FRP管—鋼管雙壁約束混凝土組合柱軸壓性能有限元分析

高輝 郭星 谷峪 袁杰

摘要： 文章以已有文獻(xiàn)中FRP管-鋼管雙壁約束混凝土組合柱的軸壓試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用有限元分析軟件ANSYS建立了組合柱的軸心受壓數(shù)值模型，對(duì)比分析顯示，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好，為今后該組合柱的研究提供了參考。

Abstract： Based on the axial compression test of FRP pipe-steel double-walled confined concrete composite columns in the existing literature， a numerical model of the axial compression of the combined columns is established using the finite element analysis software ANSYS. The comparison analysis shows that the finite element calculation results are in good agreement with the experimental results， which provides a reference for the future study of the composite column.

關(guān)鍵詞： 組合柱；軸壓性能；有限元

Key words： composite column；axial compression performance；finite element

中圖分類號(hào)：TU398+.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）20-0165-02

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱FRP）是一種具有抗拉強(qiáng)度高、耐久性好、自重輕等優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料，將其與混凝土和鋼材兩種傳統(tǒng)的建筑材料結(jié)合在一起形成的組合構(gòu)件具有很好的受力性能，其中FRP管-鋼管雙壁約束混凝土組合柱是一種由外部FRP管，內(nèi)部鋼管以及中間填充的混凝土組成的新型組合柱，該組合柱表現(xiàn)出較好的抗震性、延性以及耐久性。混凝土在FRP管和鋼管的雙重約束下處于三軸受力狀態(tài)，極限強(qiáng)度和延性均得到大幅提高，F(xiàn)RP管除了提供環(huán)向約束力，還可以和鋼管一起作為施工模板。

目前，關(guān)于FRP管-鋼管雙壁約束混凝土組合柱的受力性能已經(jīng)存在大量的研究[1-5]，為了進(jìn)一步對(duì)該組合柱的軸壓性能進(jìn)行了解，本文基于浙江大學(xué)許平[6]進(jìn)行的短柱軸壓試驗(yàn)，借助有限元軟件對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，通過合理選擇單元類型以及材料屬性，有限元軟件ANSYS可以很好地模擬FRP管-鋼管雙壁約束混凝土組合柱的軸壓性能。

1 試驗(yàn)概況

短柱軸壓試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)試件，外部FRP管采用預(yù)制的GFRP管，鋼管選用Q345B無縫鋼管，混凝土選用自密實(shí)混凝土，柱高為600mm?？招穆手傅氖卿摴芡庵睆脚cFRP管內(nèi)直徑的比值。具體試件參數(shù)見表1。

試件中FRP管的物理參數(shù)如下：軸向彈性模量為12.641GPa，軸向強(qiáng)度為223MPa，泊松比為0.106；環(huán)向彈性模量為48.04GPa，環(huán)向強(qiáng)度為715.8MPa，泊松比為0.33。4個(gè)試件中FRP管內(nèi)直徑均為300mm，荷載偏心距均為0，即軸心受壓。

2 有限元模型

2.1 混凝土 ANSYS軟件設(shè)置了專門用于混凝土材料的8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元-SOLID65，將混凝土材料視為各向同性材料，混凝土的本構(gòu)關(guān)系選用滕錦光教授提出的約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型[7]，選擇多線性等向強(qiáng)化模型（MISO）輸入由該本構(gòu)關(guān)系導(dǎo)出的混凝土的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2.2 鋼管 鋼管的單元類型選用8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元-SOLID45，該單元可以考慮大變形、大應(yīng)變、塑性和屈服等問題。將鋼管視為各向同性材料，其本構(gòu)關(guān)系選用理想的彈塑性模型，與之對(duì)應(yīng)選用ANSYS中的雙線性等向強(qiáng)化模型（BISO）。

2.3 FRP管 該組合柱中FRP管的主要作用是為混凝土和鋼管提供環(huán)向約束力，因此，文章忽略外部FRP管的軸向作用，通過設(shè)置SHELL41單元的關(guān)鍵字來實(shí)現(xiàn)材料僅在環(huán)向受拉的目的。計(jì)算過程以外部FRP管的環(huán)向應(yīng)力達(dá)到環(huán)向極限抗拉強(qiáng)度為終止標(biāo)志。

2.4 網(wǎng)格劃分及求解設(shè)置 試驗(yàn)過程中各材料之間并未出現(xiàn)明顯的軸向相對(duì)變形[7]，因此假定三種材料在軸向變形協(xié)調(diào)，同時(shí)將混凝土最外層表面賦予FRP管材料屬性。自動(dòng)時(shí)間布長(zhǎng)設(shè)置為ON的狀態(tài)，收斂準(zhǔn)則選擇位移控制，收斂精度取為4%。

3 結(jié)果分析

試驗(yàn)中該4個(gè)受壓組合短柱的最終破壞狀態(tài)大致均為：試件達(dá)到極限承載力時(shí)，F(xiàn)RP管中部位置發(fā)生環(huán)向脆性斷裂，并伴隨較大的斷裂聲響。以Ⅰ-0-10-0.73-600試件為例，試驗(yàn)加載初期，試件存在輕微的軸向縮短和環(huán)向膨脹現(xiàn)象，軸力達(dá)到90%極限承載力左右時(shí)，F(xiàn)RP管發(fā)生清脆的斷裂聲，隨著荷載增加，F(xiàn)RP管產(chǎn)生環(huán)向條紋并逐漸增多，直至達(dá)到試件極限承載力時(shí)，F(xiàn)RP管發(fā)生環(huán)向斷裂，最終的破壞形態(tài)參見文獻(xiàn)[6]。有限元模擬中以外部FRP管環(huán)向應(yīng)變達(dá)到極限環(huán)向應(yīng)變?yōu)槠茐臉?biāo)志。

表2顯示的是試件的極限承載力與極限位移的試驗(yàn)結(jié)果和ANSYS計(jì)算結(jié)果，可以看出FRP管-鋼管雙壁約束混凝土組合柱具有較高的承載力和較好的延性。其中Ⅰ-0-10-0.73-600、Ⅱ-0-6-0.73-600、Ⅲ-0-3-0.73-600試件的極限承載力與軸向極限位移的計(jì)算值均取得了較大值，是因?yàn)榉抡婺M過程中認(rèn)為三種材料接觸面為共用作用面，即忽略了三種材料之間的軸向相對(duì)位移，同時(shí)材料性能采取了較理想化的本構(gòu)模型。而Ⅳ-0-6-0.6-600試件軸向極限位移的試驗(yàn)值取得了較大值，這里考慮試驗(yàn)過程中的區(qū)別于數(shù)值模擬過程嚴(yán)格的失效判斷標(biāo)志的人為判斷誤差。

圖1給出了4個(gè)試件的荷載-位移對(duì)比曲線，從中大致可以看出，4個(gè)試件的計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線比較吻合。其中Ⅱ-0-6-0.73-600試件的模擬效果最好，Ⅰ-0-10-0.73-600、Ⅳ-0-6-0.6-600試件的荷載-軸向應(yīng)變曲線中第一曲線階段比較吻合，第二曲線階段的斜率偏小，原因可能是試驗(yàn)過程中組合柱各組成材料之間出現(xiàn)不同程度的粘結(jié)滑移，導(dǎo)致受荷組合截面面積減小，剛度降低，而數(shù)值模擬過程忽略了這一情況。Ⅰ-0-10-0.73-600、Ⅲ-0-3-0.73-600、Ⅳ-0-6-0.6-600試件荷載-軸向應(yīng)變曲線的承載力拐點(diǎn)值的試驗(yàn)值偏大，這可能跟本文選取的各材料的物理屬性有關(guān)，尤其是混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型的選取。

4 結(jié)語

本文在浙江大學(xué)許平[6]進(jìn)行的FRP管-鋼管雙壁約束混凝土組合短柱軸壓試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取4個(gè)參數(shù)齊全的試件，利用非線性有限元軟件ANSYS對(duì)該試驗(yàn)過程進(jìn)行了有限元模擬，并對(duì)試件的荷載-軸向應(yīng)變曲線的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果以及試件軸向承載力與軸向極限位移的計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，采用本文中的材料屬性與非線性求解設(shè)置等，ANSYS軟件可以對(duì)FRP管-鋼管雙壁約束混凝土組合短柱的軸壓性能進(jìn)行很好的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了本文數(shù)值方法的有效性，為以后該類試件的研究提供了參考。

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