Vergleichende Untersuchung von CFK-begrenzten CFST-Stummelsäulen unter axialer Kompression

Zusammenfassung

Dieses Papier präsentierte eine vergleichende Studie von betongefüllten Stahlrohr- (CFST-) Stummelsäulen mit drei verschiedenen Einschlussarten aus kohlefaserverstärktem Polymer (CFK): äußerer kreisförmiger CFK, innerer kreisförmiger CFK und äußerer quadratischer CFK. Der Druckmechanismus und die physikalischen Eigenschaften der Verbundsäule wurden zunächst analysiert, um den Einschlusseffekt von CFK zu untersuchen. Die ultimative axiale Tragfähigkeit dieser drei CFK-begrenzten CFST-Säulen wurde basierend auf der einheitlichen CFST-Theorie bzw. der elastoplastischen Grenzgleichgewichtstheorie berechnet. In der Zwischenzeit werden die entsprechenden Tests durchgeführt, um die Machbarkeit der beiden Berechnungsmodelle zu validieren. Durch die Datenanalyse bestätigte die Studie, dass die Ergebnisse der Berechnung der Endfestigkeit der Grenzgleichgewichtsmethode zuverlässiger und ungefährer zu den Testergebnissen waren als die der Einheitlichen CFST-Theorie. Dann wurde die axiale Tragfähigkeit der reinen CFST-Säule vorhergesagt, um das Tragfähigkeitsverbesserungsverhältnis der drei Arten von Verbundsäulen zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass das gemittelte Verbesserungsverhältnis 16,4 Prozent beträgt, was zeigt, dass CFK-begrenzte CFST-Säulen eine breite technische Anwendbarkeit hatten. Durch eine vergleichende Analyse bestätigte diese Studie auch, dass äußeres kreisförmiges CFK den besten Einschlusseffekt hatte und äußeres quadratisches CFK besser war als inneres kreisförmiges CFK. Der Einschlusseffekt von CFK nahm mit der Abnahme der Betonfestigkeit zu und war proportional zu den relativen Anteilen von CFK und Stahl bei gleicher Betonfestigkeit.

1. Einleitung

Kohlefaserverstärkte Polymere (CFK) wurden in den letzten Jahrzehnten in großem Umfang bei der Reparatur und Nachrüstung defekter Strukturen eingesetzt, da extern gebundenes CFK-Material in Form von Platten oder Platten besonders gut für Biegung und Scherung geeignet ist. In vielen technischen Bereichen wurden die CFK-Metall-Verbundtanks oder -rohre in großem Umfang verwendet, z. B. Gastanks, die in Kraftfahrzeugen und Rohrleitungssystemen zum Transport von Hochdruckgas oder -flüssigkeiten verwendet werden, die in der Kommunaltechnik oder in der Chemietechnik verwendet werden. CFK-Werkstoffe können als Außenmantel für die Begrenzung von Stahlbetonsäulen die Festigkeit und Duktilität verbessern. Die überlegenen mechanischen und physikalischen Eigenschaften von CFK machen sie zu hervorragenden Kandidaten für die Reparatur und Nachrüstung von Stahlkonstruktionen. Betongefüllte Stahlrohrkonstruktionen (CFST) werden seit vielen Jahren im Tiefbau untersucht und eingesetzt. Stahlrohre sind jedoch anfällig für Degradation aufgrund von Korrosion und ihrem dünnwandigen Abschnitt vor dem Aushärten des Betons , was zu einer Abnahme der axialen Festigkeit der CFST-Säule führt. Daher kann das CFK-Metallrohr auch im Tiefbau verwendet werden, beispielsweise wurde das mit Beton gefüllte CFK-Stahl-Verbundrohr als Säule verwendet, und CFK wurde auch zur Verstärkung der CFST-Säule verwendet. Wie von Gu , Li et al. , und Wang et al. , die meisten der durchgeführten Forschung haben sich auf den Gebrauch CFRP für CFST-Struktur konzentriert. Kohlefaserbleche oder -platten werden an einem Stahlrohr oder Beton in einem CFST-Element befestigt, um seine Tragfähigkeit und Duktilität zu erhöhen. Es wurde festgestellt, dass die ultimative laterale Festigkeit und Biegesteifigkeit von CFK-reparierten CFST-Trägersäulen mit der zunehmenden Anzahl von CFK-Schichten zunahm. Währenddessen nahm die Duktilität der Proben mit der Anzahl der CFK-Schichten leicht zu. Und, wie von Tao et al. kann der CFK-Zylinder auch das Knicken der Stummelsäule behindern, was zu dramatischen Verbesserungen des Knick- und Nachknickverhaltens des gesamten Systems führt. In: Wang et al. durchführung von axialen Kompressionsexperimenten für zweiunddreißig kreisförmige CFK-begrenzte CFST-Säulen und vierundzwanzig quadratische CFK-begrenzte CFST-Säulen. Analysen der getesteten Ergebnisse zeigen, dass das Stahlrohr und sein äußeres CFK-Material sowohl längs als auch quer zusammenwirken können. Daher stützen sich alle diese Studien auf die Konzepte, dass die komplementäre Wirkung zwischen Stahlrohr und Beton durch den höheren Einschluss von CFK verstärkt wurde.

Nach den oben genannten Untersuchungen wurden auch andere Arten von Verbundsäulen vorgeschlagen. Karimi et al. vorgeschlagen wurde eine Art von FRP-ummantelten Stahl-Beton-Verbundsäulen, bei denen ein kreisförmiger FRP um den Stahl-I-Abschnitt gelegt wurde und der Beton zwischen dem Stahl-I-Abschnitt und dem FRP-Rohr gefüllt war. In: Feng et al. vorgeschlagen wurde eine Stahlbeton-GFK-Beton-Säule, die als äußere Schicht ein Vierkantrohr und als innere Schicht ein kreisförmiges fadengewickeltes GFK-Rohr aufwies, wobei sowohl zwischen diesen beiden Schichten als auch innerhalb des GFK-Rohrs Beton gefüllt war. Die Ergebnisse dieser Studien zeigten, dass die Festigkeit von Beton, GFK und Stahl in den Verbundsäulen effektiv genutzt werden konnte.

All diese Forschungsergebnisse bestätigten, dass die Verbundsäule in der theoretischen Forschung und in der technischen Praxis machbar ist und ein großes Entwicklungspotenzial aufweist. Die Druckfestigkeit ist ein wichtiger Parameter für Strukturelemente, und die meisten der oben aufgeführten Untersuchungen konzentrierten sich auf die Überlagerungsmethode zur Berechnung der endgültigen Druckfestigkeit, Daher wurden für jeden Querschnitt der CFK-begrenzten CFST-Säulen unterschiedliche Formeln abgeleitet. Deshalb, Der Zweck dieses Papiers ist es, einheitliche Methoden zu entwickeln, die auf verschiedene Abschnitte der zusammengesetzten Säule anwendbar sind, und zwar nach der Idee der einheitlichen Theorie der CFST- und Grenzgleichgewichtstheorie. Der Schwerpunkt dieser Studie liegt auf der Untersuchung von drei verschiedenen CFK-Technologien zur Verstärkung von CFST-Stummelsäulen durch eine vergleichende Untersuchung von drei verschiedenen Einschlussarten: äußerer kreisförmiger CFK, innerer kreisförmiger CFK und äußerer quadratischer CFK. Der Druckmechanismus und die physikalischen Eigenschaften dieser drei CFK-begrenzten CFST-Säulen wurden zunächst analysiert, um den Einschlusseffekt von CFK auf CFST-Säulen zu untersuchen. Es werden zwei theoretische Berechnungsmodelle vorgestellt, um die axiale Druckkapazität von CFK-begrenzten CFST-Säulen zu erhalten. Eine davon ist die einheitliche Theorie der CFST : der äquivalente Einschlusskoeffizient wird unter Berücksichtigung verschiedener Abschnitte von Stahlrohren und CFK-Zylindern vorgeschlagen, und dann werden Formeln aus der CFST-Theorie abgeleitet, um die Tragfähigkeit der Kompositsäule unter Kompression vorherzusagen. Die andere ist die elastoplastische Grenzgleichgewichtsmethode: Die Twin-Shear Unified Strength Theory (TDUST) wird angewendet, um den Endzustand von Stahlrohr bzw. Beton zu analysieren, und dann werden die endgültigen Tragfähigkeiten der Verbundsäule durch die Grenzgleichgewichtsmethode erhalten. Die theoretischen Vorhersagen wurden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen, um die Machbarkeit der beiden Berechnungsmodelle zu validieren. Abschließend wurden die CFK-Einschlusseffekte auf die axiale Tragfähigkeit durch Vergleich dieser drei CFK-eingeschlossenen CFST-Säulen analysiert.

2. Arbeitsmechanismus

Basierend auf der Zusammenfassung der bestehenden Forschungen werden drei Arten von CFK-begrenzten CFST-Säulen mit unterschiedlichen CFK-Einschlüssen betrachtet, einschließlich äußerer kreisförmiger CFK, innerer kreisförmiger CFK und äußerer quadratischer CFK, wie in Abbildung 1 gezeigt. Der CFK-Zylinder wird außerhalb der kreisförmigen CFST-Säule in Typ a eingewickelt; Der CFK-Zylinder befindet sich innerhalb des quadratischen CFST in Typ b und der CFK-Zylinder außerhalb der quadratischen CFST-Säule in Typ c. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, können Stahlrohre zusammen mit dem begrenzten Beton der axialen Kompression bemerkenswert widerstehen, während die CFK-Zylinder die seitliche Begrenzung des Stahlrohrs oder Betons direkt bereitstellen und das Verhalten der Verbundsäule indirekt verbessern können.

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

Figure 1

Cross section types of CFRP-confined CFST columns. (a) Outer circular CFRP. (b) Inner circular CFRP. (c) Outer square CFRP.

Wie wir alle wissen, gibt es während des Kompressionsvorgangs der Verbundsäulen eine horizontale Verformung, wenn die vertikale Last auf den gesamten Abschnitt einwirkt. Nehmen wir das Beispiel des Typs a in Abbildung 1, Beton wird in das kreisförmige Rohr gefüllt, das von der CFK-Platte umwickelt ist, so dass sein vereinfachtes Spannungsmodell in Abbildung 2 dargestellt werden kann.

Abbildung 2

Spannungsmodell in der Verbundsäule unter Kompression. (konkret. (b) Stahlrohr. (c) CFK-Zylinder.

Der horizontale Verformungskoeffizient des Betons war zu Beginn der axialen Belastung gering, so dass die seitliche Belastung p von Stahlrohren und CFK-Blechen nicht offensichtlich ist. Mit zunehmender axialer Kompression nimmt die horizontale Verformung des Betons allmählich zu, insbesondere nachdem die Säule nachgegeben hat. Es würde viele Mikrorisse im Beton geben, nachdem die Säule in das Kunststoffstadium eingetreten war, aber sowohl der CFK-Zylinder als auch das Stahlrohr können den Beton einschränken, um seine Ausdehnung zu verschieben. Der Beton kann als dreidimensional komprimiert angesehen werden, die Stahlrohre können als dünnwandige Zylinder angesehen werden, und CFK ist nur in Umfangsrichtung dehnbar, wie in Abbildung 2 gezeigt. Der Endzustand berücksichtigt die folgenden Ausfallarten der CFK-begrenzten CFST-Säule: Stahlrohrbucking und CFK-Blechbruch . Obwohl der CFK-Zylinder keinen direkten Beitrag zur axialen Tragfähigkeit leistet, tragen die Querfaserplatten zur Festigkeitssteigerung bei, indem sie die CFST-Säule ganz (siehe Typ a, c in Abbildung 1) oder teilweise (siehe Typ b in Abbildung 1) begrenzen, was zu einer höheren Druckfestigkeit der Säule führt. Daher kann das Umhüllen von CFK zu einer signifikanten Verbesserung der unelastischen axialen Verformbarkeit vor dem Knicken und einer verbesserten Belastbarkeit nach dem Knicken führen.

3. Berechnungen von Unified Theory of CFST

Die Unified Theory of CFST wurde 1993 von Professor Zhong Shan-tong vorgestellt. Es betrachtete CFST als einen einheitlichen Körper, und ein neues Verbundmaterial wurde verwendet, um sein Verhalten zu untersuchen. Es war eine neue Methode, um die Designarbeit zu entwerfen und zu vereinfachen. Die CFST-Theorie wurde erweitert, um die Druckfestigkeit der CFST-Verbundsäulen mit verschiedenen Begrenzungsmaterialien und verschiedenen Querschnitten unter verschiedenen Belastungen zu berechnen. Bei CFK-begrenzten CFST-Säulen wird der Beton immer noch direkt durch das Stahlrohr begrenzt, und dieser Begrenzungseffekt wird durch den CFK-Zylinder absolut verstärkt. Ein Verbundwerkstoff kann auch in Betracht gezogen werden, um sein Verhalten zu bewerten, aber der Begrenzungseffekt sollte neu bewertet werden, der sich aus dem Stahlrohr und dem CFK-Zylinder ergibt. Wir können tiefere Forschungsarbeiten auf CFK-begrenzte CFST-Säulen ausdehnen, So wird ein äquivalenter Einschlusskoeffizient dargestellt, was ausgedrückt werden kann als , , und sind die Querschnittsflächen des Stahlrohrs, Beton, und CFK-Zylinder, beziehungsweise; und sind die Streckgrenzen von Stahl bzw. CFK; ist die Standarddruckfestigkeit des Betons; und sind die Koeffizienten unter Berücksichtigung der Profilform des Begrenzungsmaterials. Da es in der Verbundsäule zwei unterschiedliche Materialien gibt, um Beton zu begrenzen, unterscheidet sich die Wirkung der Zurückhaltung von kreisförmigem zu quadratischem Querschnitt. Im Allgemeinen wird der Koeffizient des kreisförmigen Abschnitts als Grundparameter 1 verwendet, und für den quadratischen Abschnitt beträgt er 0,74.

Dann kann die Verbundfestigkeit der Stummelsäule nach der aus der CFST-Theorie abgeleiteten Formel berechnet werden, und die Gleichung kann wie folgt ausgedrückt werden und die Beiträge von Begrenzungsmaterialien bzw. Sie können durch die folgende Formel berechnet werden: Wo ist der gewichtete Durchschnitt der Begrenzungsmaterialien, die sowohl das Stahlrohr als auch den CFK-Zylinder umfassen, der durch

berechnet wird Daher wird empfohlen, die folgende Formel zu verwenden, um die Tragfähigkeit der CFK-begrenzten CFST-Stummelsäule zu berechnen.wo ist die Querschnittsfläche der gesamten Säule und ist die Tragfähigkeit durch einheitliche Theorie der CFST berechnet.

4. Berechnungen nach der Grenzgleichgewichtstheorie

4.1. Grundannahmen

In diesem theoretischen Modell zur Ermittlung der axialen Druckfähigkeit können wir quantitativ analysieren, wie stark der Einschluss durch das Stahlrohr und CFK beeinflusst wird. Die Grenzfläche zwischen dem Stahlrohr und dem CFK-Blech ist eingeschränkt; Die Radialspannung im Stahlrohr wird ignoriert und das Stahlrohr steht unter zweiachsiger Belastung; das CFK-Material ist linear elastisch, und nur die seitliche Spannung wird berücksichtigt, so dass die Spannung entlang der Faserrichtung berücksichtigt wird; Die radiale Spannung und die Längsspannung werden ignoriert.

Basierend auf den obigen Annahmen kann die endgültige axiale Tragfähigkeit von CFK-begrenzten CFST-Säulen durch Berechnung berechnet werden und sind vertikale Tragfähigkeiten des Stahlrohrs bzw. des Betons. ist die durch die Grenzgleichgewichtstheorie berechnete Tragfähigkeit. Im Zustand des Grenzgleichgewichts kann jeder Teil der Verbundsäule mit TSUST analysiert werden.

4.2. Twin-Shear Unified Strength Theory (TSUST)

Die TSUST berücksichtigt die beiden größeren Hauptscherspannungen und die entsprechenden Normalspannungen und ihre unterschiedlichen Auswirkungen auf das Versagen von Materialien. Wenn die Beziehungsfunktion zwischen ihnen einen Endwert erreicht, kann das Material als Versagen in diesem Zustand definiert werden, der wie folgt formuliert ist: wo , , und sind die Hauptscherspannungen, , , und ; , und, sind die entsprechenden normalen Spannungen am Hauptscherspannungselement; , , und sind die Hauptspannungen, ≥ ≥ ; ist ein Gewichtungskoeffizient, der den relativen Einfluss der Zwischen-Hauptscherspannung oder auf die Festigkeit von Materialien widerspiegelt; C entspricht der Materialfestigkeit; ist der Einflusskoeffizient der positiven Spannung auf Materialschäden. Wenn wir das Zug-Druck-Festigkeitsverhältnis als bezeichnen, schreiben wir (7a) und (7b) in Bezug auf die Hauptspannungen wie folgt um:

4.3. Formel der Endkapazität

Nach dem Prinzip der gleichen Fläche kann der quadratische Querschnitt des Stahlrohrs in einen kreisförmigen umgewandelt werden. B und ts sind die Seitenlänge und Dicke des Vierkantstahlrohrs, und ro und to sind der Radius und die Dicke des äquivalenten kreisförmigen Stahlrohrs. Die Formeln werden wie folgt gezeigt:

Da die Begrenzung des Vierkantstahls entlang seiner Seite ungleichmäßig ist, sollte der äquivalente Reduktionsfaktor berücksichtigt werden, um die gleiche Begrenzung des äquivalenten kreisförmigen Stahlrohrs zu verringern. Bezeichnet das Verhältnis von Dicke zu Seitenlänge , den Ausdruck des äquivalenten Reduktionsfaktors . Inzwischen gibt es wirksame und nicht wirksame Begrenzungszonen des Betons innerhalb des Vierkantstahlrohrs. In diesem Papier wird davon ausgegangen, dass der Faktor zur Verringerung der Betonfestigkeit diese beiden Einflüsse ignoriert. Der konkrete Festigkeitsreduktionsfaktor wird als genommen, wobei Do der Innendurchmesser des äquivalenten kreisförmigen Stahlrohrs ist.

Das vereinfachte Spannungsmodell von begrenztem Beton ist in Abbildung 2(a) dargestellt. Die Spannungen können durch erklärt werden . Für . Ersetzt man sie in den Spannungsausdruck von TSUST, kann der folgende Ausdruck erhalten werden, da dies der laterale Spannungskoeffizient ist. In TSUST kann durch Kohäsions- und Reibungswinkel am materiellen Ausfallzustand berechnet werden. Entsprechend dem Test von Richart ist als 4,1 einfach hier genommen worden; p ist der seitliche Druck auf dem Beton, und der seitliche Druck auf Beton ist vom Stahlrohr und vom CFRP-Zylinder für Art a und c, wie in Abbildung 1 gezeigt, also kann er ausgedrückt werden durch p sind die Stärke und der Radius des CFRP-Zylinders beziehungsweise; und sind die Stärke und der Radius des Stahlrohrs beziehungsweise. Bei Typ b in Abbildung 1 sollte der Beton unter verschiedenen seitlichen Spannungen in Außenbeton und Innenbeton unterteilt werden. Außenbeton wird nur durch das Stahlrohr begrenzt, aber Innenbeton wird sowohl als Stahlrohr als auch als CFK-Zylinder betrachtet. Dann kann die axiale Tragfähigkeit des Betons ausgedrückt werden als

Wie in Abbildung 2 (b) zu sehen ist, wird das Stahlrohr durch den Beton eingeschränkt, so dass es eine gewisse vertikale Belastung unter dem Endzustand der gesamten Säule tragen kann, η wird als Festigkeitsreduktionsfaktor des Stahlrohrs angenommen, und dann kann der Spannungszustand von Stahlrohren durch , , . Für und , ersetzen Sie sie in den Stressausdruck von TSUST, der folgende Ausdruck kann erhalten werden:

Dann wurde als erhalten 0.65 durch Experimente und statistische Daten, so dass die endgültige Kapazität des Stahlrohrs durch

berechnet werden kann Schließlich kann die endgültige Kapazität der CFK-begrenzten CFST-Säule wie folgt ausgedrückt werden:

5. Vergleich und Analyse

Die drei in Abbildung 1 gezeigten Typen CFK-begrenzter CFST-Stummelsäulen wurden unter axialer Kompression getestet. Berechnungen und , erhalten durch Einheitliche Theorie der CFST und Grenzgleichgewichtstheorie, beziehungsweise, sind in Tabelle aufgeführt 1 zusammen mit den Testergebnissen . Die berechneten Ergebnisse stimmen beide gut mit den Testergebnissen innerhalb kleiner Fehler von weniger als 20% überein. Vergleicht man den Wert von / und / in Tabelle 1 gezeigt, können wir feststellen, dass durch die Grenzgleichgewichtsmethode erhalten wird, ist genauer und zuverlässiger als durch die Methode der Einheitlichen Theorie der CFST erhalten. Auf der anderen Seite ist die Methode der einheitlichen Theorie der CFST einfach und leicht zu realisieren, da sie nur die Säule als ein Verbundmaterial betrachtet, während die Methode der Grenzgleichgewichtsmethode kompliziert klingt, da sie TSUST anwendet, um jede Komponente der Verbundsäule zu analysieren. Daher können diese beiden Methoden zur Untersuchung der axialen Tragfähigkeit von CFK-begrenzten CFST-Stummelsäulen angewendet werden und können als Referenz für die technische Konstruktion dienen. Dann kann die axiale Tragfähigkeit von reinen CFST-Säulen durch die Grenzgleichgewichtsmethode vorhergesagt werden, um die Tragfähigkeitsverbesserung aufgrund des CFK-Einschlusses zu bewerten. Durch Überprüfung der Testergebnisse wird die Tragfähigkeitsverbesserungsrate als Ausdruck von (Nt-NCFST) / NCFST beschrieben, wie in Tabelle 1 gezeigt. Es wurde festgestellt, dass die gemittelte Tragfähigkeitssteigerungsrate von CFK-begrenzten CFST-Stummelsäulen im Vergleich zu den reinen CFST-Säulen 16,4 Prozent beträgt. Da die CFK-Platte sehr dünn ist, wird gezeigt, dass sich die Tragfähigkeit der Verbundsäulen stärker verbessert als bei den entsprechenden reinen CFST-Säulen mit nahezu gleicher Querschnittsfläche. Daher ist es sehr anwendbar, CFK zur Verstärkung der CFST-Säule zu verwenden, und die Verbundsäulen können zu erheblichen Einsparungen bei der Säulengröße führen, die letztendlich die Materialpotenz realisieren und wirtschaftliche Vorteile bringen.

Durch Datenanalyse der berechneten und experimentellen Ergebnisse kann festgestellt werden, dass die Betonfestigkeit und die relativen Anteile von CFK und Stahl die Hauptparameter sind, um die axiale Tragfähigkeit der Verbundsäule zu beeinflussen. Der Begrenzungsmechanismus der CFK- und Axiallagerkapazitätsverbesserung muss validiert werden, daher werden die relativen Anteile von CFK und Stahl gemäß dem Konzept des äquivalenten Begrenzungskoeffizienten (1) vorgeschlagen. Die relativen Anteile von CFK und Stahl berücksichtigen Festigkeit, Gehalt und Begrenzungseffekt der Profilform, dh

Da die Testergebnisse der Tragfähigkeit der Stummelsäulen einen gewissen Dispersionsgrad aufweisen und einige Parameter als gleich angesehen werden müssen Wert, die berechnete Axiallagerkapazität Ncc wird verwendet, um das Verhältnis zur Verbesserung der Tragfähigkeit mit dem Ausdruck (Ncc-NCFST) / NCFST zu beschreiben, der die Funktion des CFK-Zylinders zur Begrenzung der CFST-Säule widerspiegelt, wobei NCFST der berechnete Wert ist für die entsprechende reine CFST-Säule. Ncc wird durch die Grenzgleichgewichtstheorie erhalten.

Die Beziehung zwischen (Ncc − NCFST) /NCFST und für die drei Arten von Verbundsäulen ist in Abbildung 3 dargestellt. In Bezug auf die experimentellen Daten in Tabelle 1 wird fck von Typ b und Typ c als 40,15 MPa ähnlich wie Typ a angenommen, und Abbildung 3 (a) zeigt die Beziehung zwischen (Ncc − NCFST) / NCFST und unter der gleichen Betonfestigkeit. Die Beziehung ist linear und direkt proportional zu den CFK-umwickelten Verbundsäulen mit dem äußeren kreisförmigen CFK oder äußeren quadratischen CFK, da der äußere CFK-Zylinder die gesamte CFK-Säule verstärkt. Für die inneren kreisförmigen CFK-Betonsäulen gibt es jedoch keinen linearen Anteil, da innerer CFK nur seinen inneren Beton direkt verstärkt. Es kann auch festgestellt werden, dass äußerer kreisförmiger CFK den besten Einschlusseffekt aufweist, um das höchste Verhältnis zur Verbesserung der Tragfähigkeit bei gleichen relativen Anteilen von CFK und Stahl bereitzustellen. Unterdessen tut äußeres quadratisches CFRP besser als inneres Kreis-CFRP, wie in Abbildung 3(a) gezeigt, d.h. CFRP, da externe Jacken die bessere Beschränkung als das interne zur Verfügung stellen können. Auf der anderen Seite wählen wir die grundlegenden Parameter der äußeren quadratischen CFK-begrenzten CFST−Säulen in Tabelle 1, um die Beziehung zwischen (Ncc-NCFST) / NCFST und unter unterschiedlicher Betonfestigkeit zu erhalten, wie in Abbildung 3 (b) gezeigt. Für jede Gruppe sind das Stahlrohr und der Beton gleich, so dass das Tragfähigkeitsverbesserungsverhältnis linear und direkt proportional zum Inhalt des CFK-Zylinders ist. Unter den vier Gruppen nimmt mit abnehmender Betonfestigkeit das Verhältnis zur Verbesserung der Tragfähigkeit mit der Verbesserung der relativen Anteile von CFK und Stahl zu. Es zeigt an, dass der Einschlusseffekt von CFK mit abnehmender Betonfestigkeit zunimmt. Der Grund ist hauptsächlich, dass die Beiträge des CFK-Zylinders der Verschiebungswiderstand der CFST-Säule sind und niedrigfester Beton die bessere Verformungskapazität aufweist, um das CFK-Spiel insbesondere während des Nachknickprozesses zu verbessern.

(ein)

(b)

(a)
(b)

Abbildung 3

Beziehung zwischen (Ncc – NCFST)/NCFST und . (ein) fck = 40.15. (b) Verschiedene fck.

6. Schlussfolgerungen

Dieses Papier präsentierte eine vergleichende Studie von betongefüllten Stahlrohr- (CFST) -Stummelsäulen mit drei verschiedenen Einschlussarten aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFK): äußeres kreisförmiges CFK, inneres kreisförmiges CFK und äußeres quadratisches CFK. CFK-begrenzte CFST-Säule nutzt nicht nur die gute Leistung von CFST, sondern auch eine wesentliche Verbesserung des höheren CFK-Einschlusses. Der Druckmechanismus und die physikalischen Eigenschaften der Verbundsäule wurden zunächst analysiert, um die Einschlusseffekte der verschiedenen CFK auf CFST-Säulen zu untersuchen.

Zur Untersuchung der axialen Tragfähigkeit CFK-begrenzter CFST-Stummelsäulen wurden zwei Methoden angewendet, die auf der einheitlichen CFST-Theorie und der elastoplastischen Grenzgleichgewichtsmethode basieren. Die berechneten Ergebnisse stimmen gut mit den Testergebnissen überein. Durch Datenanalyse, Die Studie bestätigte, dass die Ergebnisse der Berechnung der Endfestigkeit der Grenzgleichgewichtsmethode genauer und zuverlässiger waren als die der Einheitlichen CFST-Theorie. Dann wurde die axiale Tragfähigkeit von reinen CFST-Säulen vorhergesagt, um den aus der CFK-Begrenzung resultierenden Faktor zur Verbesserung der Tragfähigkeit zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass das gemittelte Verbesserungsverhältnis 16,4 Prozent beträgt, was zeigt, dass die drei Arten von CFK-begrenzten CFST-Säulen eine breite Anwendbarkeit hatten.

CFK kann die Tragfähigkeit von CFK-Stäben erheblich erhöhen, da die komplementäre Wirkung zwischen Stahlrohr und Beton durch CFK verstärkt wird. Die Beziehung zwischen dem Tragfähigkeitsverbesserungsverhältnis und den relativen Anteilen von CFK und Stahl ist nahezu linear, insbesondere für die CFK-umwickelten Säulen mit dem äußeren kreisförmigen CFK oder äußeren quadratischen CFK. Durch eine vergleichende Analyse bestätigte diese Studie, dass äußeres kreisförmiges CFK den besten Einschlusseffekt hatte und äußeres quadratisches CFK besser war als inneres kreisförmiges CFK. Der Einschlusseffekt von CFK nahm mit der Abnahme der Betonfestigkeit zu und war proportional zu den relativen Anteilen von CFK und CFST bei gleicher Betonfestigkeit.

Datenverfügbarkeit

Alle für dieses Papier verwendeten Daten sind öffentlich verfügbar und online zugänglich. Wir haben den gesamten Datenaufbauprozess und die empirischen Techniken, die in der Arbeit vorgestellt werden, kommentiert. Wir haben formale Zitate in Artikelreferenzen gegeben. Obwohl wir für die empirische Analyse nicht direkt auf diese Quellen zurückgegriffen haben, bestätigten diese Bemühungen unser Verständnis des Umfangs, des Umfangs und der Genauigkeit der CFK-begrenzten CFST-Säulen.

Interessenkonflikte

Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte haben.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung durch die Chinese National Science Foundation (Grant no. 51478004). In der Zwischenzeit wird auch die finanzielle Unterstützung der Hebei University of Technology geschätzt.