海水海砂混凝土填充圆形FRP管短柱的轴压理论模型
摘 要
FRP管与海水海砂混凝土（SWSSC）的结合使用在海运业以及沿海基础设施方面拥有巨大潜力，而混凝土填充FRP管柱是此类应用中引人注目的结构构件之一。 本文为海水和海砂填充的圆形FRP管状短管柱的抗压性能提供了理论模型。FRP管在纵向上具有相当大的强度和刚度，而带有FRP包装的混凝土柱通常仅在环向上含有纤维，因此混凝土填充FRP管的性能与带有FRP缠绕（也称为“混凝土填充FRP缠绕”）的混凝土柱的性能基本不同。对于后者，人们提出了许多理论模型，但对前者的理论模型的研究非常有限。在本研究中，现有的FRP缠绕混凝土的膨胀模型与FRP管的双向应力分析相结合，以便正确考虑FRP管泊松比的影响。为了预测FRP管的屈曲，提出了最大应变屈曲破坏准则，并与试验结果进行了比较。此外，本文还对FRP管所承受的荷载进行了研究，提出了FRP管在整个加载过程中所分担荷载的简化模型。最后，提出了SWSSC填充FRP管柱的理论模型，该模型明确地模拟了混凝土和FRP管的行为及其相互作用（即面向分析的模型）。所提出的模型对现有的实验数据给出了相当接近的预测。
关键词：混凝土填充FRP管；约束；扩张；理论模型；海水和海砂混凝土；轴向压缩
1.导言
近几十年来，纤维增强复合材料（FRP）以其高的强度重量比和良好的耐久性在土木工程中得到了越来越多的应用。其中一种应用是在混凝土填充的FRP管构件中，由于FRP管具有适当的纤维取向，可用于提供纵向和环向的强度和刚度。在此类柱中，FRP管充当混凝土浇筑的原位支撑模板，并对核心混凝土进行约束，以提高其强度和延性，此外还充当纵向和抗剪钢筋[1,2]。由于此类柱中没有钢材，因此可以使用海水和海砂混凝土（SWSSC）代替普通混凝土，从而形成FRP-SWSSC混合系统，这是由第二作者根据海运业和沿海基础设施首先提出的一个具有巨大潜力的有吸引力的概念[3,4]。海水悬浮悬浮泥沙的使用可以大大减少淡水和河沙的消耗，从根本上缓解了海洋基础设施建设带来的资源短缺问题和环境负担。本文是与香港理工大学、东南大学和哈尔滨工业大学合作的胡纳蒙大学（5—9）目前正在进行的一项大型研究项目的一部分。为了便于FRP管混凝土柱在工程实践中的应用，需要一个准确的理论模型来预测其性能。
预测FRP管混凝土性能的关键是预测FRP管约束混凝土的响应。众所周知，FRP包层/管提供的约束本质上是被动的[10]。被动约束是指围压随着混凝土侧向应变的增加而不断增加的情况，而主动约束是指围压在整个轴向加载过程中保持恒定的情况。
当FRP包层中的混凝土（其纵向刚度/强度可忽略不计）受到轴向压缩时，其横向膨胀由承受环向张力的FRP包层限制。由于FRP的线弹性应力应变特性，其围压不断增大，这与钢管混凝土的约束机制不同；钢管混凝土屈服后，其围压保持合理的恒定，因此其约束机制接近主动约束。FRP管混凝土的约束机理与FRP包裹混凝土相似，只是FRP管处于双向应力状态，其纵向刚度/强度显著。
人们对FRP约束的圆形混凝土柱进行了广泛的研究[11]（或简称为“FRP约束混凝土”，因为圆形截面中的混凝土处于（名义上）均匀约束），并提出了许多应力-应变模型。这些模型通常分为面向设计的模型以及面向分析的模型，前者采用封闭形式，易于在设计中使用，后者常利用增量数值程序[10,11]。FRP约束混凝土的面向分析的模型比面向设计的模型更通用、更强大，可以应用于任何材料约束的混凝土[12]。
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