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摘要：FRP约束圆形钢管混凝土柱具备质量轻、强度高、耐腐蚀、耐疲劳性能好和便于施工等特点。本文对目前FRP约束圆形钢管混凝土柱的静力性能、抗冲击性能、抗震性能等方面的研究进行综述。
关键词：FRP约束圆形钢管混凝土柱；力学性能
纤维增强复合材料 (fiber reinforced polymer，简称FRP)约束圆形钢管混凝土柱是一种外包FRP增强圆形钢管混凝土的新型组合结构，在圆形钢管混凝土外包裹FRP，使FRP替代部分钢材形成复合材料，共同约束核心混凝土，同时延缓钢管屈曲的发生，从而提高混凝土柱的承载能力以及耐久性。在当今建筑行业中得到良好应用，国内外众多研究人员对该结构的静力性能、抗冲击性能、抗震性能等方面进行了众多研究，成果丰硕。
1. FRP约束圆形钢管混凝土柱的静力性能研究
贾明英等人[1]进行了不同FRP约束混凝土圆柱轴心受压的性能试验研究，验证了FRP可极大的提升圆形混凝土柱的抗压承载力，同时大大增大其延性，总体结构的承载力取决于FRP材料的强度和厚度的乘积。Lu等人[2]对11根FRP约束钢管圆柱进行了轴向压力实验，实验表明FRP包裹能有效的约束混凝土，延缓钢管的局部屈曲，显著提高钢管混凝土的承载能力和减小轴向变形，同时建立了FRP约束混凝土柱的承载力数学模型。Ding等人[3]对CFRP（碳纤维增强复合材料）约束圆钢管混凝土柱进行了试验和理论研究，研究了不同CFRP层数和混凝土强度对CFRP约束圆钢管混凝土柱力学性能的影响，建立了CFRP、圆钢筒和混凝土芯在同心荷载作用下的同心圆筒力学模型，并通过FORTRAN程序得到了相应的弹塑性方法，讨论并确定了碳纤维布层数对核心混凝土极限承载力、延性和约束效应的影响，同时，基于极限平衡法和弹塑性法，提出了CFRP约束钢管混凝土短柱极限承载力简化公式。Zhang等人[4]建立了考虑钢管约束指标的FRP钢管混凝土极限应变、极限应力、峰值应变和峰值应力的计算方法，同时建立了应力-应变模型，描述了FRP约束钢管混凝土四个阶段的完整应力-应变曲线，该模型反映了FRP约束钢管混凝土的应力-应变特性，具有较好的精度和简洁性。Al-Mekhlaf等人[5]采用实验和模拟的方法研究了CFRP约束圆形钢管混凝土柱在偏心受压条件下的构件性能，实验和数值模拟结果表明，CFRP缠绕有效提高了钢管混凝土柱的偏心极限强度。
上述研究采用了实验和理论分析，表明了FRP能够很好的限制混凝土的横向变形，大大增加圆形钢管混凝土柱的轴向和偏心抗压承载力以及延缓钢管的局部屈曲，减小轴向变形，其约束能力与FRP的材料性能，包裹层数和钢管厚度有关。
2. FRP约束圆形钢管混凝土柱的抗冲击性能研究
Yan等人[6]对CFRP钢管混凝土进行了冲击实验，实验表明，构件的破坏模式与施加的冲击能量有关，通过增加钢管的厚度和提供额外的CFRP横向约束可以提高抗冲击性能。陈忱等人[7]应用有限元方法，构建了FRP钢管混凝土模型，研究了不同FRP材料性质，包裹层数和钢管厚度下构建的抗冲击性能，研究发现FRP能有效的提升构件的抗冲击刚度，其提升能力与FRP的材料性质以及FRP的包裹厚度和包裹方式有关，并使用已有的实验数据进行了验证。Chen等人[8]研究了纤维增强混凝土钢管在冲击载荷作用下的动力响应，实验表明FRP包裹对钢管混凝土柱抗冲击性能有明显的改善，且GFRP（玻璃纤维增强复合材料）要比CFRP的改善效果要更加显著。
从以上研究可以得出，对于圆形钢管混凝土柱构件，增加FRP材料约束可以明显改善构件的抗冲击性能，其改善效果同FRP的材料性质、包裹层数以及包裹方式有关，实验表明GFRP的对构件的抗冲击能力的提升效果要优于CFRP，且增加包裹层厚度可以有效减小构件在冲击力下的变形，因为GFRP加固下的钢管混凝土柱在大冲击力下吸收了更多的能量。
3. FRP约束圆形钢管混凝土柱的抗震性能研究
Yu等人[9]以大型FRP约束圆形钢管混凝土柱为实验对象，研究了构件在轴压和水平联合荷载作用下的力学性能，实验表明在循环水平加载下，FRP加固可以有效地延缓甚至防止悬臂钢管混凝土柱在恒轴压和循环水平荷载作用下的构件端部局部屈曲破坏，并且由于FRP和钢管的共同作用，构件的延性以及耗能能力都显著提高，抗震能力增强。朱春阳等人[10]建立了FRP约束圆形钢管混凝土柱的滞回模型，并开展了相关实验验证了该模型的合理性，研究表明，钢管局部屈曲是导致整个柱体抗震性能下降的主要原因，FRP可以通过抑制钢管局部屈曲从而有效防止柱体抗震性能的下降，且环向包裹的CFRP抑制钢管局部屈曲的能力要比环向包裹的GFRP更强，且环向包裹的FRP能使钢管的耗能能力提高40%以上。Fang等人[11]使用再生骨料混凝土填充钢管柱与GFRP钢管柱并进行了系统的力学性能实验研究，详细讨论了其破坏模式、横向弯矩-位移滞回响应、骨架曲线、能量耗散、刚度退化和等效粘滞阻尼比等，实验表明后者具备更高的侧向承载能力和耗能能力，且其延性系数约为前者的1.35倍。
从以上研究不难看出，FRP加固钢管混凝土柱可以明显提高构件的抗震性能，FRP加固下的钢管混凝土柱体在延性、侧向承载能力以及耗能能力上都明显优于无FRP加固下的钢管混凝土柱体。
4.总结
国内外众多学者已经对FRP材料加固下钢管混凝土柱件的性能进行了多年的全面而系统的研究，对该构件的静力性能、抗冲击能力以及抗震性能都进行了充分的理论分析、有限元模拟以及实验验证。研究表明，FRP约束圆形钢管混凝土柱拥有比普通圆形钢管混凝土柱更强的轴向承载能力和偏心承载能力，同时能延缓钢管的局部屈曲，且能有效减小构件在冲击荷载下的变形，在地震作用下具备更好的延性以及更高的耗能能力。同时，建立了与各个力学性能相关的预测数学模型，为整体结构的设计提供了指导。
参考文献
[1]贾明英, 程华, 陈小兵, et al. 不同FRP约束混凝土圆柱轴心受压性能试验研究 [J]. 工业建筑, 2002, 32(5): 65-7.
[2]Lu Yiyan, Li Na, Li Shan. Behavior of FRP-Confined Concrete-Filled Steel Tube Columns [J]. Polymers, 2014, 6(5): 1333-49.
[3]Ding Faxing, Lu Deren, Bai Yu, et al. Behaviour of CFRP-confined concrete-filled circular steel tube stub columns under axial loading [J]. Thin-Walled Structures, 2018, 125, 107-18.
[4]Zhang Yirui, Wei Yang, Bai Jiawen, et al. Stress-strain model of an FRP-confined concrete filled steel tube under axial compression [J]. Thin-Walled Structures, 2019, 142, 149-59.
[5]Al-Mekhlafi Galal M., Al-Osta Mohammed A., Sharif Alfarabi M. Behavior of eccentrically loaded concrete-filled stainless steel tubular stub columns confined by CFRP composites [J]. Engineering Structures, 2020, 205, 110113.
[6]Yan Xiao, Yali Shen. Impact Behaviors of CFT and CFRP Confined CFT Stub Columns [J]. Journal of Composites for Construction, 2012, 16(6): 662-70.
[7]陈忱, 赵颖华. FRP钢管混凝土构件抗冲击性能仿真分析 [J]. 振动与冲击, 2013, 32(19): 197-201.
[8]Chen Chen, Zhao Yinghua, Li Jackie. Experimental Investigation on the Impact Performance of Concrete-Filled FRP Steel Tubes [J]. Journal of Engineering Mechanics, 2015, 141(2): 04014112.
[9]Yu T., Hu Y.M., Teng J.G. Cyclic lateral response of FRP-confined circular concrete-filled steel tubular columns [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2016, 124, 12-22.
[10]朱春阳, 赵颖华, 袁跃, et al. 局部屈曲FRP增强薄壁钢管混凝土抗震性能 [J]. 计算力学学报, 2018, 35(5): 552-9.
[11]Fang Shu, Liu Feng, Xiong Zhe, et al. Seismic performance of recycled aggregate concrete-filled glass fibre-reinforced polymer-steel composite tube columns [J]. Construction and Building Materials, 2019, 225, 997-1010.