雷婷 LEI Ting;楊云 YANG Yun
(寧夏大學(xué)新華學(xué)院,銀川 750021)
隨著社會發(fā)展近些年大型、高層建筑物的不斷涌現(xiàn),不斷提出對建筑物承重柱的更高性能要求。GFRP管-鋼管混凝土組合柱作為近年來衍生的新型組合構(gòu)件之一,極大地提升了核心混凝土約束作用力,與鋼筋混凝土柱的承載力。通過研究表示,多數(shù)研究依然以組合柱構(gòu)件力學(xué)性能為主,在線性分析方面研究成果相對匱乏。本研究將結(jié)合現(xiàn)有研究試驗論證結(jié)果,建立組合柱纖維模型,對GFRP管-鋼筋混凝土組合柱的軸壓力學(xué)性能進行分析。
采用C40自密實混凝土,以《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》為測試依據(jù),取3個混凝土試件計算平均值結(jié)果作為強度標(biāo)準(zhǔn)值。制作一組φ150mm×300mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試塊,同樣養(yǎng)護后取3個試件計算平均值結(jié)果作為軸心抗壓強度。
選取同批鋼管切取加工3個鋼材試樣,屈服強度為310MPa,極限抗拉強度為480MPa,彈性模量為206GPa,泊松比為0.263,屈服比為1.55。
本試驗所用GFRP管的纖維環(huán)向彈性模量為50GPa,抗拉強度為2503MPa,極限抗拉應(yīng)變?yōu)?.0312。
本次試驗加載設(shè)計為兩階段,第一階段為力控制加載階段,設(shè)定2kN/s加載速度,在達到10000kN荷載作用力下,自動轉(zhuǎn)化位移控制,加載速度0.5mm/min,記錄各荷載階段變形值,直至下降至峰值荷載60%停機。需要注意預(yù)加載力控制,在加載停機時檢查TDS-530數(shù)據(jù)采集儀的運行是否正常,位移計與應(yīng)變片讀數(shù)是否正常,在一切正常前提下進行加載試驗。
試驗加載中鋼管混凝土柱基本存在均勻變形,具體現(xiàn)象是柱的中心沿截面的圓周凸出。這證明柱子的中央有嚴重的壓曲,柱子的邊緣也稍微凸起,但中央的凸起并不明顯。在復(fù)合柱試件裝載過程中,內(nèi)側(cè)GFRP管損壞前,只有鋼管稍微膨脹變形,之后GFRP管突然損壞,發(fā)出巨大聲響,鋼管逐漸明顯膨脹。以及縱向位移的不斷增加,鼓起部位隨之增加,鼓起變形隨之加大。
在本次試驗中,選取了9根組合柱試件與1根素鋼管混凝土柱展開試驗。試驗荷載-縱向位移具體表現(xiàn)劃分為三階段:彈性階段因為鋼管泊松比大于混凝土,而鋼管及核心混凝土通常單獨受力,之后鋼管進入彈塑性階段;進入彈塑性階段之后,所受縱向荷載影響,核心混凝土的外表面微裂紋逐漸擴展,形成橫向變形,此時的泊松比遠超鋼材,兩者之間形成相互作用力?;炷了茕摴墉h(huán)向約束作用力,且隨著此約束力的不斷增加,開始進入鋼管屈服階段;在強化階段,荷載作用力在鋼管變形增長隨之成緩慢上升,承載力與延性有明顯提升,雖然中間有一段下降期,可是整體下降幅度并不明顯,所以可以忽略此階段影響;在破壞階段,試件所在破壞階段承載力波動并不明顯,基本在256.8kN~541.3kN下降范圍內(nèi),試件在破壞階段,承載力表現(xiàn)出較大的下降波動,基本在628.2kN~1619.6kN之間,這是由于后四個試件的GFRP管直徑厚度較大,這一情況在后面直徑厚度試驗中詳細分析。
2.3.1 GFRP管厚度對承載力的影響
此試驗預(yù)設(shè)為將試驗片分成三組:GFRP管的纖維環(huán)向彈性模量為50GPa,抗拉強度為2503MPa,極限抗拉應(yīng)變?yōu)?.0312的基礎(chǔ)上,以不同GFPR管直徑劃分三組,其中直徑100mm為一組包括試件B1、B2、B3,組成各直徑150mm為二組包括試件B4、B5、B6,組成直徑200mm為三組包括試件B7、B8、B9,將三組試驗片的載荷-位移曲線與常規(guī)鋼管混凝土試片(B0)進行比較(如圖1)。發(fā)現(xiàn)所有GFRP管-鋼管混凝土復(fù)合柱的承載力最高極值普遍較高,可見管壁厚度與同一GFRP管直徑的承載力和延展性具有正相關(guān)性。這也表明在GFRP管道的相同直徑下,GFRP管-鋼管混凝土復(fù)合柱的承載力和延展性,會跟隨管道壁厚的增加而增加。GFRP管-鋼管混凝土復(fù)合柱達到承載力極值后,這一極值后面的支撐力,仍高于普通混凝土試片的支撐力。因此,GFRP管道的管厚度,與組合柱的承載力價值,以及極值后的支撐力密切相關(guān)。
圖1 GFRP管直徑變化對荷載-位移曲線影響
2.3.2 GFRP管直徑對承載力的影響
此試驗預(yù)設(shè)為將試驗片分成三組:GFRP管的纖維環(huán)向彈性模量為50GPa,抗拉強度為2503MPa,極限抗拉應(yīng)變?yōu)?.0312的基礎(chǔ)上,以不同GFPR厚度劃分三組,其中厚度2mm為一組包括試件B1、B4、B7,厚度3mm為二組包括試件B2、B5、B8,厚度4mm為三組包括試件B3、B6、B9,將三組試驗片的載荷-位移曲線與常規(guī)鋼管混凝土試片(B0號)進行比較。發(fā)現(xiàn)所有GFRP管-鋼管混凝土復(fù)合柱的承載力最高極值普遍較高,可見管直徑與同一GFRP管直徑的承載力和延展性具有正相關(guān)性(如圖2)。這也表明在GFRP管道的相同厚度下,GFRP管道-鋼管混凝土復(fù)合柱的承載力和延展性,會跟隨管道直徑的增加而增加。GFRP管-鋼管混凝土復(fù)合柱達到承載力極值后,這一極值后面的支撐力,仍高于普通混凝土試片的支撐力。因此,GFRP管道的直徑,與組合柱的承載力價值,以及極值后的支撐力密切相關(guān)。
圖2 GFRP管直徑變化對荷載-位移曲線影響
GFRP管-鋼管混凝土組合柱假設(shè)應(yīng)力-應(yīng)變二者關(guān)系為理想彈塑性(圖3),那么在荷載作用力極值下,GFRP鋼管的縱向、環(huán)向應(yīng)力分別如下:
圖3 鋼管應(yīng)力-應(yīng)變模型
式中:屈服條件下鋼管環(huán)向、縱向應(yīng)力分別用σsθ、σsz表示;參考以往文獻σu與βuc分別取值-0.19,0.89。鋼材處于極限狀態(tài)下的兩種應(yīng)力,均服從VonMises屈服準(zhǔn)則,公式如下:
式中:鋼管屈服應(yīng)力用σsy表示。
根據(jù)上述試驗結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn),GFRP管-鋼管混凝土組合柱的試件,在達到承載力極值之后,就會出現(xiàn)一小段下降幅度,之后持續(xù)平緩的回升。本文選取組合柱在破壞階段的荷載-應(yīng)變關(guān)系進行模擬回歸分析,建立GFRP管-鋼管混凝土組合柱在破壞階段峰值后承載力公式:
假設(shè)GFRP管-鋼管混凝土組合柱的承載力達到極值之后,經(jīng)過幾個階段下降后的承載力Np,假設(shè)在破壞階段的組合柱位移值△εm為1%,此階段的荷載-應(yīng)變模型如下:
根據(jù)上述構(gòu)建GFRP管-鋼管混凝土組合柱的荷載-應(yīng)變纖維模型,進一步確定GFRP管直徑、厚度等參數(shù),對組合柱軸壓力學(xué)性能的影響,根據(jù)公式(4)展開變參數(shù)研究(表1)。
表1 GFRP管-鋼管混凝土組合柱變參數(shù)研究
根據(jù)表1,M1、M3、M6作為一組;M2、M3、M4、M5作為二組,M6、M7、M8、M9作為三組,分別討論D/d、D/t1、d/t2變化,對GFRP管-鋼管混凝土組合柱的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),GFRP管-鋼管混凝土組合柱的承載力,與D/d存在顯著負相關(guān),隨著D/d的不斷減小,承載力反而增加,但是延性則正相關(guān)于D/d。GFRP管-鋼管混凝土組合柱延性、承載力與D/t1為負相關(guān),但是在D/t1不斷減小時,組合柱延性增加變化并不明顯,而GFRP管-鋼管混凝土組合柱與d/t2之間,具體表現(xiàn)為隨著d/t2不斷減小而增加的顯著關(guān)系。通過上述變參數(shù)結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn),D/d、D/t1、d/t2的減小,GFRP管-鋼管混凝土組合柱的承載力就能得到明顯提高,但在D/d減小情況下,延性會有所降低,D/t1減小時延性增大并不明顯,而d/t2減小則會使得組合柱延性明顯增加,所以增加GFRP管-鋼管混凝土組合柱的承載力與延性,可以通過采用較小的d/t2值得以實現(xiàn)。
通過本文研究,得出以下結(jié)論:①在GFRP管同樣厚度條件下,組合柱的承載力及延性與直徑正相關(guān);GFRP管同樣直徑條件下,組合柱的承載力及延性與厚度正相關(guān);GFRP管直徑對組合柱軸壓力學(xué)性能影響,與內(nèi)管厚度關(guān)系顯著。②提出適用本次試驗分析的組合柱纖維模型,進行GFRP管-鋼筋混凝土組合柱的變參數(shù)研究,發(fā)現(xiàn)隨著管的徑厚比的減小,組合柱的承載力與延性有顯著提升;③想要增加GFRP管-鋼管混凝土組合柱的承載力與延性,可以通過采用較小的d/t2值得以實現(xiàn)。