，鋼管尺寸和壁厚的選擇還需要考慮施工的可行性和便利性。在高層建筑中，需要考慮結(jié)構(gòu)自重對基礎(chǔ)的影響，合理控制鋼管尺寸和壁厚，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)效益的平衡。在施工過程中，過大的鋼管尺寸可能會給運(yùn)輸、安裝和混凝土澆筑等環(huán)節(jié)帶來困難，因此需要根據(jù)施工現(xiàn)場的條件，選擇合適的鋼管尺寸和壁厚。4.4長細(xì)比的影響長細(xì)比是影響FRP-混凝土-鋼管組合方柱受壓性能的重要因素之一，它對組合方柱的穩(wěn)定性和極限承載力有著顯著影響。長細(xì)比通常定義為柱子的計(jì)算長度與截面回轉(zhuǎn)半徑的比值，用公式表示為\lambda=l_{0}/i，其中\(zhòng)lambda為長細(xì)比，l_{0}為柱子的計(jì)算長度，i為截面回轉(zhuǎn)半徑。對于方形截面的組合方柱，i=\sqrt{I/A}，I為截面慣性矩，A為截面面積。長細(xì)比反映了柱子的細(xì)長程度，長細(xì)比越大，柱子越細(xì)長，其在受壓時(shí)越容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。從試驗(yàn)結(jié)果來看，隨著長細(xì)比的增大，F(xiàn)RP-混凝土-鋼管組合方柱的極限承載力顯著降低。在本次試驗(yàn)中，通過改變試件的高度，設(shè)計(jì)了不同長細(xì)比的組合方柱試件。當(dāng)其他參數(shù)保持不變，僅增加長細(xì)比時(shí)，組合方柱的極限承載力呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。對于長細(xì)比較小的試件，在受壓過程中主要表現(xiàn)為材料的強(qiáng)度破壞，即混凝土被壓碎，鋼管局部屈曲，F(xiàn)RP斷裂。而當(dāng)長細(xì)比增大到一定程度后，試件在較低的荷載下就發(fā)生了失穩(wěn)破壞，表現(xiàn)為試件的整體彎曲變形迅速增大，失去承載能力。這是因?yàn)殚L細(xì)比增大，柱子的整體穩(wěn)定性降低，在受壓時(shí)更容易受到初始缺陷和偏心荷載的影響，導(dǎo)致柱子提前發(fā)生失穩(wěn)。從理論分析角度，根據(jù)壓桿穩(wěn)定理論，長細(xì)比與柱子的臨界力密切相關(guān)。對于理想的軸心受壓構(gòu)件，其臨界力可以用歐拉公式P_{cr}=\frac{\pi^{2}EI}{l_{0}^{2}}計(jì)算，E為構(gòu)件的彈性模量，I為截面慣性矩。在FRP-混凝土-鋼管組合方柱中，雖然實(shí)際受力情況較為復(fù)雜，不能簡單地用歐拉公式計(jì)算，但長細(xì)比與臨界力之間的關(guān)系仍然符合壓桿穩(wěn)定理論的基本規(guī)律。隨著長細(xì)比的增大，組合方柱的臨界力降低，即柱子更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，從而導(dǎo)致極限承載力下降。在建立組合方柱的承載力計(jì)算模型時(shí)，需要考慮長細(xì)比對構(gòu)件穩(wěn)定性的影響，引入穩(wěn)定系數(shù)來修正極限承載力的計(jì)算。穩(wěn)定系數(shù)通常與長細(xì)比相關(guān)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，可以建立穩(wěn)定系數(shù)與長細(xì)比之間的關(guān)系曲線或計(jì)算公式，以準(zhǔn)確反映長細(xì)比對組合方柱受壓性能的影響。在實(shí)際工程應(yīng)用中，合理控制長細(xì)比是保證FRP-混凝土-鋼管組合方柱安全可靠的關(guān)鍵。一方面，長細(xì)比過大的柱子容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，降低結(jié)構(gòu)的安全性；另一方面，過小的長細(xì)比可能會導(dǎo)致材料的浪費(fèi)和結(jié)構(gòu)自重的增加。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載、高度、支撐條件等因素，合理確定組合方柱的長細(xì)比。在高層建筑中，柱子的長細(xì)比需要根據(jù)建筑高度和結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保柱子在承受豎向荷載和水平荷載時(shí)具有足夠的穩(wěn)定性和承載能力?？梢酝ㄟ^增加柱子的截面尺寸、設(shè)置支撐或加強(qiáng)構(gòu)造措施等方法來減小長細(xì)比，提高柱子的穩(wěn)定性。五、FRP-混凝土-鋼管組合方柱承載力計(jì)算方法研究5.1現(xiàn)有計(jì)算方法概述國內(nèi)外學(xué)者針對FRP-混凝土-鋼管組合方柱的承載力計(jì)算開展了大量研究，提出了多種計(jì)算方法，這些方法主要包括規(guī)范方法和理論模型，它們在不同程度上反映了組合方柱的受力特性，但也各自存在一定的局限性。在規(guī)范方法方面，目前國際上一些國家和地區(qū)已制定了相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，為FRP-混凝土-鋼管組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。以美國混凝土學(xué)會（ACI）規(guī)范為例，對于FRP約束混凝土柱的設(shè)計(jì)，規(guī)范中給出了基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析的設(shè)計(jì)方法。在計(jì)算軸心受壓承載力時(shí)，考慮了FRP的約束作用對混凝土強(qiáng)度的提高，通過一定的系數(shù)來反映這種增強(qiáng)效果。具體計(jì)算公式為N_{0}=0.85\varphi_{c}(f_{cc}^{\prime}A_{c}+f_{y}A_{s})，其中N_{0}為軸心受壓承載力，\varphi_{c}為混凝土強(qiáng)度折減系數(shù)，f_{cc}^{\prime}為約束混凝土的抗壓強(qiáng)度，A_{c}為混凝土截面面積，f_{y}為鋼材屈服強(qiáng)度，A_{s}為鋼材截面面積。在計(jì)算約束混凝土抗壓強(qiáng)度f_{cc}^{\prime}時(shí)，考慮了FRP的約束應(yīng)力等因素。然而，該規(guī)范方法主要針對圓形截面的FRP約束混凝土柱，對于方形截面的FRP-混凝土-鋼管組合方柱，其適用性存在一定問題，因?yàn)榉叫谓孛娴募s束效果與圓形截面存在差異，在計(jì)算約束應(yīng)力等參數(shù)時(shí)需要進(jìn)行修正。歐洲規(guī)范EN1994-1-1中對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有相關(guān)規(guī)定，雖然沒有專門針對FRP-混凝土-鋼管組合方柱的詳細(xì)條款，但在一定程度上可以參考其對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念。在計(jì)算鋼管混凝土柱的承載力時(shí)，采用了基于有效約束系數(shù)的方法，考慮了鋼管對混凝土的約束作用。對于FRP-混凝土-鋼管組合方柱，若要參考該規(guī)范，需要進(jìn)一步研究如何合理考慮FRP的作用以及與鋼管約束作用的協(xié)同效應(yīng)。由于歐洲規(guī)范主要基于歐洲的材料性能和工程實(shí)踐制定，對于其他地區(qū)的材料特性和工程條件，可能需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和驗(yàn)證。國內(nèi)的《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50936-2014中對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算進(jìn)行了規(guī)定。在鋼管混凝土柱的承載力計(jì)算方面，采用了統(tǒng)一理論的思路，考慮了鋼管和混凝土的協(xié)同工作。對于FRP-混凝土-鋼管組合方柱，目前該規(guī)范尚未有直接適用的條款，但可以借鑒其關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理和方法，進(jìn)一步研究如何引入FRP的影響因素，建立適用于組合方柱的承載力計(jì)算方法。在實(shí)際工程應(yīng)用中，國內(nèi)規(guī)范的材料參數(shù)和設(shè)計(jì)指標(biāo)更符合國內(nèi)的工程實(shí)際情況，但對于新型的FRP-混凝土-鋼管組合方柱，需要進(jìn)一步完善和補(bǔ)充相關(guān)內(nèi)容。在理論模型方面，眾多學(xué)者從不同的理論角度出發(fā)，建立了多種FRP-混凝土-鋼管組合方柱的承載力計(jì)算模型?；诩s束混凝土理論的模型是常見的一種，這類模型認(rèn)為FRP和鋼管對混凝土的約束作用是提高組合柱承載力的關(guān)鍵。通過分析約束應(yīng)力與混凝土強(qiáng)度、變形之間的關(guān)系，建立承載力計(jì)算公式。[學(xué)者姓名9]提出的模型中，根據(jù)彈性力學(xué)理論，推導(dǎo)了FRP和鋼管對混凝土的約束應(yīng)力計(jì)算公式，然后結(jié)合混凝土的受壓本構(gòu)關(guān)系，建立了組合柱軸心受壓承載力的計(jì)算模型。該模型考慮了FRP和鋼管的材料特性、截面尺寸等因素對約束應(yīng)力的影響，在一定程度上能夠反映組合柱的受力特性。然而，由于實(shí)際組合柱中各材料之間的相互作用非常復(fù)雜，這種基于理論推導(dǎo)的模型在某些情況下難以準(zhǔn)確考慮所有因素，如材料的非線性特性、界面粘結(jié)的復(fù)雜性等。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵彩浅Ｓ玫姆椒ㄖ?。[學(xué)者姓名10]通過對大量FRP-混凝土-鋼管組合方柱的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了以試驗(yàn)參數(shù)為變量的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算承載力。在建立公式時(shí)，考慮了FRP層數(shù)、鋼管壁厚、混凝土強(qiáng)度等級等因素與承載力之間的關(guān)系。這種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂幸欢ǖ墓こ虒?shí)用性，因?yàn)樗腔趯?shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的，能夠在一定程度上反映組合柱的實(shí)際受力性能。但由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的局限性，其適用范圍可能受到限制，對于試驗(yàn)參數(shù)范圍之外的組合柱，其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性可能難以保證。而且經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯狈γ鞔_的力學(xué)機(jī)理解釋，在理論上的深度相對不足。有限元模型也被廣泛應(yīng)用于FRP-混凝土-鋼管組合方柱的承載力計(jì)算研究中。通過使用通用有限元軟件如ANSYS、ABAQUS等，建立組合柱的三維模型，考慮材料的非線性本構(gòu)關(guān)系、幾何非線性以及各材料之間的接觸關(guān)系等。[學(xué)者姓名11]利用ANSYS軟件建立了FRP-混凝土-鋼管組合方柱的有限元模型，通過模擬分析得到了組合柱在受壓過程中的應(yīng)力分布、應(yīng)變分布以及荷載-位移曲線等信息，進(jìn)而計(jì)算出承載力。有限元模型能夠較為全面地考慮各種復(fù)雜因素對組合柱受力性能的影響，得到較為詳細(xì)的分析結(jié)果。但其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型參數(shù)的合理選取和驗(yàn)證，建模過程較為復(fù)雜，需要一定的專業(yè)知識和計(jì)算資源，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用受到一定限制。5.2理論計(jì)算模型的建立基于試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，建立適合FRP-混凝土-鋼管組合方柱的承載力計(jì)算模型，需綜合考慮各材料的力學(xué)特性及相互作用機(jī)制，通過合理假設(shè)和嚴(yán)謹(jǐn)推導(dǎo)得出。在建立軸心受壓承載力計(jì)算模型時(shí)，做出如下基本假設(shè)：FRP、鋼管和混凝土均為均勻連續(xù)的材料；三者之間的粘結(jié)性能良好，在受力過程中能夠協(xié)同變形，不考慮界面脫粘等破壞情況；忽略混凝土的收縮、徐變等長期效應(yīng)的影響?；谶@些假設(shè)，根據(jù)力的平衡原理和變形協(xié)調(diào)條件進(jìn)行模型推導(dǎo)。組合柱在軸心受壓時(shí)，其極限承載力N_{u}由FRP、鋼管和混凝土三部分共同承擔(dān)，即N_{u}=N_{frp}+N_{s}+N_{c}。其中，N_{frp}為FRP提供的承載力，N_{s}為鋼管提供的承載力，N_{c}為混凝土提供的承載力。對于N_{frp}，根據(jù)FRP的受力特點(diǎn)和約束作用，其提供的承載力可表示為N_{frp}=f_{frp}A_{frp}，f_{frp}為FRP的抗拉強(qiáng)度，A_{frp}為FRP的截面面積?？紤]到FRP在約束混凝土過程中的應(yīng)變滯后效應(yīng)，對f_{frp}進(jìn)行修正，引入應(yīng)變滯后系數(shù)\xi_{1}，則N_{frp}=\xi_{1}f_{frp}A_{frp}。鋼管提供的承載力N_{s}，根據(jù)鋼材的本構(gòu)關(guān)系，在達(dá)到屈服強(qiáng)度前，鋼管處于彈性階段，其承載力可表示為N_{s}=f_{y}A_{s}，f_{y}為鋼管的屈服強(qiáng)度，A_{s}為鋼管的截面面積。當(dāng)鋼管達(dá)到屈服強(qiáng)度后，進(jìn)入塑性階段，考慮鋼管的塑性發(fā)展和約束效應(yīng)，引入約束增強(qiáng)系數(shù)\xi_{2}，則N_{s}=\xi_{2}f_{y}A_{s}?；炷猎阡摴芎虵RP的約束下，其抗壓強(qiáng)度得到提高。根據(jù)約束混凝土理論，約束混凝土的抗壓強(qiáng)度f_{cc}^{\prime}與未約束混凝土的抗壓強(qiáng)度f_{c}^{\prime}以及約束應(yīng)力\sigma_{l}相關(guān)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，建立約束混凝土抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式f_{cc}^{\prime}=f_{c}^{\prime}(1+\xi_{3}\frac{\sigma_{l}}{f_{c}^{\prime}})，\xi_{3}為與混凝土特性相關(guān)的系數(shù)。約束應(yīng)力\sigma_{l}可通過FRP和鋼管的力學(xué)性能及幾何參數(shù)計(jì)算得出。則混凝土提供的承載力N_{c}=f_{cc}^{\prime}A_{c}，A_{c}為混凝土的截面面積。將上述各部分承載力表達(dá)式代入N_{u}=N_{frp}+N_{s}+N_{c}，得到軸心受壓承載力的計(jì)算模型N_{u}=\xi_{1}f_{frp}A_{frp}+\xi_{2}f_{y}A_{s}+f_{c}^{\prime}(1+\xi_{3}\frac{\sigma_{l}}{f_{c}^{\prime}})A_{c}。在偏心受壓承載力計(jì)算模型的建立過程中，除了上述假設(shè)外，還假設(shè)截面在受力前后保持平面，即符合平截面假定?；诖思俣?，根據(jù)材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，分析組合柱在偏心受壓時(shí)的截面應(yīng)力分布和內(nèi)力平衡關(guān)系。設(shè)偏心受壓組合柱的偏心距為e，根據(jù)平截面假定，在截面受壓區(qū)和受拉區(qū)分別建立力的平衡方程和彎矩平衡方程。在受壓區(qū)，混凝土和鋼管承擔(dān)壓力，F(xiàn)RP在約束混凝土的同時(shí)，也承受一定的拉力；在受拉區(qū)，主要由FRP和鋼管承擔(dān)拉力。通過對這些力和彎矩的分析和計(jì)算，建立偏心受壓承載力的計(jì)算公式。假設(shè)組合柱截面的受壓區(qū)高度為x，根據(jù)力的平衡方程\sumN=0，可得N_{u}=N_{frp}^{\prime}+N_{s}^{\prime}+N_{c}^{\prime}。其中，N_{frp}^{\prime}為受壓區(qū)FRP提供的承載力，N_{s}^{\prime}為受壓區(qū)鋼管提供的承載力，N_{c}^{\prime}為受壓區(qū)混凝土提供的承載力。根據(jù)彎矩平衡方程\sumM=0，可得N_{u}e=N_{frp}^{\prime}(h/2-x-a_{frp})+N_{s}^{\prime}(h/2-x-a_{s})+N_{c}^{\prime}(h/2-x/2)。h為組合柱截面的高度，a_{frp}為受壓區(qū)FRP合力點(diǎn)到截面邊緣的距離，a_{s}為受壓區(qū)鋼管合力點(diǎn)到截面邊緣的距離。通過求解上述力的平衡方程和彎矩平衡方程，結(jié)合各材料的本構(gòu)關(guān)系和約束效應(yīng)，最終得到偏心受壓承載力的計(jì)算模型。在求解過程中，需要考慮材料的非線性特性，通過迭代計(jì)算等方法，逐步逼近準(zhǔn)確的承載力值。通過這樣的推導(dǎo)過程，建立的理論計(jì)算模型能夠較為準(zhǔn)確地反映FRP-混凝土-鋼管組合方柱在軸心受壓和偏心受壓狀態(tài)下的承載力，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。5.3數(shù)值模擬方法利用有限元軟件對FRP-混凝土-鋼管組合方柱進(jìn)行數(shù)值模擬，是深入研究其受壓性能和驗(yàn)證理論計(jì)算模型的重要手段。本文選用ANSYS軟件建立三維有限元模型，對組合方柱在軸心受壓和偏心受壓狀態(tài)下的力學(xué)行為進(jìn)行模擬分析。在建模過程中，合理選擇單元類型是確保模型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。對于混凝土和鋼管，選用SOLID185實(shí)體單元進(jìn)行模擬。SOLID185單元具有較高的計(jì)算精度，能夠較好地模擬材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為。它可以準(zhǔn)確地描述混凝土和鋼管在受壓過程中的應(yīng)力分布和變形情況，為分析組合柱的力學(xué)性能提供可靠的基礎(chǔ)。對于FRP，由于其主要承受拉力且厚度相對較小，采用SHELL181殼單元進(jìn)行模擬。SHELL181單元能夠有效地模擬薄板結(jié)構(gòu)的受力特性，準(zhǔn)確地反映FRP在組合柱中的約束作用和受力變化。通過合理選擇這兩種單元類型，能夠準(zhǔn)確地模擬FRP-混凝土-鋼管組合方柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力行為。材料本構(gòu)關(guān)系的準(zhǔn)確描述對于數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。混凝土采用塑性損傷模型，該模型能夠考慮混凝土在受壓過程中的非線性力學(xué)行為，包括混凝土的受壓強(qiáng)化、軟化以及損傷演化等特性。在塑性損傷模型中，通過定義混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、損傷變量等參數(shù)，準(zhǔn)確地模擬混凝土在不同受力階段的力學(xué)性能變化。例如，在加載初期，混凝土處于彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系；隨著荷載的增加，混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂縫，進(jìn)入塑性階段，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性；當(dāng)荷載繼續(xù)增加，混凝土的損傷不斷發(fā)展，強(qiáng)度逐漸降低，最終發(fā)生破壞。塑性損傷模型能夠很好地模擬這一過程，為分析混凝土在組合柱中的受力性能提供了有力的工具。鋼材采用雙線性隨動強(qiáng)化模型（BKIN），該模型能夠考慮鋼材的彈塑性特性和包辛格效應(yīng)。在加載過程中，鋼材首先處于彈性階段，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，進(jìn)入塑性階段，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系發(fā)生變化。BKIN模型通過定義鋼材的彈性模量、屈服強(qiáng)度、強(qiáng)化模量等參數(shù)，準(zhǔn)確地描述鋼材在不同受力階段的力學(xué)行為。在組合柱受壓過程中，鋼管會承受壓力和拉力，BKIN模型能夠準(zhǔn)確地模擬鋼管在這些復(fù)雜受力情況下的力學(xué)性能變化，為分析鋼管在組合柱中的作用提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。FRP采用線彈性本構(gòu)模型，因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下，F(xiàn)RP在達(dá)到其極限應(yīng)變之前，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本呈線性。通過定義FRP的彈性模量和抗拉強(qiáng)度等參數(shù)，能夠準(zhǔn)確地模擬FRP在組合柱中的受力情況。在組合柱中，F(xiàn)RP主要承受拉力，線彈性本構(gòu)模型能夠很好地描述FRP在受力過程中的彈性變形特性，為分析FR