[发明专利]FRP管-混凝土-钢管组合柱的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型组合构件的设计方法。更具体地说，本发明涉及一种用于FRP管-混凝土-钢管组合柱（简称双管组合柱）的设计方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展和建筑行业的不断进步，充分利用新型FRP(纤维增强塑料，Fiber Reinforced Plastics)复合材料与传统建筑材料（如混凝土）特点的组合构件已经成为工程应用中的一种趋势。FRP是一种新型高级复合材料，力学性能优良，化学稳定性更好。FRP的抗拉强度很高，至少是建筑钢材的两倍，其中常用的CFRP（碳纤维增强复合材料）可高达十倍或以上；FRP的密度只有钢材的五分之一；FRP的抗腐蚀能力强，能阻隔电磁辐射，耐久性好。CFRP的抗疲劳能力也优于建筑钢材。因此，在混凝土构件中结合利用新型FRP复合材料比采用钢管等其他传统材料具有更明显的优势。

FRP管-混凝土-钢管组合柱是一种最近几年开始研究的新型组合构件，由外部FRP管、内部钢管及中间填充的混凝土共同组成。构件的截面可根据实际受力情况具有多种不同形式。由于充分发挥FRP复合材料、混凝土、钢材各自的特点，该双管组合柱具有一些其他构件无法比拟的特点。如FRP管不易发生局部屈曲，其约束作用使构件具有更好的延性，在地震作用下可作为抗剪钢筋，有防止构件发生脆性破坏的作用，同时FRP管具有较强的耐腐蚀性能，在施工中可作为混凝土浇筑的永久模板；构件内部的钢管的存在，使构件能承受部分施工时的荷载，也更加便于梁柱节点或与基础的连接；构件中空部分可以作为管线通道，并且由于截面空心率（混凝土部分内径与外径之比）通常可取0.6~0.8，大大减轻了构件自身的质量。已有试验表明，轴压构件的约束混凝土承载力可提高3~4倍。纯弯构件在承载力下降很小的情况下，跨中挠度可达跨度的1/15。这些优点，表明该双管组合柱具有非常好的应用前景。

但是，在实际的工程设计应用中，仍存在如下问题：在制作双管组合柱的时候，尚没有准确的指导方法告诉技术人员应该如何确定其各项参数，导致对双管组合柱的极限承载力是否能满足工程构件的应用要求无法预计。进而造成盲目设计、盲目制作和盲目施工应用，最终给工程构件质量造成潜在危害。

发明內容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种FRP管-混凝土-钢管组合柱的设计方法，使得双管组合柱的设计、制作人员获得必要的准确的建议。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明提供了一种FRP管-混凝土-钢管组合柱的设计方法，所述组合柱是指由外部的FRP管、内部的钢管及填充于两管之间的混凝土共同组成的双管组合柱；该设计方法是在已知将要使用该双管组合柱的工程构件的内力值的情况下，准确评价双管组合柱的极限承载力是否满足工程构件的应用要求；

定义用以描述双管组合柱的参数如下：构件长度用L表示；FRP管内外径分别为D和D_f，轴压、环拉弹性模量分别为E_xc,eff、E_θt,eff，实际环向断裂应变ε_ru；中间混凝土无约束和约束下峰值强度分别f_co、f_cc，无约束下峰值强度对应的应变为ε_co，初始弹性模量为E_c，纯弯下的极限压应变为ε_cu,b；内部钢管外径和厚度分别为D_s、t_s，屈服强度为f_y，弹性模量为E_s。构件两端荷载偏心距为e₁、e₂，并且约定e₂永远取正值且绝对值大于e₁；

该方法具体包括以下步骤：

（1）对于给定的双管组合柱，根据界限长细比计算公式判断双管组合柱属于短柱或者长柱：