jämförande studie av CFRP-begränsade CFST-Stubkolumner under axiell kompression

Abstrakt

detta dokument presenterade en jämförande studie av betongfyllda stålrörformiga (CFST) stubkolumner med tre olika inneslutningstyper från kolfiberförstärkt polymer (CFRP): yttre cirkulär CFRP, inre cirkulär CFRP och yttre kvadratisk CFRP. Kompressionsmekanismen och fysikaliska egenskaper hos kompositkolonnen analyserades för det första med sikte på att undersöka INNESLUTNINGSEFFEKTEN av CFRP. Ultimate axial bärighet av dessa tre CFRP-begränsade CFST kolumner beräknades baserat på enhetlig teori om CFST och elastoplastisk gräns jämviktsteori, respektive. Under tiden antas motsvarande tester för att validera genomförbarheten av de två beräkningsmodellerna. Genom dataanalys bekräftade studien att de ultimata styrkaberäkningsresultaten för gränsjämviktsmetoden visade sig vara mer tillförlitliga och ungefärliga till testresultaten än de för Unified Theory of CFST. Sedan förutspåddes axiell bärkraft för den rena CFST-kolonnen för att utvärdera bärkapacitetsförbättringsförhållandet för de tre typerna av kompositkolumner. Det visades att det genomsnittliga förbättringsförhållandet är 16,4 procent, vilket visar att CFRP-begränsade CFST-kolumner hade en bred teknisk tillämplighet. Genom en jämförande analys bekräftade denna studie också att yttre cirkulär CFRP hade den bästa inneslutningseffekten och yttre kvadratisk CFRP gjorde bättre än inre cirkulär CFRP. Inneslutningseffekten av CFRP ökade med minskningen av betongstyrkan, och den var proportionell med relativa proportioner av CFRP och stål under samma betongstyrka.

1. Introduktion

kolfiberförstärkta polymerer (CFRPs) har använts i stor utsträckning vid reparation och eftermontering av bristfälliga strukturer under de senaste decennierna, eftersom externt bundet CFRP-material i form av ark eller plattor är särskilt väl lämpat för böjning och skjuvning . På många tekniska områden har CFRP-metallkomposittankar eller-rör använts i stor utsträckning, såsom bensintank som används i motorfordon och rörledningssystem för transport av högtrycksgas eller vätska som används i kommunal teknik eller kemiteknik. CFRP-material, som externa Jackor för inneslutning av armerade betongkolonner, kan förbättra styrkan och duktiliteten . De överlägsna mekaniska och fysikaliska egenskaperna hos CFRP gör dem till utmärkta kandidater för att reparera och eftermontera stålkonstruktioner också. Betongfyllda stålrör (CFST) strukturer har studerats och använts i stor utsträckning i många år . Stålrör är emellertid mottagliga för nedbrytning på grund av korrosion och dess tunnväggiga sektion före betonghärdning , vilket resulterar i minskning av axiell styrka hos CFST-kolonnen . Därför kan CFRP – metallröret också användas inom anläggningsteknik , till exempel har CFRP-stålkompositröret fyllt med betong använts som kolonn, och CFRP har också använts för att förstärka skadad CFST-kolonn . Som diskuterats av Gu, Li et al. , och Wang et al. , har det mesta av forskningen fokuserat på användningen CFRP för CFST-struktur. Kolfiberplåtar eller plattor är fästa på ett stålrör eller betong i en CFST-medlem för att öka dess bärkraft och duktilitet. Det drogs slutsatsen att den ultimata sidostyrkan och böjstyvheten hos CFRP-reparerade CFST-strålkolumner ökade med det ökande antalet CFRP-lager. Under tiden ökade duktiliteten hos prover något med antalet CFRP-lager. Och, som diskuterats av Tao et al. , CFRP-cylindern kan också hindra knäckning av stubkolonnen vilket leder till dramatiska förbättringar i knäcknings-och postbucklingsbeteendet hos hela systemet. Wang et al. genomförda axiella kompressionsexperiment för trettiotvå cirkulära CFRP-begränsade CFST-kolumner och tjugofyra fyrkantiga CFRP-begränsade CFST-kolumner. Analyser av de testade resultaten visar att stålröret och dess yttre CFRP-material kan samverka både i längdriktningen och i tvärriktningen. Därför bygger alla dessa studier på begreppen att kompletterande åtgärder mellan stålrör och betong stärktes genom den högre inneslutningen av CFRP.

vid ovannämnda forskning har andra typer av kompositkolumner också föreslagits. Karimi et al. föreslog en typ av FRP-inneslutna stålbetongkompositkolonner där en cirkulär FRP placerades runt stål-i-sektionen och hade betongen fylld mellan stål-i-sektionen och FRP-röret. Feng et al. föreslog en stålbetong-FRP-betongkolonn som hade ett fyrkantigt stålrör som det yttre skiktet och ett cirkulärt filamentlindat FRP-rör som det inre skiktet, med betong fylld både mellan dessa två lager och inom FRP-röret. Resultaten av dessa studier visade att styrkan hos betong, FRP och stål effektivt kunde utnyttjas i kompositkolumnerna.

alla dessa forskningsresultat bekräftade att kompositkolonnen har sin genomförbarhet i teoretisk forskning och teknisk praxis, vilket visar en stor potential för mer utveckling. Tryckhållfasthet är en viktig parameter för strukturella medlemmar, och de flesta av dessa undersökningar som anges ovan koncentrerades på superpositionsmetoden för att beräkna den ultimata tryckhållfastheten, så olika formler härleddes för varje tvärsnitt av CFRP-begränsade CFST-kolumner. Därför är syftet med detta dokument att bygga enhetliga metoder som är tillämpliga på olika delar av kompositkolonnen genom tanken på enhetlig teori om CFST och gränsjämviktsteori. Fokus för denna studie är att undersöka tre olika teknik CFRP för att stärka CFST-stubkolumner genom en jämförande studie av tre olika inneslutningstyper: yttre cirkulär CFRP, inre cirkulär CFRP och yttre kvadratisk CFRP. Kompressionsmekanism och fysikaliska egenskaper hos dessa tre CFRP-begränsade CFST-kolumner analyserades först och främst för att undersöka inneslutningseffekten av CFRP på CFST-kolumner. Två teoretiska beräkningsmodeller presenteras för att erhålla den axiella tryckkapaciteten hos CFRP-begränsade CFST-kolumner. En är den enhetliga teorin om CFST : den ekvivalenta inneslutningskoefficienten föreslås med hänsyn till olika sektioner av stålrör och CFRP-cylindrar, och sedan härleds formler från enhetlig teori om CFST för att förutsäga bärigheten hos kompositkolonnen under kompression. Den andra är elastoplastisk gränsjämviktsmetod: twin-shear unified strength theory (TDUST) tillämpas för att analysera det ultimata tillståndet för stålrör respektive betong, och sedan erhålls kompositkolonnens ultimata lagerkapacitet med limit equilibrium-metoden. De teoretiska förutsägelserna jämfördes med de experimentella resultaten för att validera genomförbarheten av de två beräkningsmodellerna. Slutligen analyserades CFRP-inneslutningseffekterna på den axiella bärförmågan genom jämförelse av dessa tre CFRP-begränsade CFST-kolumner.

2. Arbetsmekanism

baserat på sammanfattningen av befintliga undersökningar betraktas tre typer av CFRP-begränsade CFST-kolumner med olika CFRP-inneslutningar inklusive yttre cirkulär CFRP, inre cirkulär CFRP och yttre kvadrat CFRP, som visas i Figur 1. CFRP-cylindern är lindad utanför den cirkulära CFST-kolonnen i typ A; CFRP-cylindern placeras inuti den fyrkantiga CFST i typ b, och CFRP-cylindern är lindad utanför den fyrkantiga CFST-kolonnen i typ c. som kan ses i Figur 1 kan stålrör tillsammans med den begränsade betongen motstå den axiella kompressionen anmärkningsvärt, medan CFRP-cylindrarna kan ge den laterala inneslutningen till stålröret eller betongen direkt och göra kompositkolonnen bättre indirekt.

(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.

som vi alla vet, under kompressionsprocessen av kompositkolumnerna finns det horisontell deformation när den vertikala belastningen verkar på hela sektionen. Ta exemplet med typ a i Figur 1, betong fylls i det cirkulära röret lindat av CFRP-arket, så dess förenklade spänningsmodell kan ritas i Figur 2.

Figur 2

Spänningsmodell i kompositkolonnen under kompression. (konkret. B) stålrör. C) KOLFIBERCYLINDER.

betongens horisontella deformationskoefficient var liten i början av axiell belastning, så sidospänningen p från stålrör och CFRP-ark är inte uppenbar. Med den ökande axiella kompressionen börjar betongens horisontella deformation gradvis öka, särskilt efter att kolonnen ger. Det skulle finnas många mikrosprickor hände i betong efter kolonnen ingått plast skede, men både CFRP cylindern och stålröret kan begränsa betongen att skjuta upp sin expansion. Betongen kan betraktas som tredimensionell komprimerad, stålrören kan betraktas som tunnväggiga cylindrar, och CFRP är endast drag i omkretsriktningen som visas i Figur 2. Det ultimata tillståndet beaktar följande fellägen för den CFRP-begränsade CFST-kolonnen: stålrör bucking och CFRP-arkbrott . Även om CFRP-cylindern inte har något direkt bidrag till den axiella bärigheten, bidrar de tvärgående fiberarken till hållfasthetsförbättringen genom att begränsa CFST-kolonnen helt (Se Typ A, c i Figur 1) eller delvis (se typ b i Figur 1), vilket leder till en högre tryckhållfasthet hos kolonnen. Därför kan omslaget CFRP leda till en signifikant förbättring av den oelastiska axiella deformationskapaciteten före knäckning och en förbättrad lastkapacitet efter knäckning.

3. Beräkningar av Unified Theory of CFST

Unified Theory of CFST presenterades av Professor Zhong Shan-tong 1993 . Det betraktade CFST som en enhetlig kropp, och ett nytt kompositmaterial användes för att studera dess beteenden. Det var en ny metod för att designa och förenkla designarbetet. Unified Theory of CFST har utvidgats för att beräkna kompressionsstyrkan hos de sammansatta CFST-kolumnerna med olika begränsande material och olika tvärsnitt under olika belastningar . För CFRP-begränsade CFST-kolumner är betongen fortfarande begränsad av stålröret direkt, och denna begränsande effekt förstärks absolut av CFRP-cylindern. Ett kompositmaterial kan också övervägas för att bedöma dess beteenden, men den begränsande effekten bör omvärderas från stålröret och CFRP-cylindern. Vi kan utöka djupare forskningsarbeten i CFRP-begränsade CFST-kolumner, så en ekvivalent inneslutningskoefficient presenteras, som kan uttryckas somvar,, och är tvärsnittsområdena i stålröret, betong, respektive CFRP-cylindern; och är avkastningsstyrkorna för stål respektive CFRP; är betongens standardtryckhållfasthet; och är koefficienterna med hänsyn till sektionsform av det begränsande materialet. Eftersom det i kompositkolonnen finns två difformaterial för att begränsa betong, skiljer sig effekten av fasthållning från cirkulär sektion till kvadratisk sektion. I allmänhet tas koefficienten för cirkulär sektion som grundparametern 1, och för kvadratisk sektion är den 0,74 .

då kan stubbkolonnens kompositstyrka beräknas med formeln härledd från enhetlig teori om CFST, och ekvationen kan uttryckas somvar och reflektera bidragen från begränsande material respektive betong. De kan beräknas med följande formel: var är det vägda genomsnittet av de begränsande materialen inklusive både stålröret och CFRP-cylindern, som beräknas med

därför rekommenderas att använda följande formel för att beräkna bärigheten hos den CFRP-begränsade CFST-stubkolonnen.var är tvärsnittsarean för hela kolonnen och är bärkapaciteten beräknad med enhetlig teori om CFST.

4. Beräkningar av Gränsjämviktsteori

4.1. Grundläggande antaganden

i denna teoretiska modell för att erhålla axiell tryckkapacitet kan vi kvantitativt analysera hur mycket inneslutningen påverkas av stålröret och CFRP. Gränssnittet mellan stålröret och CFRP-arket är begränsat; den radiella spänningen i stålröret ignoreras, och stålröret är under biaxial stress; CFRP-materialet är linjärt elastiskt, och endast sidospänningen beaktas, så spänningen längs fiberriktningen beaktas; den radiella spänningen och den längsgående spänningen ignoreras.

baserat på ovanstående antaganden kan den ultimata axiella bärförmågan hos CFRP-begränsade CFST-kolumner beräknas var som helst och är vertikala bärförmåga hos stålröret respektive betongen. är bärigheten beräknad med gränsjämviktsteori. I tillståndet för gränsjämvikt kan varje del av kompositkolonnen analyseras med TSUST .

4.2. Twin-Shear Unified Strength Theory (TSUST)

TSUST betraktar de två större huvudskjuvspänningarna och motsvarande normala spänningar och deras olika effekter på materialfel. När förhållandet funktion mellan dem når ett ultimat värde, materialet kan definieras som misslyckande vid detta tillstånd som är formulerat enligt följande: var,, och är de viktigaste skjuvspänningar,,, och;, och , är motsvarande normala påfrestningar på den huvudsakliga skjuvspänningselementet;,, och är de viktigaste spänningarna, XIX ; är en viktningskoefficient som återspeglar den relativa effekten av den mellanliggande huvudskjuvspänningen eller på materialets hållfasthet; C är lika med materialstyrkan; är påverkningskoefficienten för positiv stress på materiell skada. Betecknar förhållandet mellan spänningskompressionsstyrka som vi skriver om (7a) och (7b) när det gäller huvudspänningar enligt följande:

4.3. Formel för ultimat kapacitet

enligt principen om samma område kan stålrörets kvadratiska tvärsnitt omvandlas till en cirkulär. B och ts är sidolängden och tjockleken på det fyrkantiga stålröret, och ro och to är radien och tjockleken på det ekvivalenta cirkulära stålröret. Formlerna visas enligt följande:

samtidigt, eftersom inneslutningen av det fyrkantiga stålet är ojämnt längs dess sida, bör den ekvivalenta reduktionsfaktorn övervägas för att minska samma inneslutning av det ekvivalenta cirkulära stålröret. Betecknar tjocklek – sidolängdsförhållande, uttrycket av ekvivalent Reduktionsfaktor . Samtidigt finns det effektiva och icke-effektiva begränsningszoner av betongen inuti det fyrkantiga stålröret. I detta dokument anses reduktionsfaktorn för betongstyrka ignorera dessa två influenser. Betonghållfasthetsreduktionsfaktorn tas som, där Do är den inre diametern hos det ekvivalenta cirkulära stålröret.

den förenklade spänningsmodellen för begränsad betong visas i Figur 2(a). Spänningarna kan förklaras av . För . Genom att ersätta dem i stressuttrycket av TSUST kan följande uttryck erhållas somvar är sidospänningskoefficienten. I TSUST, kan beräknas genom sammanhållning och friktionsvinkel vid materialfel tillstånd. Enligt testet av Richart, har tagits som 4.1 helt enkelt här; p är den laterala spänningen på betongen, och den laterala spänningen på betong är från både stålröret och CFRP cylinder för typ a och c som visas i Figur 1, så det kan uttryckas bywhere är tjockleken och radien hos CFRP cylindern, respektive; och är tjockleken och radien hos stålröret, respektive. För typ b i Figur 1 bör betongen delas in i yttre betong och inre betong under olika sidospänningar. Yttre betong begränsas endast av stålröret, men inre betong betraktas som både stålröret och CFRP-cylindern. Då kan betongens axiella bärförmåga uttryckas som

som kan ses i Figur 2 (b), stålröret begränsas av inuti betong så att det kan bära en viss vertikal belastning under det ultimata tillståndet för hela kolonnen, är det antas som styrka reduktionsfaktorn för stålröret, och sedan kan spänningstillståndet för stålrör förklaras av , , . För och, ersätta dem i stressuttrycket av TSUST, kan följande uttryck erhållas:

erhölls sedan som 0.65 genom experiment och statistiska data , så den ultimata kapaciteten hos stålröret kan beräknas med

slutligen kan den ultimata kapaciteten hos CFRP-begränsad CFST-kolumn uttryckas enligt följande:

5. Jämförelse och analys

de tre typerna av CFRP-begränsade CFST-stubkolumner som visas i Figur 1 har testats under axiell kompression . Beräkningar och, erhållna genom Unified Theory of CFST respektive limit equilibrium theory, listas i Tabell 1 tillsammans med testresultaten . De beräknade resultaten har båda god överensstämmelse med testresultaten inom små fel mindre än 20%. Jämförelse av värdet av / och / som visas i Tabell 1 kan vi finna att erhållet med gränsjämviktsmetoden är mer exakt och tillförlitligt än erhållet med metoden för enhetlig teori om CFST. Å andra sidan är metoden för enhetlig teori om CFST enkel och lätt att inse eftersom den bara betraktar kolonnen som ett kompositmaterial, medan metoden för gränsjämviktsmetod låter komplicerad eftersom den tillämpar TSUST för att analysera varje komponent i kompositkolonnen. Därför kan dessa två metoder båda tillämpas för att undersöka den axiella bärförmågan hos CFRP-begränsade CFST-stubkolumner, och de kan ge referens för teknisk design. Då kan axiell bärförmåga hos rena CFST-kolumner förutsägas med gränsjämviktsmetoden för att utvärdera bärkapacitetsförbättringen på grund av CFRP-inneslutningen. Genom att granska testresultaten beskrivs bärighetsförbättringshastigheten som uttrycket för (Nt-NCFST) / NCFST som visas i Tabell 1. Det visade sig att den genomsnittliga bärkapacitetsförbättringshastigheten för CFRP-begränsade CFST-stubkolumner är 16,4 procent jämfört med de rena CFST-kolumnerna. Eftersom CFRP-arket är mycket tunt visas det att bärförmågan hos kompositkolumnerna förbättras mer än motsvarande rena CFST-kolumner med nästan samma tvärsnittsarea. Därför är det mycket tillämpligt att använda CFRP för att stärka CFST-kolumnen, och kompositkolumnerna kan resultera i betydande besparingar i kolumnstorlek, vilket i slutändan realiserar materialstyrkan och ger ekonomiska fördelar.

genom dataanalys av de beräknade och experimentella resultaten kan det konstateras att betongstyrka och de relativa proportionerna av CFRP och stål är huvudparametrarna för att påverka kompositkolonnens axiella bärkraft. Begränsningsmekanismen för CFRP och axiell bärkapacitetsförbättring måste valideras, så de relativa proportionerna av CFRP och stål föreslås enligt begreppet ekvivalent inneslutningskoefficient (1). De relativa proportionerna av CFRP och stål anser styrka, innehåll och begränsande effekt av sektionsform, det vill säga

eftersom testresultaten av bärigheten hos stubkolumnerna har en viss grad av dispersion och vissa parametrar måste tas som samma värde, används den beräknade axiella bärigheten Ncc för att beskriva bärkapacitetsförbättringsförhållandet med uttrycket av (Ncc-NCFST)/NCFST, vilket återspeglar CFRP-cylinderns funktion för att begränsa CFST-kolumnen, där NCFST är det beräknade värdet för motsvarande ren CFST kolumn. Ncc erhålls genom gränsjämviktsteori.

förhållandet mellan (Ncc-NCFST)/NCFST och för de tre typerna av kompositkolumner visas i Figur 3. Med hänvisning till experimentella data i Tabell 1 tas fck av typ b och typ c som 40,15 MPa som liknar typ a, och figur 3(A) visar förhållandet mellan (Ncc − NCFST)/NCFST och under samma betongstyrka. Förhållandet är linjärt och direkt proportionellt mot de CFRP-inslagna kompositkolonnerna med den yttre cirkulära CFRP eller yttre fyrkantiga CFRP eftersom den yttre CFRP-cylindern stärker hela CFST-kolonnen. Men för de inre cirkulära CFRP-begränsade kolumnerna finns det ingen linjär andel eftersom inre CFRP bara stärker sin inre betong direkt. Det kan också konstateras att yttre cirkulär CFRP har den bästa inneslutningseffekten för att ge det högsta bärkapacitetsförbättringsförhållandet vid samma relativa proportioner av CFRP och stål. Under tiden gör yttre kvadrat CFRP bättre än inre cirkulär CFRP som visas i Figur 3(a), det vill säga CFRP som externa jackor kan ge bättre inneslutning än den inre. Å andra sidan väljer vi de grundläggande parametrarna för yttre fyrkantiga CFRP-begränsade CFST−kolumner i Tabell 1 för att få förhållandet mellan (Ncc-NCFST)/NCFST och under olika betongstyrka som visas i Figur 3(b). För varje grupp är stålröret och betongen desamma, så bärkapacitetsförbättringsförhållandet är linjärt och direkt proportionellt mot innehållet i CFRP-cylindern. Bland de fyra grupperna, med minskningen av betongstyrkan, ökar bärkapacitetsförbättringsförhållandet med förbättringen av relativa proportioner av CFRP och stål. Det indikerar att INFÅNGNINGSEFFEKTEN av CFRP ökar med minskningen av betongstyrkan. Anledningen är främst att bidrag från CFRP cylindern är förskjutningsmotståndet hos CFST kolonnen, och låghållfast betong har bättre deformationskapacitet för att göra CFRP spela bättre särskilt under postbuckling processen.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 3

förhållandet mellan (Ncc-NCFST) / NCFST och . a) fck = 40,15. (b) olika fck.

6. Slutsatser

denna uppsats presenterade en jämförande studie av betongfyllda stålrörformiga (CFST) stubbkolonner med tre olika inneslutningstyper från kolfiberförstärkt polymer (CFRP): yttre cirkulär CFRP, inre cirkulär CFRP och yttre kvadratisk CFRP. CFRP-begränsad CFST-kolumn utnyttjar inte bara CFST: s goda prestanda utan också en väsentlig förbättring av högre inneslutning av CFRP. Kompressionsmekanismen och fysikaliska egenskaper hos kompositkolonnen analyserades först och främst för att undersöka inneslutningseffekterna av de olika CFRP på CFST-kolumner.

två metoder baserade på enhetlig teori om CFST och elastoplastisk gränsjämviktsmetod har tillämpats för att undersöka den axiella bärförmågan hos CFRP-begränsade CFST-stubkolumner. De beräknade resultaten har god överensstämmelse med testresultaten. Genom dataanalys bekräftade studien att de ultimata styrkaberäkningsresultaten för limit equilibrium method befanns vara mer exakta och tillförlitliga än den för Unified Theory of CFST. Sedan förutspåddes axiell bärkraft för rena CFST-kolumner för att utvärdera bärkapacitetsförbättringsfaktorn som kommer från CFRP-inneslutningen. Det visades att det genomsnittliga förbättringsförhållandet är 16,4 procent, vilket visar att de tre typerna av CFRP-begränsade CFST-kolumner hade en bred tillämplighet.

CFRP kan öka CFST-medlemmarnas lagerkapacitet avsevärt eftersom kompletterande åtgärder mellan stålröret och betongen stärks genom CFRP. Förhållandet mellan bärkapacitetsförbättringsförhållandet och relativa proportioner av CFRP och stål är nästan linjärt, speciellt för de CFRP-inslagna kolumnerna med den yttre cirkulära CFRP eller yttre kvadratiska CFRP. Genom en jämförande analys bekräftade denna studie att yttre cirkulär CFRP hade den bästa inneslutningseffekten och yttre kvadratisk CFRP gjorde bättre än inre cirkulär CFRP. Inneslutningseffekten av CFRP ökade med minskningen av betongstyrkan, och den var proportionell med relativa proportioner av CFRP och CFST under samma betongstyrka.

datatillgänglighet

Alla data som används för detta dokument är offentligt tillgängliga och tillgängliga online. Vi har kommenterat hela databyggnadsprocessen och empiriska tekniker som presenteras i uppsatsen. Vi har gett formella citat i artikelreferenser. Även om vi inte direkt utnyttja dessa källor för empirisk analys, dessa ansträngningar bekräftade vår förståelse av omfattningen, skala, och noggrannheten hos CFRP-begränsade CFST kolumner.

intressekonflikter

författarna förklarar att de inte har några intressekonflikter.

bekräftelser

författarna vill erkänna stödet från den kinesiska nationella Vetenskapsstiftelsen (Grant no. 51478004). Samtidigt uppskattas också det ekonomiska stödet från Hebei University of Technology.