一种FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱及其受压设计方法与流程

技术特征：
1.一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱，其特征在于：包括frp复合螺旋箍筋(1)、纵筋(2)以及混凝土(3)；其中纵筋(2)包括中部纵筋(2-1)和角部纵筋(2-2)；中部纵筋(2-1)与frp复合螺旋箍筋(1)绑扎、角部纵筋(2-1)与方形箍筋绑扎形成筋材骨架，筋材骨架布置于混凝土(3)内；所述frp复合螺旋箍筋(1)包括内部frp螺旋箍筋(1-1)及外部的frp方形箍筋(1-2)，且内部frp螺旋箍筋(1-1)直径和外部的frp方形箍筋(1-2)边长相等，每一圈frp螺旋箍筋均绑扎一道frp方形箍筋；所述frp方形箍筋的角部还均配设有纵筋。2.根据权利要求1所述的一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱，其特征在于：所述frp方形箍筋和frp螺旋箍筋采用gfrp筋、cfrp筋、bfrp筋以及afrp筋中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱，其特征在于：所述纵筋采用钢筋、gfrp筋、cfrp筋、bfrp筋、afrp筋其中一种或者钢筋与frp筋的混合筋。4.基于权利要求1至3任一项所述的一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的受压设计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：将该柱应用于海洋环境中，故确定所在区域环境类别及其作用等级，对不同的设计使用年限及相应的极限状态下的构件进行耐久性设计；第二步，根据设计要求，拟订整体方案和结构形式，参照已有设计和相关数据，初步确定frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的截面尺寸；第三步，根据建筑结构的拟定建筑规模、柱所在的位置、设定的荷载特征，计算设计使用年限及极限状态下柱的控制截面的最大设计承载力；第四步，根据初步拟定的截面尺寸、极限状态下的最大设计承载力及规范中的配筋要求，初步拟定其纵筋及箍筋的配置；第五步，确定内部frp螺旋箍筋和外部frp方形箍筋的有效侧向约束应力；第六步，制定复合螺旋箍筋约束模型，计算frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的极限承载力。5.根据权利要求4所述的一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的受压设计方法，其特征在于：第五步中，frp螺旋箍筋的有效侧向约束应力，其计算公式如下：式中f
fb
取螺旋箍筋的弯曲强度和0.004e
ft
中的较小值,e
ft
为筋材的受拉弹性模量；a
f
为螺旋箍筋的截面积；s为箍筋间距；d
s
为螺旋箍筋中线之间的直径；k
e
为有效约束系数；而frp螺旋箍筋的有效约束系数k
e
的计算公式如下：
式中a
cc
为螺旋箍筋中线所包围的混凝土面积，不包括纵筋面积；a
e
为有效约束核心混凝土面积；s'为箍筋净距；ρ
cc
为纵筋面积与截面核心面积之比。6.根据权利要求4所述的一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的受压设计方法，其特征在于：第五步中，对于frp方形箍筋，其在水平面内产生的侧向约束应力呈不均匀分布，约束力在纵筋处达到最大，相邻两根纵筋间的拱形“非有效约束区”为二次抛物线形状，抛物线的面积为w
i2
/6，其中w
i
为相邻两纵筋的净距，方形箍筋在竖直方向同样存在拱形“非有效约束区”；故，对于frp方形箍筋，其有效侧向约束应力f2'计算过程如下：其中，其中，式中，f
lx
'为x方向的有效侧向约束应力；f
ly
'为y方向的有效侧向约束应力；a
sx
为x方向上的箍筋总面积；a
sy
为y方向上的箍筋总面积；b
c
和d
c
分别为矩形两个方向箍筋中心的距离，且b
c
≥d
c
；而frp方形箍筋的有效约束系数k
e
的计算公式如下：式中，n为纵筋的数量。7.根据权利要求4所述的一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的受压设计方法，其特征在于：第六步中，制定复合螺旋箍筋约束模型时，为准确反映各箍筋实际的约束作用，将复合箍筋约束区分为双重约束区和单约束区，准确反映各箍筋实际的约束作用；其中双重约束区为螺旋箍筋内部区域，单约束区为螺旋箍筋至方形箍筋所在区域；而双重约束区混凝土峰值应力表达式如下：式中，f
cc1
为双重约束区混凝土峰值应力；f
co
为未约束混凝土强度；f
d
'为螺旋与矩形箍筋有效侧向约束应力之和；
而单约束区混凝土峰值应力表达式如下：式中，f
cc2
为单约束区混凝土峰值应力；f
co
为未约束混凝土强度；f2'为frp矩形箍筋有效侧向约束应力；最终，frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的承载力计算公式如下：p0＝f
cc1
(a
1-n1a
bar
) f
cc2
(a
2-n2a
bar
) nε
bar
e
bar
a
bar
式中，p0为frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱承载力；f
cc1
为双重约束区约束混凝土峰值应力；a1为双重约束区面积；n1为双重约束区纵筋数量；f
cc2
为单约束区约束混凝土峰值应力；a2为单约束区面积；n2为单约束区纵筋数量；a
bar
为单根纵筋的截面面积；n为纵筋总数量；ε
bar
为frp筋的极限压应变；e
bar
为frp筋的弹性模量。8.根据权利要求7所述的一种frp复合螺旋箍筋约束混凝土柱的受压设计方法，其特征在于：所述frp筋的极限压应变ε
bar
，根据长细比为6、10、15取极限压应变为1.3％、1.2％、0.7％，其余长细比根据插值取值。

技术总结
本发明公开了一种FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱及其受压设计方法，通过设置FRP复合螺旋箍筋、纵筋以及混凝土，利用FRP筋突出的耐腐蚀性，解决海洋工程结构筋材锈蚀的问题，FRP复合螺旋箍筋包括内部FRP螺旋箍筋和外部的FRP方形箍筋，该FRP复合螺旋箍筋形式通过箍筋间的有效绑扎，建立有效横向应力传递，能充分发挥FRP筋的力学性能，为核心混凝土提供“双重约束”，大幅度提升核心混凝土的峰值应力，并分析了FRP复合螺旋箍筋对不同区域混凝土的约束机理，提出FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱的约束模型及承载力计算方法，并在得到准确的承载力计算方法后提出一种FRP复合螺旋箍筋约束混凝土柱的设计方法。土柱的设计方法。土柱的设计方法。


技术研发人员：张普 胡俊敏 赵军 高丹盈 刘烨 沙米姆
受保护的技术使用者：河南郑大建筑材料有限公司
技术研发日：2021.10.29
技术公布日：2022/2/7