本文是一篇土木工程论文，本文利用有限元软件ABAQUS建立了冻融循环作用下双GFRP管异强混凝土(Concrete Filled Double-GFRP Tube，简称CFDGT)组合柱的有限元模型，该类柱是不同直径双GFRP管同心放置，其间和内部浇筑混凝上而形成的新型组合柱，混凝上强度可以相同也可异同。
第一章绪论
1.1研究背景及意义
目前，传统土木工程材料和结构的应用已趋近成熟，难以出现变革性的创新，但从建筑结构服役的经济性与使用年限来看，社会的不断发展对建筑材料结构提出了更高的要求，仅靠传统材料与结构已难以满足日益增长的基础建设需求。因此，各种新材料和新结构应运而生，将这些新材料与传统建筑材料进行组合，可以大大提升结构的经济性与力学性能。
钢管混凝土(CFSTs)是一种传统的被广泛应用于建设大跨度拱桥和大跨度屋顶的结构。其中，钢管填充混凝土技术可以利用混凝土填充各种形状的钢管加强结构的力学性能，内部混凝土提高了钢管壁受压时的几何稳定性，外部钢管则为混凝土提供约束，共同提升了混凝土的极限承载能力和延性[1]。然而，类似的钢管混凝土结构也存在一些问题，例如截面过大，钢管混凝土柱在受压时容易出现局部屈曲和失稳破坏，外部钢管易生锈腐蚀等。此外，由于钢筋长期暴露在潮湿环境下易锈蚀，从而引起钢筋混凝土的长期性能劣化、过早破坏和大量修复及加固费用等问题。为了解决这些问题，国际上近十几年来研发了多种高性能非金属增强材料，如纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)。研究表明，将FRP材料与传统建筑材料（如混凝土和钢材）进行组合，可以构造出经济且耐腐蚀的组合结构 [2]，并显著提升结构的力学性能和耐久性。
1.2 GFRP混凝土组合构件力学性能研究现状
在20世纪70年代晚期，相关研究人员和研究部门开始对聚合物复合材料(FRP)开展了研究，这种材料由高强度和高刚度的纤维与高性能热固性聚合物组成，现有研究说明FRP材料应用广泛，具有良好的物理特性。聚合物复合材料的力学特性完全由纤维和纤维/基体界面的质量决定，因此聚合物最重要的特性是其物理和应用特性，纤维增强聚合物近年来的发展历程如图1.2所示[15]。本文对一种GFRP材料与混凝土结合的组合结构的力学性能开展了建模与分析。
2005年，滕锦光[16] 等人提出一种新型组合柱形式，FRP-混凝土-钢管空心组合柱(DSTC)，并对其进行轴压力学性能试验研究。DSTC由FRP外管、钢内管以及两者 之间的填充混凝土组成。在这种新型的组合柱中，三种材料相互作用，与传统的双钢管混凝土组合柱相比，表现出特殊的优势。滕锦光等人说明了该类柱的理论依据，并开展了该类组合短柱轴压承载力试验研究，此外，进行了一系列的四点弯曲试验，明确了该类组合柱的抗弯性能。试验结果证明此新型柱中的混凝土受内外管双重约束，表现出极好的轴压承载性能和延性。
第二章 冻融循环下GFRP管混凝土组合柱有限元模型与验证
2.1 引言
大型有限元软件ABAQUS是目前应用最广泛、最先进的计算机仿真软件之一，ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。相较于实验，数值模拟具有条件不受限制、成本低廉、时间可控等优点，因此，许多研究人员使用有限元软件进行大量数值模拟，以代替实验得到相关结论。
GFRP是一种广泛应用的复合材料，主要是通过湿法缠绕制作而成。在制作过程中，玻璃纤维被以一定的缠绕角度排列，并在这些层间涂抹均匀的基底粘结材料，层层缠绕后形成复合材料。玻璃纤维是一种具有高强度和刚度的复合材料，复合材料的力学性能受到各组分材料的性能、制造工艺和层间相互作用等多种因素的影响[59]。对于GFRP这种特殊材料，ABAQUS能够设置空间中不断变化的纤维方向和铺层厚度，同时利用显式动力求解器可实现真实地仿真计算。
本章基于曹凯[60]提出的冻融循环后约束混凝土本构模型，该模型基于韩林海提出的约束混凝土本构模型[62]修正后建立，利用ABAQUS创建冻融循环作用下GFRP管混凝土组合柱（CFGT）三维实体模型，开展试件轴压性能研究。得到CFGT轴压柱的荷载-位移曲线，通过与试验得到的曲线对比，验证本文采用的材料本构和建模方法的可靠性。
2.2ABAQUS有限元软件介绍
2005年，ABAQUS开发者Karlsson、Hibbitt 和 Sorensen与法国达索集团达成合作，共同开发数值仿真平台SIMULIA，并通过不断的改进和完善逐渐发展成为如今广泛使用的有限元仿真软件ABAQUS[63]。ABAQUS有多种可供用户选择的不同模块，可以高效地创建高质量的模型，并提供丰富的人机交互环境以及自动化处理的分析流程。
GFRP管为玻璃纤维复合材料，力学特性为各向异性，GFRP管约束混凝土组合柱中玻璃纤维仅在纤维方向承受拉力，垂直于纤维方向的GFRP材料强度可不考虑。GFRP材料在未达到极限拉应力时表现为弹性材料，达到极限拉应力后会突然断裂，无冻融条件的GFRP材料本构关系曲线如图 2.2 所示，表现为脆性。
现有的 GFRP 材料冻融试验研究数据表明， 各类型GFRP材料受冻融劣化作用相当，在冻融循环条件下，GFRP材料强度弹性模量随着冻融循环次数的增加有较小的增长，在试件冻融劣化过程中，GFRP材料与混凝土材料相比具有较好的耐久性。基于孙奇开展的冻融循环作用对GFRP锚杆力学性能的影响规律结论，得到不同冻融循环次数下GFRP管材料抗拉性能及弹性模量。
第三章 冻融循环下足尺双GFRP管异强混凝土组合柱轴压性能分析 .............................. 22
3.1 引言 .................................. 22
3.2 试件设计 .................................... 22
第四章 冻融循环下足尺双GFRP管异强混凝土组合柱抗震性能研究 ...................... 39
4.1 引言 .................................. 39
4.2 试件设计 ............................... 39
第五章 结论与展望 .................................... 68
5.1 结论 .................................... 68
5.2 展望 ..................................... 69
第四章 冻融循环下足尺双GFRP管异强混凝土组合柱抗震性能研究
4.2 试件设计
4.2.1 轴压比
本文拟开展34根 CFDGT组合柱的拟静力仿真研究，基于第三章对于CFDGT试件轴压承载力性能的分析，建立CFDGT抗震有限元模型。各试件的名义轴压比(n0)按照文献[68]中介绍的方法进行计算，考虑的参数包括，核心与夹层混凝土强度等级，核心与夹层混凝土约束效应系数，冻融循环次数以及试件剪跨比，基于提出的该类柱轴压承载力计算公式，计算设计试件在不同轴压比下的竖向荷载加载值。
4.2.2 试件参数
以试件的剪跨比 (λ’)、核心和夹层混凝土轴心抗压强度(fcki、fcko)、冻融循环次数(N)、外GFRP管厚度(T)及试件的轴压比(n0)为主要控制参数，本章共设计34根双GFRP管异强混凝土(CFDGT)组合柱试件并开展其拟静力仿真分析(其中无冻融试件10根，冻融循环后试件24根)，试件的约束效应系数按第三章给出的方法计算，试件的具体参数如表4-1所示。
第五章 结论与展望
5.1 结论
本文利用有限元软件ABAQUS建立了冻融循环作用下双GFRP管异强混凝土(Concrete Filled Double-GFRP Tube，简称CFDGT)组合柱的有限元模型，该类柱是不同直径双GFRP管同心放置，其间和内部浇筑混凝上而形成的新型组合柱，混凝上强度可以相同也可异同。该类组合柱由于内外双GFRP管的结构，与传统钢管混凝土柱相比，其在承载能力、变形能力、抗腐蚀能力和耐久性等方面得到进一步提升。本文采用仿真分析和理论分析相结合的方式，深入考察了CFDGT组合柱的轴压性能和抗震性能。主要研究成果如下:
1. 基于冻融循环后GFRP材料与混凝土本构模型，通过对已有的冻融循环后GFRP管-混凝土组合柱(Concrete Filled GFRP Tube，简称CFGT)轴压试验进行数值仿真分析，获得该类柱的竖向荷载-位移全过程曲线和破坏形态，并与试验的竖向荷载-位移曲线和破坏形态进行对比，比较模拟结果和已有试件结果，发现有限元模拟所得到的曲线与试验曲线的趋势基本保持一致，模拟值与试验值之间的最大误差为8.89%，验证了该有限元模型建模可靠性。
2. 开展CFDGT组合柱轴压性能仿真分析，对50根CFDGT试件开展轴压模拟分析，考察冻融循环次数、长细比、混凝土强度、以及GFRP管厚度等参数对其轴压性能的影响规律，分析其破坏形式、受力机理及应力分布规律。基于50根足尺寸的CFDGT组合柱试件的扩展参数分析，引入双重组合约束效应系数(ξo、ξi)，考虑试件长细比和冻融循环次数的影响，利用1stOpt软件统计回归出该类组合柱在冻融循环下的轴压承载力计算公式，公式计算值与有限元计算值的误差最大为9.77%，满足工程精度要求。
参考文献（略）
