GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱受力性能數(shù)值分析

楊龍剛，劉忠，陽舒文，陳葉

（湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南湘潭411105）

GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱受力性能數(shù)值分析

楊龍剛，劉忠，陽舒文，陳葉

（湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南湘潭411105）

利用有限元分析軟件ANSYS，采用數(shù)值模擬的方法對GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱的受力性能進(jìn)行了分析，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，證明所建立的三維有限元模型是有效的。利用該模型，對GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱進(jìn)行了受力機(jī)理分析以及套管厚度、混凝土強(qiáng)度、長細(xì)比等因素對構(gòu)件受力性能的影響。分析結(jié)果表明，合理地選擇數(shù)值模擬分析模型，并選擇合適的參數(shù)，可以較好地預(yù)測軸壓下GFRP套管鋼筋混凝土柱的力學(xué)性能。

玻璃纖維；軸壓；非線性分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.007

1　引言

日本學(xué)者Tomii等人首次提出在鋼筋混凝土柱中采取鋼管作為主要的橫向增強(qiáng)這一概念[1，2]。在1985年，我國學(xué)者肖巖等人首次提出“套管柱”這一概念，套管柱是指套管柱中套管與混凝土柱中的箍筋的作用類似。在這一方面,套管柱顯然與傳統(tǒng)鋼管混凝土柱(CFT)[3]不同。套管柱中套管主要對核心混凝土起橫向約束作用，縱向不直接承受荷載,而在傳統(tǒng)的鋼管混凝土柱中,鋼管在縱向這個方向直接承受荷載。由于GFRP（玻璃纖維增強(qiáng)材料）具有很高的耐腐蝕性，該構(gòu)件主要用于是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和防腐要求較高的工程結(jié)構(gòu)，以代替鋼筋及其他形式的增強(qiáng)作用。套管柱能夠提高柱的延性和承載力，增強(qiáng)縱向鋼筋與混凝土之間黏結(jié)，防止套管壓屈等優(yōu)點(diǎn)。

本文運(yùn)用非線性分析程序ANSYS，考慮GFRP套管對核心混凝土被動式約束，對GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬分析

2　試驗(yàn)概述

針對GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱的力學(xué)性能，大連理工大學(xué)王清湘，崔文濤[4]等人進(jìn)行了系列試驗(yàn)，研究了22個軸心受壓短柱構(gòu)件、9個軸心受壓長柱工作機(jī)理及破壞形態(tài)。在大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室5000kN壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了所有試驗(yàn)，所有試件均為軸心受壓，單調(diào)加載。本文選用2個典型軸心受壓試件采用有限元軟件ANSYS，進(jìn)行非線性有限元數(shù)值模擬。加載裝置及測點(diǎn)布置見圖1，主要參數(shù)見表1。

圖1　試驗(yàn)加載和量測裝置示意圖

表1　試件主要參數(shù)

3　有限元分析

3.1單元類型和材料模型的選取

1)混凝土?；炷羻卧捎肁NSYS軟件中提供的8節(jié)點(diǎn)SOLID65單元，建模過程材料本構(gòu)關(guān)系模型按照MISO（多線性等向強(qiáng)化）輸入，核心混凝土采用魯國昌[5]本構(gòu)關(guān)系模型：

在軟件中，Willam-Warnker5參數(shù)破壞準(zhǔn)則能夠較好地反映混凝土單元的破壞，經(jīng)過試算，本文定義TB，CONCR時，混凝土具體參數(shù)如表2所示。

表2　混凝土材料參數(shù)表

2）鋼筋。在ANSYS中，LINK8單元通常用鋼筋的模擬。鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，本構(gòu)關(guān)系模型按照BISO（雙線性等向強(qiáng)化）輸入。鋼筋的屈服強(qiáng)度fy=385MPa，泊松比vs=0.3，彈性模量

3）GFRP套管。胡波等人[6]采用ANSYS提供的空間4節(jié)點(diǎn)SHELL181單元模擬FRP約束混凝土受壓柱，取得了很好的效果。在建模過程中為了只考慮薄膜剛度而不考慮彎曲剛度設(shè)置其KEYOPT(1)為1。

根據(jù)崔文濤等人[7]對GFRP管的試驗(yàn)可知，GFRP管的環(huán)向本構(gòu)關(guān)系呈線性，根據(jù)試驗(yàn)可知環(huán)向彈模為 Efr=2.2104MPa。本構(gòu)關(guān)系的計算公式如下：

式中，著fr為套管環(huán)向應(yīng)變。

3.2三維有限元模型

對比試驗(yàn)過程，在ANSY中采用自上向下[8]建模手段，建立了三維有限元模型，如圖2所示。在建模過程中，不考慮GFRP套管與核心混凝土之間滑移（對GFRP套管混凝土軸心受壓時進(jìn)行模擬時，認(rèn)為GFRP與混凝土之間黏結(jié)完好）。在模型兩端設(shè)置彈性模量很大的剛性墊板（選用SOLID95單元），同時對柱中的核心混凝土和兩端設(shè)置的墊板運(yùn)用耦合命令，耦合軸向自由度，在底端鋼墊板底端節(jié)點(diǎn)處施加X，Y，Z方向約束以模擬試驗(yàn)中的固接。

圖2　有限元分析模型

通過力加載的方式，在柱頂墊板處施加Z方向的單調(diào)荷載，本文采取牛頓-拉夫遜方法平衡迭代法進(jìn)行非線性求解，求解，其位移收斂誤差設(shè)定為3%。

4　有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

前文對GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱的力學(xué)性能，利用ANSYS對其進(jìn)行了數(shù)值模擬，其荷載－軸向應(yīng)變曲線和極限承載力的計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果分別見圖3和表3。

圖3　不同組合柱的N-z關(guān)系曲線

表3　極限承載力對比分析

如圖3所示，有限元計算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的荷載-軸向應(yīng)變對比分析曲線趨勢基本吻合，又如表3所示極限承載力誤差都在允許的誤差范圍內(nèi)，說明本文建立的GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱有限元模型是合理有效的。

5　套管鋼筋混凝土軸壓柱受力分析

合理有效的模型，可合理地再現(xiàn)GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱的力學(xué)性能，進(jìn)而可以利用合理有效的模型對GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱進(jìn)行更深層次的力學(xué)性能分析，以下根據(jù)有限元模型對試件TA-L1和TA-H1的力學(xué)性能做進(jìn)一步分析。

5.1GFRP套管與混凝土相互作用

圖4為TA-L1GFRP管應(yīng)變與GFRP套管混凝土軸向應(yīng)力的相互關(guān)系曲線?？梢?，在核心混凝土應(yīng)力很小時，GFRP管應(yīng)變也很小，進(jìn)而核心混凝土受到的約束力很??；在核心混凝土應(yīng)力達(dá)到fcu之后，GFRP管應(yīng)變有一個明顯的增長過程；最后核心混凝土屈服，GFRP管應(yīng)變急劇增長，則相應(yīng)約束應(yīng)力也增長很快，因此，GFRP管約束力主要在混凝土屈服后發(fā)揮。

圖4　混凝土軸向應(yīng)力與GFRP管應(yīng)變關(guān)系

5.2GFRP管應(yīng)力與應(yīng)變的豎向分布

圖5與圖6為TA-L1破壞時GFRP的應(yīng)力情況和GFRP管軸向應(yīng)變與柱高的關(guān)系曲線。如圖5中所示，由于試件截面為幾何對稱圖形，所以，GFRP管環(huán)向的應(yīng)力均勻發(fā)展，這樣能夠最大限度地利用GFRP管的抗拉強(qiáng)度；但是圖5也指出，實(shí)際上GFRP管的應(yīng)力并沒有達(dá)到給出的抗拉強(qiáng)度值，為抗拉強(qiáng)度的2/3左右，這與文獻(xiàn)[9]中的建議相符。同時圖5也說明GFRP管應(yīng)力沿柱高的方向的發(fā)展情況并不一致。

圖5　破壞時GFRP的應(yīng)力

圖6　GFRP管沿柱高方向應(yīng)變發(fā)展情況

圖6給出了GFRP管軸向應(yīng)變沿柱高方向的發(fā)展情況，靠近柱的中部的纖維利用更充分，而試驗(yàn)中試件的破壞也始于試件的中部。

5.3核心混凝土應(yīng)力的豎向分布

核心混凝土軸向應(yīng)力云圖如圖7所示。從圖中可以看出：核心混凝土兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。核心混凝土被GFRP管包裹后由于圓柱的對稱性，核心混凝土的應(yīng)力能夠充分發(fā)展。

圖7　TA-L1核心混凝土軸向應(yīng)力

6　參數(shù)分析

利用合理有效的分析模型對GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，來研究套管厚度、長細(xì)比、混凝土強(qiáng)度等有關(guān)參數(shù)對受力性能的影響。

6.1套管厚度

如圖8所示，GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱隨著套管厚度的增大承載力也相應(yīng)提高，但是隨著剛度增加變形能力減小。

圖8　套管厚度變化對荷載－軸向應(yīng)變曲線的影響

6.2長細(xì)比

如圖9所示，隨著長細(xì)比增加柱軸向變形能力變小，但是由于建立的有限元模型未考慮初始缺陷，所以長細(xì)比的變化對試件的承載能力影響較小（為柱的計算高度，D2為內(nèi)徑）。

圖9　長細(xì)比變化對荷載－軸向應(yīng)變曲線的影響

6.3混凝土強(qiáng)度

如圖10所示，隨著核心混凝土強(qiáng)度的增加，構(gòu)件的承載力增加，但是變形能力有所減小。

圖10　混凝土強(qiáng)度對荷載－軸向應(yīng)變曲線的影響

7　結(jié)論

1)建立的GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱有限元模型，其計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

2)利用合理的有限元模型對構(gòu)件進(jìn)行受力性能分析可知：（1）GFRP管約束力主要在混凝土屈服后發(fā)揮。（2）GFRP管應(yīng)力沿軸向的發(fā)展情況并不一致。破壞時，GFRP管的應(yīng)力并沒有達(dá)到給出的抗拉強(qiáng)度值，為抗拉強(qiáng)度的2/3左右。GFRP沿軸向的應(yīng)變發(fā)展情況也不一致，靠近柱中部的纖維利用更充分。（3）核心混凝土兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。核心混凝土被包裹后，混凝土的應(yīng)力發(fā)展充分。

3)通過合理的分析模型進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)可知：（1）增加套管厚度能有效地提高試件的承載力但相應(yīng)的變形能力減小。（2）隨著長細(xì)比的增加構(gòu)件軸向變形能力減小。（3）隨著混凝土強(qiáng)度承受載荷的能力增加但是變形能力降低。

【1】TomiiM，Sakino K，Xiao Y，Watanabe K(1985).Earth-quake Resisting Hysteretic Behavior of Reinforced Concrete Short Columns Confined by Steel Tube[A].Proc-eedings ofthe International Speciality Conference on Concrete Filled Steel Tubular Structures[C].Harbin，China，1985.

【2】Xiao Y，Tomii M，Sakino K(1986).Experimental Study on Design Method to Prevent Shear Failure of Reinforced Concrete Short Circular Columns by Co-nfining in Steel Tube[J].Transactions ofJapan Concrete Institute，1986(8):535-542.

【3】鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

【4】王清湘,崔文濤.GFRP套管鋼筋混凝土柱軸壓力學(xué)性能研究二[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

【5】魯國昌.FRP管約束混凝土軸壓性能研究[D].北京：清華大學(xué)，2005.

【6】胡波.FRP約束混凝土柱的軸壓性能分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

【7】崔文濤.GFRP套管鋼筋混凝土柱軸壓力學(xué)性能研究二[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

【8】王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

【9】趙彤，謝劍.碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2001.

Numerical Analysis on Mechanical Behavior of GFRP Tubed Reinforced Concrete Column with Circular Section under Axial Compression

YANG Long-gang，LIU Zhong，YANG Shu-wen，CHEN Ye
(College of Civil Engineering and Mechanics,Xiangtan University，Xingtai 411105,China)

The nonlinear numerical simulation analysis was conducted to investigate the mechanical behaviors of GFRP Tubed Reinforced Concrete Column with circular section under axial compression by ANSYSsoftware and the calculated results were agreed well with the experimental ones.The results show that the 3D finite element analysis model is effective.Using this model,the stress mechanism of the GFRP casing reinforced concrete column is analyzed under Axial Compression and the influence of casing thickness、concrete strength and the ratio of length to diameter on the mechanical properties of the members.The resultsindicate FEM can well simulate the behavior of concrete columns under uniaxial loading when parameters and numerical models are carefully chosen.

GFRP;axial compression;nonlinear analysis

TU375

A

1007-9467（2016）05-0037-04

楊龍剛（1989～），男，湖南益陽人，在讀研究生，攻讀結(jié)構(gòu)工程與研究，（電子信箱）472871353@qq.com。

2015-12-11