尺寸效應對GFRP管型鋼混凝土組合柱力學性能的影響

張云峰 楊 碩 陳佳楠

(東北石油大學 土木建筑工程學院， 黑龍江 大慶 163318)

尺寸效應對GFRP管型鋼混凝土組合柱力學性能的影響

張云峰 楊 碩 陳佳楠

(東北石油大學 土木建筑工程學院， 黑龍江 大慶 163318)

為研究尺寸效應對GFRP管型鋼混凝土組合柱力學性能的影響規(guī)律，對4根組合柱試件進行軸壓試驗，并驗證了Ansys軟件所建模型的正確性．建立5種尺寸的組合柱模型進行有限元分析．結(jié)果表明：隨著試件尺寸的增大，試件的極限應力和延性都會隨之降低，且降低幅度呈現(xiàn)非線性變化．該研究為GFRP管型鋼混凝土組合柱組合柱的實際應用提供一定理論依據(jù)．

GFRP管型鋼混凝土組合柱； 極限應力； 延性； 尺寸效應

隨著建筑材料不斷發(fā)展，F(xiàn)RP作為一種新型纖維增強復合塑料，具有高強、輕質(zhì)、抗腐蝕、耐疲勞、施工方便，不增加構(gòu)件尺寸等優(yōu)點[1]．因此在結(jié)構(gòu)加固方面得到了大量的應用．FRP種類繁多，性能各異，現(xiàn)在土木工程中應用較多的有玻璃纖維增強復合材料(GFRP)、碳纖維增強復合材料(CFRP)和芳綸纖維增強復合材料(AFRP)等[2]．

GFRP管型鋼混凝土組合柱是在GFRP管內(nèi)設置型鋼，然后澆筑混凝土而形成的一種新型組合構(gòu)件(以下簡稱GSC)[3-4]．GSC組合柱與傳統(tǒng)的GFRP管混凝土柱和型鋼混凝土柱相比，它同時兼具二者的長處[5]．從制作角度出發(fā)，GSC組合柱的組合形式使其具有施工方便的天然優(yōu)點[6]；從力學特性角度出發(fā)，它可在不降低承載能力的前提下，將柱截面的尺寸縮小，進而擴大建筑物內(nèi)可利用的實際空間，而在不改變柱截面尺寸的前提下，又可以基于約束混凝土這種方法提高結(jié)構(gòu)的承載能力和延性，同時極大的提高結(jié)構(gòu)的抗震性能[7-8]，此外，依靠GFRP管的材料特性，組合結(jié)構(gòu)的耐久性能也得到了很大程度的提升[9]．

尺寸效應是準脆性材料的普遍性質(zhì)[10]，具體是指材料的力學性能隨著結(jié)構(gòu)幾何尺寸的變化而變化．尺寸效應對于實際工程有不可忽略的影響[11]，而GSC組合柱作為一種新興的結(jié)構(gòu)形式在這方面的研究還較少．出于安全考慮，本文從試驗結(jié)果和有限元模擬分析尺寸效應對GSC組合柱的力學性能影響．

1 試驗研究

1.1 構(gòu)件設計

本文共設計了4根GSC組合柱試件，保持同一長徑比，改變試件尺寸，具體構(gòu)件參數(shù)見表1．

表1 試件參數(shù)

1.2 材料參數(shù)

本試驗所采用的GFRP管均由大慶市某玻璃材料制品廠提供．考慮GFRP管管壁厚度影響組合構(gòu)件的力學性能，選取了纖維纏繞角度均為55°，直徑為200 mm的GFRP管．GFRP管彈性模量為2.2×104MPa，GFRP管環(huán)向抗拉強度為430 MPa．由于本次試驗的組合構(gòu)件的截面尺寸不是很大，且要盡量保持配鋼率一致，因此除最大試件750 mm采用H型鋼外，其余皆采用角鋼、槽鋼(槽鋼采用熱軋普通槽鋼)切割、拼接、焊接成工字鋼代替型鋼．型鋼彈性模量為200 GPa，型鋼屈服強度為235 MPa．

1.3 構(gòu)件制作

將已制作好的型鋼放入GFRP管內(nèi)，并采取相應的有效措施，使型鋼和GFRP管同心，然后分別從兩側(cè)澆筑混凝土，澆筑過程中，伴隨使用振搗棒進行振搗，以達到充分密實的目的，為了測定混凝土的抗壓強度，澆筑的同時，預留一部分混凝土做成標準混凝土立方體抗壓試塊，養(yǎng)護28 d，形成試件．

試驗前，將構(gòu)件的頂端表面用混凝土角磨機將不平處混凝土打磨平整，并用水泥砂漿找平，以保證組合構(gòu)件受到均勻的軸向壓力．

1.4 試驗測點布置

本次試驗中的測點主要為應變測點和位移測點．試件的測點布置在環(huán)向每隔90°，軸向的四等分點上各粘一片軸向和環(huán)向應變片，每根組合柱一共布置12個應變測點．

1.5 試驗加載方案

本次試驗采用YAW-5000微機控制電液伺服壓力試驗[12]，加載方式為力控制加載，具體方案為：采用分級加載方式，在預估極限承載力的70%之前，每一級荷載按照其預估極限承載力的1/12，之后依次累加，當達到極限承載力的70%之后，按照預估荷載的1/25進行加載，每一級荷載都持荷90 s左右，并記錄試驗數(shù)據(jù)，當組合柱破壞時，停止數(shù)據(jù)記錄，立即停止試驗[13]．

1.6 試驗現(xiàn)象

試驗預加載過程中，試件無明顯現(xiàn)象產(chǎn)生，正式加載之后，初期無明顯的試驗現(xiàn)象，當荷載加載到預估計承載力的30%時，試件首次產(chǎn)生啪的清脆響聲．隨著荷載的逐漸增到，能聽到構(gòu)件產(chǎn)生了一些稍大的噼啪響聲，并可以發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的上表面混凝土發(fā)生掉渣現(xiàn)象．當荷載加載到預估計承載力的60%左右的時候，能看到試件上表面有明顯的混凝土脫落，并伴有噼啪的響聲．當荷載加載到預估計承載力的70%左右時，試件兩端混凝土有被壓碎的現(xiàn)象，GFRP管出現(xiàn)白紋．繼續(xù)加荷載到80%左右的時候，GFRP管外部的玻璃纖維向四周嘣散，發(fā)出連續(xù)不斷的噼啪響聲．當接近極限承載力時，GFRP管中下部急速變白，隨著一聲巨響，GFRP管發(fā)生爆裂，試件達到極限荷載．圖1為試驗開始和結(jié)束時試件的原始狀態(tài)及破壞形態(tài)圖，具體試驗現(xiàn)象見圖1．

圖1 試件的破壞形態(tài)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 荷載-應變曲線分析

因為試件的中部破壞比較明顯，所以這里取GFRP管中部荷載-應變曲線進行分析．試件的軸向、環(huán)向荷載-應變關(guān)系曲線如圖2所示．通過觀察該組試件軸向和環(huán)向荷載-應變曲線[12]，可以看出，荷載-應變曲線可以大致分為3個部分，前部分荷載增加，應變增長比較緩慢，隨后進入彈塑性曲線階段，最后部分隨著荷載增加，應變迅速增大．初始階段軸向應變增長速度快于環(huán)向應變，是由于此時GFRP管的作用還不夠強，主要由混凝土和型鋼共同承受豎向荷載，較為符合客觀情況．最終破壞時環(huán)向應變大于軸向應變，也與實際破壞情況相符．

圖2 GFRP管中部軸向、環(huán)向荷載-應變曲線圖

2.2 荷載-位移曲線分析

試件的荷載-位移曲線取A1，A2為例如圖3所示．從A組的荷載-位移曲線可以看出，初始階段為一條斜率較大的直線，試件處于彈性工作狀態(tài)，較為理想．隨著荷載增加，曲線斜率變小，可以看成是有一定弧度的曲線，此階段各部分仍舊處于協(xié)同工作的狀態(tài)，但受力情況較為復雜．當荷載增加到一定程度后，荷載-位移曲線呈現(xiàn)出一條斜率更小的直線，此時，塑性變形不斷發(fā)展，GFRP管的約束起主導作用．

圖3 A1，A2試件荷載-位移曲線對比圖

2.3 尺寸的對試件的影響分析

根據(jù)不同的試件尺寸，分別對比A組4個試件的荷載-位移曲線．對比圖如圖4所示．

圖4 A組試件荷載-位移曲線對比

通過觀察得試件尺寸增大，試件極限承載力提高，軸向和環(huán)向的位移也增大．通過對比極限承載力可以看出，試件尺寸增大，極限承載力增長幅度反而下降．綜上，可以得到的如下結(jié)論：試件尺寸的大小對于該結(jié)構(gòu)形式的構(gòu)件存在著影響，隨著試件尺寸增大，極限承載力增長幅度不再是線性變化，同時試件尺寸的增大也會導致試件延性的降低，根據(jù)試驗分析主要是由于隨著試件尺寸的增加，GFRP管的約束作用相對減弱造成的．

3 有限元分析

3.1 建立有限元模型

在運用Ansys軟件進行有限元分析時[14-15]，GFRP管選取Solid45實體單元，混凝土材料選取的是Solid65實體單元，型鋼材料選取的是Solid45實體單元．GSC組合柱模型建立如圖5所示．

圖5 組合柱模型圖

3.2 組合結(jié)構(gòu)有限元模型的驗證

選取A3試件的試驗結(jié)果與模擬進行對比，從圖6可以看出實驗曲線和模擬曲線逐漸接近，基本吻合．因此，可以認為該模型較為合理，可以在此模型的基礎上進一步開展深入研究．

圖6 A3荷載-位移曲線對比圖

3.3 模擬試件參數(shù)

本文模擬組合柱的混凝土強度等級均為C30，GFRP管管壁厚度為4 mm,在此基礎上，模擬B組5個試件尺寸不同的構(gòu)件，進一步研究尺寸效應對GSC構(gòu)件的力學性能的影響．模擬構(gòu)件參數(shù)見表2．

表2 模擬試件參數(shù)

3.4 有限元分析

3.4.1 應力云圖分析

下面以B3，B4，B5為例，分別提取試件的軸向、環(huán)向應變圖，型鋼軸向應變圖并進行對比，分析受力、破壞趨勢．

從試件的整體軸向應變圖7中可以看出，試件在受力機理是相近的．試件兩端的應變值較小，從兩端向中部過渡時應變值逐漸增大，并在中部應變值達到最大，試件的軸向應變值變化規(guī)律十分相似．

由圖8可以發(fā)現(xiàn)環(huán)向應變規(guī)律也較為相似，試件的端部的環(huán)向應變值最小，在向中部過度的過程中，環(huán)向應變逐漸增加且在距柱端大約1/4柱高的區(qū)間內(nèi)，近似的形成“倒三角”的形式，而中部的環(huán)向應變值最大，與實際破壞形式對應良好．

圖7 整體軸向應變對比圖

圖8 整體環(huán)向應變對比圖

3.4.2 荷載-應變曲線分析

由圖9可知，軸向的荷載-應變曲線和環(huán)向的荷載-應變曲線均可近似看成3個階段，即直線段、曲線段，平緩段．通過對比曲線發(fā)現(xiàn)，B1的應變曲線整體變化非常小，而B2、B3、B4、B5的應變曲線變化越來越明顯，即試件尺寸增加，結(jié)構(gòu)的荷載-應變曲線變化愈發(fā)明顯；相同荷載作用下，小尺寸試件應變更大．

圖9 荷載-應變曲線

3.4.3 承載力分析

從表3可以看出，B1、B2、B3、B4、B5的極限荷載分別為780、1 460、2 290、3 260、4 390 kN，經(jīng)計算，極限應力值分別為117.39、92.24、79.13、70.91、65.59 MPa，減小幅度分別為21.4%、16.6%、10.4%、7.5%．

表3 不同尺寸構(gòu)件的承載力對比及影響因子

注：影響因子c=N實際/N計算.

隨著試件尺寸增大，極限應力逐漸減小，而且降低的幅度越來越小，說明小尺寸的情況下，尺寸效應更加的明顯．由于試件極限應力和延性隨尺寸增大而減小，因此試件尺寸不宜過大，但較小尺寸的試件與理論值相差較多，根據(jù)直徑對極限應力影響的關(guān)系圖及直徑與影響因子的關(guān)系圖，由圖10可知，當截面直徑大于等于250 mm時，影響因子幾乎相等，也就說明即使試件直徑繼續(xù)增大，承載力實際值與計算值較為接近．

圖10 極限應力和影響因子曲線

4 結(jié) 論

本文基于試驗和ANSYS有限元軟件對軸壓下GSC組合柱受力性能進行分析，研究尺寸效應對該柱體組合形式的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)在整個軸心受壓過程中，試件的荷載-位移曲線和荷載-應變曲線可以近似的劃分為三個階段，即直線段、平滑曲線段和斜率較小直線段；其中GFRP管的約束作用逐漸增強．組合柱主要由于管中部徑向應變過大，發(fā)生破裂、剝離等現(xiàn)象，導致約束失效進而使試件破壞．

2)尺寸效應對于該組合形式的構(gòu)件的影響是真實存在的，隨著試件尺寸增大，極限應力逐漸降低，同時試件尺寸的增大也會導致試件延性的降低，主要是由于隨著試件尺寸的增加，GFRP管的約束作用相對減弱造成的．

3)當截面直徑大于等于250mm時，影響因子幾乎相等，即承載力實際值與計算值都相差不大，故建議該種組合柱體直徑宜選取250mm-300mm．

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[責任編輯 周文凱]

Size Effect on Mechanical Property of GFRP Tube Steel Concrete Composite Column

Zhang Yunfeng Yang Shuo Chen Jianan

(College of Civil Engineering & Architecture, Northeast Petroleum Univ., Daqing 163318, China)

In order to study the size effect on mechanical properties of glass fiber reinforced plastic(GFRP) tube steel concrete column, the axial compression experiments on 4 GSC composite columns are carried out; and then the correctness of the model by Ansys software is verified. The finite element analyses of the composite column model with five sizes are carried out. The results show that an increase in the size of components is followed by a gradual decrease in the ultimate stress and ductility; and the decrease amplitude shows a nonlinear change. The study results provide a certain theoretical basis for the practical application of GFRP tube steel concrete column.

GFRP tube steel concrete composite column； ultimate stress； ductility； size effect

2016-11-28

國家自然基金科學項目(51308028)；黑龍江省教育廳科學技術(shù)項目(12543023)

張云峰(1966-)，男，教授，博士，黑龍江領(lǐng)軍人才梯隊后備帶頭人，研究方向為混凝土及砌體結(jié)構(gòu)．E-mail：523762734@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.009

TU398.9

A

1672-948X(2017)03-0040-05