軸圧縮下でのCFRP閉じ込めCFSTスタブ柱の比較研究

要約

炭素繊維強化ポリマー（CFRP）からの三つの異なる閉じ込めタイプを持つコンクリート充填鋼管（CFST）スタブ柱の比較研究：外円CFRP、内円CFRP、外方形CFRPを発表した。 ＣＦＲＰの閉込め効果を調べることを目的として，まず複合カラムの圧縮機構と物理的性質を解析した。 これら三つのＣＦＲＰ閉じ込めＣＦＳＴ柱の最終軸支承能力を，それぞれＣＦＳＴの統一理論と弾塑性限界平衡理論に基づいて計算した。 一方、対応するテストは、二つの計算モデルの実現可能性を検証するために採用されています。 データ解析により，極限平衡法の終局強度計算結果はＣＦＳＴの統一理論よりも信頼性が高く，試験結果に近似していることが分かった。 次に，純粋なＣＦＳＴ柱の軸方向支持力を予測し，三つのタイプの複合柱の支持力増強比を評価した。 これは、CFRP閉じ込めCFSTカラムが広い工学的適用性を持っていたことを示す、平均増強比が16.4パーセントであることが実証されました。 比較解析により，外側円形ＣＦＲＰが最良の閉じ込め効果を有し，外側正方形ＣＦＲＰが内側円形ＣＦＲＰより良好であることを確認した。 ＣＦＲＰの閉じ込め効果はコンクリート強度の低下とともに増加し，同じコンクリート強度の下ではＣＦＲＰと鋼の相対割合に比例した。

1. はじめに

炭素繊維強化ポリマー（Cfrp）は、シートまたはプレートの形の外部接着CFRP材料が特にたわみおよびせん断に適しているため、ここ数十年で欠損構造 多くの工学分野では、cfrp金属の合成タンクか管は都市工学か化学工学で使用される高圧ガスか液体を運ぶために自動車で使用されるガスタンクおよ Cfrp材料は、鉄筋コンクリートのコラムの閉じ込めのための外的なジャケットとして、強さおよび延性を高めることができます。 CFRPの優秀な機械および物理的性質はそれらに鉄骨構造を同様に修理し、改装するために優秀な候補者をします。 コンクリート充填鋼管（ＣＦＳＴ）構造は，長年にわたって土木工学で広く研究され，使用されてきた。 しかし，鋼管はコンクリート硬化前の腐食や薄肉部による劣化の影響を受けやすく，ＣＦＳＴ柱の軸方向強度が低下する。 従って、CFRP金属の管はまた土木工学で使用することができます例えば、コンクリートで満たされたCFRP鋼鉄合成の管はコラムとして使用され、cfrpはまた傷つけられたCFSTのコラムを補強するのに使用されていました。 Ｇｕ，Ｌｉ ｅ ｔ ａ ｌ． およびＷａｎｇ ｅ ｔ ａ ｌ． 、行われた研究のほとんどは、CFST構造のためのCFRPの使用に焦点を当てています。 炭素繊維シートまたはプレートは、その支持力と延性を高めるためにCFST部材の鋼管またはコンクリートに取り付けられています。 ＣＦＲＰで修復したＣＦＳＴ梁柱の終局横方向強度と曲げ剛性は，ＣＦＲＰ層の数の増加とともに増加すると結論した。 一方，試料の延性はＣＦＲＰ層の数とともにわずかに増加した。 およびＴａｏらによって議論されたように、Ｔａｏ ｅ ｔ ａ ｌ． 、CFRPシリンダーはまた全体のシステムの座屈およびpostbuckling行動の劇的な改善をもたらす切株のコラムの座屈を妨げることができる。 Wang et al. 円形ＣＦＲＰ閉じ込めＣＦＳＴ柱三十二本と正方形ＣＦＲＰ閉じ込めＣＦＳＴ柱二十四本について軸圧縮実験を行った。 試験結果の分析は、鋼管とその外側のCFRP材料が縦方向および横方向の両方で協力できることを示しています。 したがって，これらの研究はすべて，ｃｆｒｐのより高い閉じ込めによって鋼管とコンクリートとの相補的作用が強化されたという概念に基づいている。

上記の研究では、他のタイプの複合柱も提案されています。 Karimi et al. 鋼ｉ部の周囲に円形ＦＲＰを配置し，鋼ｉ部とＦＲＰ管の間にコンクリートを充填したｆｒｐ被覆鋼-コンクリート複合柱のタイプを提案した。 Fengら。 外層として正方形鋼管を，内層として円形フィラメント巻線ＦＲＰ管を有し，これら二つの層の間とＦＲＰ管内の両方にコンクリートを充填した鋼-コンクリート-ＦＲＰ-コンクリート柱を提案した。 これらの研究の結果，コンクリート，ＦＲＰ，鋼の強度が複合柱に有効に利用できることが分かった。

これらの研究成果はすべて、複合柱が理論的研究と工学的実践においてその実現可能性を有し、より多くの開発の可能性を示すことを確認した。 圧縮強度は構造部材にとって重要なパラメータであり，上記の研究のほとんどは終局圧縮強度を計算するための重ね合わせ法に集中していたので，ＣＦＲＰ閉じ込めＣＦＳＴ柱の断面ごとに異なる式を導いた。 そこで，ＣＦＳＴの統一理論と限界平衡理論の考え方により，複合柱の異なるセクションに適用可能な統一法を構築することを目的とした。 本研究の焦点は，外側円形ＣＦＲＰ，内側円形ＣＦＲＰ，および外側正方形ＣＦＲＰの三つの異なる閉じ込めタイプの比較研究を通じて，ＣＦＳＴスタブカラムを強化するための三つの異なる技術Ｃｆｒｐを検討することである。 これら三つのｃｆｒｐ閉込めＣＦＳＴカラムの圧縮機構と物理的性質を解析し，ＣＦＳＴカラムに対するＣＦＲＰの閉込め効果を調べた。 ＣＦＲＰ閉込めＣＦＳＴ柱の軸方向圧縮容量を得るための二つの理論計算モデルを示した。 一つはCFSTの統一理論です : 鋼管とＣＦＲＰシリンダの異なる断面を考慮して等価閉込め係数を提案し，ＣＦＳＴの統一理論から式を導出して圧縮下での複合柱の支持力を予測した。 もう一つは弾塑性限界平衡法であり，双せん断統一強度理論（ＴＤＵＳＴ）を適用して鋼管とコンクリートの終局状態を解析し，複合柱の終局支持能力を極限平衡法によって求めた。 理論的予測を実験結果と比較し，二つの計算モデルの実現可能性を検証した。 最後に，軸方向支持力に及ぼすＣＦＲＰ閉じ込め効果を，これら三つのＣＦＲＰ閉じ込めＣＦＳＴ柱を比較して解析した。

2. 作業メカニズム

既存の研究の概要に基づいて、図1に示すように、外側円形CFRP、内側円形CFRP、外側正方形CFRPなど、CFRP閉じ込めの異なる三つのタイプのCFRP閉じ込めCFSTカラムが考えられている。 図1に示すように、鋼管は閉じ込められたコンクリートと一緒に軸方向の圧縮に著しく抵抗することができ、CFRPシリンダは鋼管またはコンクリートに直接横方向の閉じ込めを提供し、複合柱を間接的に良好に動作させることができる。

(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.

我々が知っているように、複合柱の圧縮プロセス中に、垂直荷重が断面全体に作用するときに水平変形が存在する。 図1のタイプaの例を取ると、コンクリートはCFRPシートで包まれた円形の管に充填されるので、その単純化された応力モデルを図2にプロットすることが

フィギュア2

圧縮中の複合列の応力モデル。 （A）コンクリート。 （b）鋼鉄管。 （c）CFRPシリンダー。

コンクリートの水平変形係数は軸方向荷重の開始時に小さかったので，鋼管およびＣＦＲＰシートからの横方向応力ｐは明らかではなかった。 増加する軸圧縮によって、コンクリートの横の変形はコラムの収穫の後で次第に特に増加し始めます。 柱がプラスチックステージに入った後、コンクリートには多くの微小亀裂が起こったが、CFRPシリンダーと鋼管の両方がコンクリートを閉じ込めることができ、その拡張を延期することができる。 コンクリートは三次元圧縮されたとみなすことができ、鋼管は薄肉シリンダーとみなすことができ、CFRPは図2に示すように円周方向にのみ引張されます。 最終的な状態はｃｆｒｐ閉じ込めＣＦＳＴカラムの次の破壊モードを考慮する：鋼管バッキングとＣＦＲＰシート破裂。 CFRPシリンダーに軸軸受け容量への直接貢献がないが、横断繊維シートはCFSTのコラムの全体（図1のタイプa、cを見なさい）または部分的に（図1のタイプbを見なさい）を閉じ込めることによって強さの強化に貢献し、コラムのより高い耐圧強度をもたらす。 したがって、ラッピングＣＦＲＰは、座屈前の非弾性軸方向変形能力の大幅な改善および座屈後の荷重運搬能力の改善につながる可能性がある。

3. CFSTの統一理論による計算

CFSTの統一理論は、1993年にZhong Shan-tong教授によって発表されました。 ＣＦＳＴを統一体とみなし，その挙動を研究するために新しい複合材料を用いた。 これは、設計作業を設計し、簡素化するための新しい方法でした。 ＣＦＳＴの統一理論を拡張して，種々の閉じ込め材料と種々の荷重下での種々の断面積を有する複合ＣＦＳＴ柱の圧縮強度を計算した。 ＣＦＲＰ閉込めＣＦＳＴ柱の場合，コンクリートは鋼管によって直接閉込められ，この閉込め効果はＣＦＲＰシリンダによって絶対に強化される。 一つの複合材料もその挙動を評価するために考慮することができるが，鋼管とＣＦＲＰシリンダから得られる閉込め効果を再評価する必要がある。 CFRP閉込めCFST柱に深い研究を拡張することができますので、一つの等価閉込め係数が提示され、それぞれ鋼管、コンクリート、CFRPシリンダの断面積で表すことができます; は鋼の降伏強さ，ＣＦＲＰはコンクリートの標準圧縮強さ，閉込め材の断面形状を考慮した係数である。 複合柱にはコンクリートを閉じ込めるための二つのdifform材料があるため、拘束の効果は円形断面から正方形断面に異なります。 一般に、円形断面の係数は基本パラメータ1として取られ、正方形断面の場合は0.74です。

そして、スタブカラムの複合強度は、CFSTの統一理論から導出された式によって計算することができ、式はそれぞれ閉じ込め材料とコンクリートの寄与を反映して表現することができる。 ここで、

で計算される鋼管とCFRPシリンダの両方を含む閉じ込め材料の加重平均であるため、CFRP閉じ込めCFSTスタブカラムの支持力を計算するには、次の式を使用することをお勧めします。ここで、は列全体の断面積であり、はCFSTの統一理論によって計算された支持力である。

4. 極限平衡理論による計算

4.1. 基本的な仮定

軸圧縮容量を得るためのこの理論モデルでは、鋼管とCFRPによって閉じ込めがどのくらい影響されるかを定量的に分析することがで 鋼管とCFRPシート間のインターフェイスは強いられます;鋼鉄管の放射状の圧力は無視され、鋼鉄管は二軸の圧力の下にあります; CFRP材料は線形伸縮性があり、側面圧力だけ考慮されます、従って繊維の方向に沿う圧力は考慮されます;放射状圧力および縦方向圧力は無視されます。

上記の仮定に基づいて、CFRP閉じ込められたCFST柱の究極の軸方向支持力は、それぞれ鋼管とコンクリートの垂直支持力で計算することができます。 は限界平衡理論によって計算される支持力である。 極限平衡の状態では、複合カラムのすべての部分をTSUSTを使用して分析することができます。

4.2. ツインせん断統一強度理論（TSUST）

TSUSTは、二つの大きな主せん断応力と対応する垂直応力、および材料の破壊に対するそれらの異なる影響を考慮します。 それらの間の関係関数が一つの究極の値に達すると、材料は次のように定式化されたこの状態での破壊として定義することができます。,,andは主せん断応力、,,and;,and,は主せん断応力要素上の対応する垂直応力、,,andは主応力、θ ; は、中間主せん断応力または材料の強度に対する相対的な効果を反映した重み係数であり、Cは材料強度に等しい。cは、材料損傷に対する正の応力の影響係数である。 張力-圧縮強度比を次のように示し、（7a）および（7b）を主応力に関して次のように書き換える：

4.3。 最終的な容量の方式

同じ区域の原則によって、鋼鉄管の正方形の横断面は円のものに変形させることができます。 Bおよびtsは正方形の鋼鉄管の側面の長さそして厚さであり、roおよびtoは同等の円の鋼鉄管の半径そして厚さ、それぞれです。 式は次のように示されています：

一方、正方形鋼の閉じ込めはその側に沿って不均一であるため、等価還元係数は、等価円形鋼管の同じ閉じ込めを減 厚さ側長さ比を示し、等価低減係数の式を示す。 その間、正方形の鋼鉄管の中のコンクリートの有効で、非効果的な閉じ込めの地帯があります。 ここでは，コンクリート強度低下係数はこれら二つの影響を無視すると考えた。 具体的な強さの減少の要因は同等の円の鋼鉄管の内径であるところで、ように取られます。

閉込めコンクリートの単純化された応力モデルを図2(a)に示します。 応力はによって説明することができる。 のために。 これらをTSUSTの応力式に代入すると、横応力係数として以下の式が得られる。 TSUSTでは、材料破壊状態での凝集と摩擦角によって計算できます。 Richartのテストによると、ここでは簡単に4.1と取られています。pはコンクリートの横方向の応力であり、コンクリートの横方向の応力は、図1に示すようにa型とc型の鋼管とCFRPシリンダの両方からのものであるため、CFRPシリンダの厚さと半径をそれぞれ、鋼管の厚さと半径をそれぞれで表すことができます。 図1のタイプbのために、コンクリートは異なった側面圧力の下の外部のコンクリートおよび内部コンクリートに分けられるべきである間。 外部コンクリートは鋼管によってのみ閉じ込められるが、内部コンクリートは鋼管とCFRPシリンダの両方と考えられる。 次に、コンクリートの軸方向支持力は、図2(b)に示すように

として表すことができ、鋼管は内部コンクリートによって拘束されるので、柱全体の最終状態の下で垂直荷重に耐えることができ、鋼管の強度低下係数としてγを仮定し、鋼管の応力状態を、、によって説明することができる。 そして、それらをTSUSTの応力表現に代入すると、以下の式が得られます：

次に0として得られました。65実験および統計データによって、鋼鉄管の最終的な容量は

によって計算することができます最後に、CFRP制限されたCFSTのコラムの最終的な容量は次のように表すことができます:

5。 比較と解析

図1に示すCFRP閉じ込めCFSTスタブカラムの三つのタイプは、軸方向圧縮下で試験されています。 CFSTと極限平衡理論の統一理論によって得られた計算と、それぞれ、試験結果とともに表1に記載されています。 計算された結果に両方小さい間違い内の試験結果のよい一致がより少しより20%あります。 表1に示す/と/の値を比較すると、極限平衡法によって得られるCFSTの統一理論の方法によって得られるよりも正確で信頼性が高いことがわかります。 一方，ＣＦＳＴの統一理論の方法は柱を一つの複合材料とみなすだけで簡単で実現しやすいが，限界平衡法の方法は複合柱のすべての成分を解析するためにＴＳＵＳＴを適用するため複雑である。 したがって、これら二つの方法は、CFRP閉じ込めCFSTスタブ柱の軸方向支持力を調査するために適用することができ、それらは技術設計のための参照を提 次に，ＣＦＲＰ閉込めによる支持力向上を評価するために，純粋なＣＦＳＴ柱の軸方向支持力を限界平衡法によって予測することができる。 試験結果を見直すことにより、支持力増強率は、表1に示すように（Nt-NCFST）/NCFSTの式として記載されています。 CFRP閉じ込めCFSTスタブカラムの平均支持力増強率は、純粋なCFSTカラムと比較して16.4パーセントであることが判明しました。 ＣＦＲＰシートは非常に薄いので，複合柱の支持力はほぼ同じ断面積を有する対応する純粋なＣＦＳＴ柱よりも改善することを示した。 従ってCFSTのコラムを増強するのに、それはCFRPを使用するために非常に適当であり合成のコラムは最終的に物質的な潜在的能力を実現し、経済的な利

計算結果と実験結果のデータ解析により，コンクリート強度とＣＦＲＰと鋼の相対割合が複合柱の軸方向支持力に影響を与える主なパラメータであることが分かった。 CFRPの閉じ込め機構と軸方向支持力の向上を検証する必要があるため、cfrpと鋼の相対比率は、等価閉じ込め係数（1）の概念に従って提案されています。 CFRPと鋼の相対比率は、断面形状の強度、含有量、および閉じ込め効果を考慮しています。

スタブ柱の支持力の試験結果はある程度の分散を有し、いくつかのパラメータを同じ値とする必要があるため、計算された軸方向支持力Nccは、cfrpシリンダのCFSTカラムを閉じ込める機能を反映した(Ncc-NCFST)/NCFSTの式で支持力増強比を記述するために使用されます。NCFSTは計算された値です。対応する純粋なCFST列の場合。 Ｎｃｃは極限平衡理論によって得られる。

(Ncc−NCFST)/NCFSTと3種類の複合カラムの関係を図3に示します。 表1の実験データを参考にして、b型とC型のfckをa型と同様に40.15MPaとし、図3(a)は(Ncc−NCFST)/NCFSTと同じコンクリート強度の関係を示しています。 この関係は、外側のcfrp円柱がCFST柱全体を強化するため、外側の円形CFRPまたは外側の正方形CFRPを有するCFRPラップされた複合柱に線形であり、正比例する。 しかし内部の円CFRP制限されたコラムのために、内部CFRPが内部のコンクリートを直接増強するだけであるので線形割合がありません。 また、外側円形CFRPは、CFRPと鋼の同じ相対割合で最高の支持力増強比を提供するために最良の閉じ込め効果を有することがわかります。 一方、図3(a)に示すように、外側の正方形CFRPは内側の円形CFRPよりも優れています。 一方、表1の外方形CFRP閉じ込めCFST列の基本パラメータを選択して、図3(b)に示すように、(Ncc-NCFST)/NCFSTと異なるコンクリート強度の関係を得ることができます。 あらゆるグループのために、鋼鉄管およびコンクリートは同じです、従って軸受け容量の強化の比率はCFRPシリンダーの内容に線形、正比例しています。 コンクリート強度の低下に伴い，ＣＦＲＰと鋼の相対割合の向上に伴って支持力増強比が増加した。 ＣＦＲＰの閉じ込め効果はコンクリート強度の低下とともに増加することを示した。 その理由は、主にCFRPシリンダの寄与がCFSTカラムの変位抵抗であり、低強度コンクリートは、特にバックバックプロセス中にCFRPをより良くするためのよ

(a)
(a)
(a))

(b))

(a)
(a)
(b))

フィギュア3

（Ｎｃｃ−ＮＣＦＳＴ）／ＮＣＦＳＴとの間の関係。 （ａ）ｆｃｋ＝４ ０． （b）異なるfck。

6. 結論

この論文では、炭素繊維強化ポリマー（CFRP）から三つの異なる閉じ込めタイプを持つコンクリート充填鋼管（CFST）スタブカラムの比較研究を提示しました: 外の円CFRP、内部の円CFRPおよび外の正方形CFRP。 ＣＦＲＰ閉込めＣＦＳＴカラムはＣＦＳＴの良好な性能だけでなく，ＣＦＲＰのより高い閉込めの実質的な改善を利用する。 Ｃｆｓｔカラムに対する異なるＣＦＲＰの閉込め効果を調べることを目的として，複合カラムの圧縮機構と物理的性質をまず解析した。

CFSTの統一理論に基づく二つの方法と弾塑性限界平衡法を適用して、CFRP閉込めCFSTスタブ柱の軸方向支持能力を調べました。 計算結果は試験結果と良く一致した。 データ解析により，極限平衡法の終局強度計算結果はＣＦＳＴの統一理論よりも正確で信頼性が高いことを確認した。 次に，純粋なＣＦＳＴ柱の軸方向支持力を予測し，ＣＦＲＰ閉じ込めから来る支持力改善係数を評価した。 これは、平均増強比が16.4パーセントであることが示され、CFRP閉じ込めCFSTカラムの三種類が広い適用性を持っていたことを示しています。

CFRPは、CFRPによって鋼管とコンクリートとの相補的な作用が強化されるため、CFST部材の支持力を大幅に高めることができます。 支持力増強比とＣＦＲＰと鋼の相対比率との関係は，特に外側の円形ＣＦＲＰまたは外側の正方形ＣＦＲＰを有するＣＦＲＰで包まれた柱について，ほぼ直線的である。 比較解析により，外側円形ＣＦＲＰが最良の閉じ込め効果を有し，外側正方形ＣＦＲＰが内側円形ＣＦＲＰより良好であることを確認した。 ＣＦＲＰの閉じ込め効果はコンクリート強度の低下とともに増加し，同じコンクリート強度の下ではＣＦＲＰとＣＦＳＴの相対割合と比例した。

データの入手可能性

この論文に使用されているすべてのデータは、一般に入手可能であり、オンラインでアクセス可能です。 私たちは、この論文で提示されたデータ構築プロセス全体と経験的技術に注釈を付けました。 私たちは、記事の参考文献に正式な引用を与えています。 これらの情報源を実証分析のために直接引き出すことはしませんでしたが、これらの努力は、CFRP限定CFSTカラムの範囲、規模、正確さの理解を確認しました。

利益相反

著者らは、利益相反はないと宣言している。

謝辞

著者らは、中国国家科学財団（助成番号51478004）によって提供された支援を認めたいと考えています。 一方、河北工科大学からの財政支援も高く評価されています。