圆CFRP-钢管混凝土受弯构件中性层偏移规律及承载力计算

武斌; 韩明; 张国需; 邓继峰; 孟宪雷; 谭卓英

沈阳工业大学学报 ›› 2026, Vol. 48 ›› Issue (5) : 127 -136.

武斌, 韩明, 张国需, 邓继峰, 孟宪雷, 谭卓英

作者信息 +

Author information +

文章历史 +

摘要

【目的】为了研究碳纤维增强聚合物（CFRP）约束钢管混凝土构件的受弯性能，揭示其内在受力规律，解决圆CFRP-钢管混凝土受弯构件承载力理论计算等相关问题，本文开展相关研究。【方法】对16个圆CFRP-钢管混凝土受弯构件进行了纯弯曲试验研究，在试验结果基础上采用对比分析方法，探讨了不同钢管直径、相同环向碳纤维下纵向碳纤维层数对中性层偏移规律的影响，并采用积分法推导了CFRP-钢管混凝土受弯构件的理论计算公式。【结果】在中性层偏移过程中，当荷载约为0.7P_u（P_u为极限载荷）时，纵向CFRP开始发生断裂；当CFRP跨中受拉区应变约为8 000με时，纵向CFRP完全断裂并退出工作；当钢管跨中受拉区应变约为9 000με时，钢管进入屈服阶段。中性层偏移终点位置及偏移量均随纵向CFRP层数的增加而减小，构件抗弯承载力则有所提升。当荷载小于0.7P_u时（即纵向CFRP开始断裂前）,钢管与CFRP的应变发展基本一致，表明二者在纵向可良好协同工作。在中性层偏移量-弯矩关系分析中，随着纵向CFRP层数增加，中性层偏移曲线整体下移，且可划分为一次线性偏移段、水平段和二次线性偏移段三个阶段；中性层偏移速率呈现“先加快、再变慢、再加快”的变化特征。当跨中弯矩约为0～0.3M_u（M_u为实测极限弯矩）时，中性层偏移速度较快，曲线斜率较大，钢管、混凝土及CFRP均处于弹性工作阶段，为第一阶段；当跨中弯矩介于0.6M_u～0.7M_u时，中性层偏移速度缓慢，曲线近似水平，纵向CFRP开始断裂；当跨中弯矩大于0.7M_u时，纵向CFRP全部断裂，受拉区钢管屈服并进入塑性强化阶段，此时截面受拉应力小于受压应力，受力状态失衡，中性层偏移加剧，曲线斜率增大，呈现二次上升特征。在中性层偏移量-曲率关系分析中，随纵向CFRP层数增加，中性层偏移曲线整体下移，偏移速率呈现“先快后慢”的特点；中性层偏移量-曲率偏移曲线可分为线弹性段和塑性段，约在0.3M_u～0.7M_u区间出现速率转折点。【结论】基于中性层偏移规律，结合受弯构件受力变形基本原理，本文推导得到圆CFRP-钢管混凝土受弯构件承载力计算公式，计算结果与试验结果吻合良好。中性层偏移规律的揭示及相应计算方法的提出，进一步丰富了钢管混凝土结构理论体系，可为相关工程实践提供理论依据。