圓CFRP鋼管混凝土外加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)有限元分析*

魏　華， 許　博

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

圓CFRP鋼管混凝土外加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)有限元分析*

魏華， 許博

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

為了深入研究圓CFRP鋼管混凝土外加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，使用有限元軟件ABAQUS分析了混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、軸壓比、加強(qiáng)環(huán)板的厚度和加固形式對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響.對(duì)節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行了低周往復(fù)荷載下數(shù)值模擬.結(jié)果表明，當(dāng)混凝土和鋼材強(qiáng)度不變時(shí)，隨著軸壓比的增加，外加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)的承載力保持不變；加強(qiáng)環(huán)板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力影響較大，隨著加強(qiáng)環(huán)板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)的承載力明顯增加，當(dāng)厚度增加到一個(gè)限值時(shí)，承載力基本保持不變；加強(qiáng)板和加強(qiáng)筋加固形式可以顯著提高節(jié)點(diǎn)的剛度，使鋼梁先于柱屈服，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震目標(biāo).

鋼管混凝土； 外加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)； 有限元； 鋼材強(qiáng)度； 混凝土強(qiáng)度； 軸壓比； 承載力； 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件

近年來，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，特別是高層建筑結(jié)構(gòu)，而鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)性能是影響鋼管混凝土結(jié)構(gòu)整體性能的關(guān)鍵，其中鋼管混凝土外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)應(yīng)用比較廣泛，具有剛度大、塑性性能好、傳力明確和承載力高等優(yōu)點(diǎn)[1].圓CFRP鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在圓鋼管混凝土柱外圍纏繞碳纖維布而組成的結(jié)構(gòu)形式，與圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)相比，可以充分發(fā)揮混凝土的三向受壓性能，提高混凝土的抗壓承載力，同時(shí)可以避免鋼管發(fā)生屈曲破壞，具有承載力高和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[2].

1.1混凝土

當(dāng)εcl≤ε0時(shí)，

(1)

當(dāng)ε0<εcl<εcu且ξs≥1.12時(shí)，

(2)

當(dāng)ε0<εcl<εcu且ξs<1.12時(shí)，

(3)

當(dāng)εcl≥εcu時(shí)，

(4)

式中：σcl為混凝土縱向應(yīng)力；σ0為混凝土極限壓應(yīng)力；εcl為混凝土縱向壓應(yīng)變；ε0為混凝土極限壓應(yīng)變；εcu為CFRP斷裂時(shí)的εcl值；ξs為鋼管的約束效應(yīng)系數(shù)；ξ為鋼管和CFRP管總的約束效應(yīng)系數(shù)；β為CFRP斷裂前與ξ相關(guān)的系數(shù)；βs為與ξs相關(guān)的變量；q、G、D為系數(shù)，其表達(dá)式為

(5)

G=ξ′(2.231-4.611ξ′)

(6)

D=ξ′(1.545-1.238ξ′)

(7)

其中，ξ′為約束效應(yīng)系數(shù)比.

在有限元軟件ABAQUS中，混凝土采用塑性損傷模型，在低周往復(fù)荷載作用下，混凝土的彈性剛度將會(huì)損傷，因此，考慮核心混凝土在受壓時(shí)的壓損傷因子dc，以及受拉時(shí)的拉損傷因子dt，其計(jì)算公式為

(8)

(9)

1.2鋼材

(10)

式中：Es為鋼材彈性模量；fy為鋼材抗拉強(qiáng)度值；ε為鋼材應(yīng)變；εe=0.8fy/Es；εe1=1.5εe；εe2=10εe1；εe3=100εe1；A、B、C為系數(shù)，其表達(dá)式為

(11)

B=2Aεe1

(12)

(13)

1.3碳纖維布

σcf=Ecfεcf

(14)

式中：σcf為碳纖維布的應(yīng)力；Ecf為碳纖維布的彈性模量；εcf為碳纖維布的應(yīng)變.

2　有限元計(jì)算模型

對(duì)于有限元模型各構(gòu)件的接觸問題，鋼管與混凝土界面采用法向硬接觸，切向采用庫倫摩擦.本文假設(shè)鋼管與CFRP之間沒有相對(duì)滑動(dòng)，即鋼管與CFRP采用綁定接觸.對(duì)于有限元模型的邊界條件，柱底采用全約束，柱頂鉸接，梁端釋放上下和繞平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，其余自由度約束.柱頂采用截面耦合下的集中力加載，梁端采用位移加載.

圖1　加強(qiáng)筋加固節(jié)點(diǎn)有限元模型

3　參數(shù)分析

3.1模型驗(yàn)證

對(duì)本文建立的有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證，建立與文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)相同的模型，將梁端在低周往復(fù)荷載作用下所得的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.

圖2　數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果滯回曲線對(duì)比

3.2混凝土強(qiáng)度的影響

圖3　不同混凝土強(qiáng)度的梁端荷載位移曲線

3.3鋼材強(qiáng)度的影響

圖4　不同鋼材強(qiáng)度的梁端荷載位移曲線

3.4軸壓比的影響

圖5　不同軸壓比的節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角曲線

3.5加固形式的影響

圖6　不同加固形式的梁端荷載位移曲線

圖7　不同加固形式的節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角曲線

3.6加強(qiáng)環(huán)板厚度的影響

圖8　不同加強(qiáng)環(huán)板厚度的梁端荷載位移曲線

Fig.8Load-displacementcurvesforbeamendofreinforcedringplatewithdifferentthicknesses

圖9　不同加強(qiáng)環(huán)板厚度的節(jié)點(diǎn)彎矩轉(zhuǎn)角曲線

Fig.9Bendingmoment-rotationanglecurvesforjointofreinforcedringplatewithdifferentthicknesses

4　結(jié)　論

1) 混凝土強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力大小的影響不是很明顯，而鋼材強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)模型在低周往復(fù)荷載作用下承載能力大小的影響較為顯著.隨著鋼材強(qiáng)度的提高，承載能力逐漸增大，因此，鋼材強(qiáng)度等級(jí)是控制承載能力的主要因素之一，選擇適當(dāng)?shù)幕炷翉?qiáng)度，在滿足承載力的情況下可降低經(jīng)濟(jì)成本.

3) 加強(qiáng)筋對(duì)節(jié)點(diǎn)的加固與加強(qiáng)板對(duì)節(jié)點(diǎn)的加固對(duì)提高節(jié)點(diǎn)的彎矩承載能力大小的影響不是很明顯，只是提高了節(jié)點(diǎn)的剛度，使節(jié)點(diǎn)承受更大的彎矩，防止節(jié)點(diǎn)先于構(gòu)件破壞.

[1]王清杰，張延年，徐春一，等.鋼管混凝土柱與H型鋼裝配式節(jié)點(diǎn)抗震試驗(yàn) [J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(3)：355-360.

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(責(zé)任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

FiniteelementanalysisofjointwithoutsidereinforcedringofconcretefilledcircularCFRPsteeltube

WEIHua,XUBo

(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110870,China)

InordertofurtherstudythemechanicalpropertiesofjointwithoutsidereinforcedringofconcretefilledcircularCFRPsteeltube,theeffectofconcretestrength,steelstrength,axialcompressionratio,thicknessofreinforcedringplateandreinforcementformsonthemechanicalpropertiesofjointwasanalyzedwiththefiniteelementsoftwareABAQUS.Thenumericalsimulationforthejointmodelwasperformedundertheactionoflow-cyclerepeatedloads.Theresultsshowthatwhentheconcretestrengthandsteelstrengthareconstant,thebearingcapacityofjointwithoutsidereinforcedringkeepsunchangedwithincreasingtheaxialcompressionratio.Theeffectofthicknessofreinforcedringplateonthebearingcapacityofjointislarge.Withincreasingthethicknessofreinforcedringplate,thebearingcapacityofjointobviouslyincreases.However,whenthethicknessofreinforcedringplateincreasestoacertainlimitvalue,thebearingcapacitykeepsbasicallyunchanged.Thereinforcementformswithreinforcedplateandribcanobviouslyimprovethestiffnessofjoint,andmakethefailureofsteelbeamaheadofthatofjoint,whichcanrealizetheseismictargetofstrongjointandweekmember.

concretefilledsteeltube;jointwithoutsideenforcedring;finiteelement;steelstrength;concretestrength;axialcompressionratio;bearingcapacity;strongjointandweekmember

2015-09-21.

沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目(F13-316-1-43).

魏華(1973-)，女，山西交城人，副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)工程等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.03.21

TU398.9

A

1000-1646(2016)03-0355-06

*本文已于2016-03-02 16∶42在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1642.010.html