椭圆形截面CFRP约束钢管混凝土柱的有限元、解析和人工神经网络模型研究

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在现代建筑中，结构混凝土构件采用了多种截面形状，但截面形状的改变对承载能力有显著影响。为恢复承载性能，椭圆形截面约束混凝土柱得到广泛关注。本研究采用有限元法（Abaqus）和人工神经网络（ANN）模型，系统研究了椭圆形截面碳纤维增强复合材料（CFRP）与钢管联合约束混凝土柱的轴向承载能力。试验柱高500 mm，设置三组长短轴比：1.0、1.5和2.0，每组长短轴比下采用三种CFRP层数（厚度分别为0.167、0.334和0.501 mm）。解析结果表明：长短轴比从1增加到2时，极限轴向承载力平均下降约23.2%；随着CFRP层数增加，膨胀角减小，钢管与CFRP的联合约束压力增大；长短轴比较大的柱体失效模式为沿短轴方向的中部局部屈曲。有限元模型与试验结果的关联性良好，极限应力和应变的均方误差分别为2.27和0.001；ANN和解析模型与试验结果的相关系数R²分别为0.97（应力模型）和0.88（应变模型）。椭圆形截面钢管混凝土柱可应用于新型建筑结构；但当长短轴比超过3时，强烈建议采用CFRP套筒进行包裹加固。

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