FRP-混凝土-鋼雙壁空心管截面軸力-彎矩關(guān)系研究

FRP-混凝土-鋼雙壁空心管截面軸力-彎矩關(guān)系研究隨著建筑科技的不斷革新與進(jìn)步，新型結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)逐漸成為了研究熱點(diǎn)，而FRP（纖維增強(qiáng)塑料）就是其中一種備受關(guān)注的材料之一。FRP材料的輕量、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)使其具有極為廣泛的應(yīng)用前景。本文為了探究FRP混凝土鋼雙壁空心管在軸力和彎矩作用下的性能，進(jìn)行相關(guān)研究并得出相應(yīng)結(jié)論。一、FRP混凝土鋼雙壁空心管的基本介紹FRP混凝土鋼雙壁空心管是一種將FRP與混凝土、鋼材等基材結(jié)合而成的雙壁空心管。其由內(nèi)外兩層鋼板和中間一層混凝土組成，內(nèi)外鋼板之間填充FRP材料，形成具有軸向剛度和彎曲剛度的矩形空心截面。該結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度、剛度和耐久性等特點(diǎn)。二、理論分析（一）軸力作用下在軸力作用下，雙壁空心管的受力形態(tài)為拉伸或壓縮，其截面應(yīng)力呈現(xiàn)出線性分布。另外，由于雙壁空心管由內(nèi)外兩層鋼板組成，在軸向的穩(wěn)定性方面要好于單一的鋼管或混凝土管。根據(jù)歐拉公式，軸向穩(wěn)定性系數(shù)隨跨徑比以及屈曲鋼板寬厚比的增加而增加，因此FRP混凝土鋼雙壁空心管可在自重較輕的情況下達(dá)到相當(dāng)高的抗彎承載力。其計算公式如下：N=Aaζ+Asσs其中，A為管截面積，a為混凝土的度數(shù)，ζ為混凝土應(yīng)力系數(shù)，s為鋼的度數(shù)，σs為鋼的應(yīng)力系數(shù)。（二）彎矩作用下在彎矩作用下，雙壁空心管受力形態(tài)呈現(xiàn)出彎曲變形的特點(diǎn)。根據(jù)受力分析可知，在彎曲剛度較小時，管截面內(nèi)力和位移的分布主要由內(nèi)、中、外三層構(gòu)件的剛度系數(shù)和初始協(xié)調(diào)度數(shù)所主導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，管截面的彎矩承載能力有以下影響因素：1.雙壁空心管兩側(cè)混凝土外觀質(zhì)量、尺寸和彈性模量等因素。2.FRP材料層的數(shù)量、彎曲強(qiáng)度和剛度等參數(shù)。3.鋼板的尺寸和彎曲強(qiáng)度等參數(shù)?；谝陨戏治觯梢缘玫诫p壁空心管在彎矩作用下的計算公式：M=Aαζθy+Bβσsθy其中，A、B為計算系數(shù)，ζ、σs為混凝土和鋼的應(yīng)力系數(shù)，θy為彎曲時管截面的旋轉(zhuǎn)角度。三、數(shù)值模擬分析本文采用有限元方法對FRP混凝土鋼雙壁空心管進(jìn)行數(shù)值模擬，并利用ABAQUS軟件建立三維有限元模型，采用非線性靜力分析方法對雙壁空心管在軸力和彎矩作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了模擬計算。(一)軸力作用模擬在軸向受力情況下，本文分別采用兩種材料進(jìn)行模擬計算：FRP混凝土板和FRP板。模擬結(jié)果顯示，在相同截面面積和長度的情況下，F(xiàn)RP混凝土鋼雙壁空心管的承載能力明顯優(yōu)于FRP板。此外，軸向受力時，F(xiàn)RP混凝土鋼雙壁空心管因具有雙壁結(jié)構(gòu)，在抗彎剛度方面優(yōu)于單壁FRP板。(二)彎矩作用模擬在彎矩受力條件下，本文通過改變管截面尺寸和管內(nèi)FRP、混凝土和鋼板材料比例的方式，進(jìn)行了一系列對比分析。模擬結(jié)果顯示，隨著管截面的增大和板層材料比例的改變，雙壁空心管的彎曲剛度和承載能力均出現(xiàn)了增長。而在材料比例較為均衡的配比條件下，F(xiàn)RP混凝土鋼雙壁空心管的承載能力明顯優(yōu)于基材中任何一種單一材質(zhì)的承載能力。四、實驗驗證本文還針對FRP混凝土鋼雙壁空心管進(jìn)行了一系列實驗驗證。通過對試件在靜態(tài)彎曲荷載下的變形和位移進(jìn)行測試，驗證了該結(jié)構(gòu)在彎矩荷載下的承載能力較強(qiáng)，并與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。五、結(jié)論FRP混凝土鋼雙壁空心管具有較高的強(qiáng)度和剛度，可承受較大的軸向和彎曲載荷。在相同材質(zhì)