GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱受力性能數值分析

楊龍剛，劉忠，陽舒文，陳葉

（湘潭大學土木工程與力學學院，湖南湘潭411105）

GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱受力性能數值分析

楊龍剛，劉忠，陽舒文，陳葉

（湘潭大學土木工程與力學學院，湖南湘潭411105）

利用有限元分析軟件ANSYS，采用數值模擬的方法對GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱的受力性能進行了分析，分析結果與試驗結果吻合較好，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行了受力機理分析以及套管厚度、混凝土強度、長細比等因素對構件受力性能的影響。分析結果表明，合理地選擇數值模擬分析模型，并選擇合適的參數，可以較好地預測軸壓下GFRP套管鋼筋混凝土柱的力學性能。

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這一概念[1，2]。在1985年，我國學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（玻璃纖維增強材料）具有很高的耐腐蝕性，該構件主要用于是預應力結構和防腐要求較高的工程結構，以代替鋼筋及其他形式的增強作用。套管柱能夠提高柱的延性和承載力，增強縱向鋼筋與混凝土之間黏結，防止套管壓屈等優點。

本文運用非線性分析程序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性能進行了數值模擬分析

2　試驗概述

針對GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱的力學性能，大連理工大學王清湘，崔文濤[4]等人進行了系列試驗，研究了22個軸心受壓短柱構件、9個軸心受壓長柱工作機理及破壞形態。在大連理工大學結構試驗室5000kN壓力試驗機上進行了所有試驗，所有試件均為軸心受壓，單調加載。本文選用2個典型軸心受壓試件采用有限元軟件ANSYS，進行非線性有限元數值模擬。加載裝置及測點布置見圖1，主要參數見表1。

圖1　試驗加載和量測裝置示意圖

表1　試件主要參數

3　有限元分析

3.1單元類型和材料模型的選取

1)混凝土。混凝土單元采用ANSYS軟件中提供的8節點SOLID65單元，建模過程材料本構關系模型按照MISO（多線性等向強化）輸入，核心混凝土采用魯國昌[5]本構關系模型：

在軟件中，Willam-Warnker5參數破壞準則能夠較好地反映混凝土單元的破壞，經過試算，本文定義TB，CONCR時，混凝土具體參數如表2所示。

表2　混凝土材料參數表

2）鋼筋。在ANSYS中，LINK8單元通常用鋼筋的模擬。鋼筋的本構關系采用理想彈塑性模型，本構關系模型按照BISO（雙線性等向強化）輸入。鋼筋的屈服強度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節點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置其KEYOPT(1)為1。

根據崔文濤等人[7]對GFRP管的試驗可知，GFRP管的環向本構關系呈線性，根據試驗可知環向彈模為 Efr=2.2104MPa。本構關系的計算公式如下：

式中，著fr為套管環向應變。

3.2三維有限元模型

對比試驗過程，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行模擬時，認為GFRP與混凝土之間黏結完好）。在模型兩端設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置的墊板運用耦合命令，耦合軸向自由度，在底端鋼墊板底端節點處施加X，Y，Z方向約束以模擬試驗中的固接。

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方向的單調荷載，本文采取牛頓-拉夫遜方法平衡迭代法進行非線性求解，求解，其位移收斂誤差設定為3%。

4　有限元結果與試驗結果對比

前文對GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱的力學性能，利用ANSYS對其進行了數值模擬，其荷載－軸向應變曲線和極限承載力的計算結果與試驗結果分別見圖3和表3。

圖3　不同組合柱的N-z關系曲線

表3　極限承載力對比分析

如圖3所示，有限元計算結果和試驗結果的荷載-軸向應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，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GFRP套管鋼筋混凝土軸心受壓柱的力學性能，進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行更深層次的力學性能分析，以下根據有限元模型對試件TA-L1和TA-H1的力學性能做進一步分析。

5.1GFRP套管與混凝土相互作用

圖4為TA-L1GFRP管應變與GFRP套管混凝土軸向應力的相互關系曲線。可見，在核心混凝土應力很小時，GFRP管應變也很小，進而核心混凝土受到的約束力很小；在核心混凝土應力達到fcu之后，GFRP管應變有一個明顯的增長過程；最后核心混凝土屈服，GFRP管應變急劇增長，則相應約束應力也增長很快，因此，GFRP管約束力主要在混凝土屈服后發揮。

圖4　混凝土軸向應力與GFRP管應變關系

5.2GFRP管應力與應變的豎向分布

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

圖5　破壞時GFRP的應力

圖6　GFRP管沿柱高方向應變發展情況

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

5.3核心混凝土應力的豎向分布

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

圖7　TA-L1核心混凝土軸向應力

6　參數分析

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行數值試驗，來研究套管厚度、長細比、混凝土強度等有關參數對受力性能的影響。

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－軸向應變曲線的影響

6.2長細比

如圖9所示，隨著長細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為內徑）。

圖9　長細比變化對荷載－軸向應變曲線的影響

6.3混凝土強度

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

圖10　混凝土強度對荷載－軸向應變曲線的影響

7　結論

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

2)利用合理的有限元模型對構件進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揮。（2）GFRP管應力沿軸向的發展情況并不一致。破壞時，GFRP管的應力并沒有達到給出的抗拉強度值，為抗拉強度的2/3左右。GFRP沿軸向的應變發展情況也不一致，靠近柱中部的纖維利用更充分。（3）核心混凝土兩端出現應力集中現象。核心混凝土被包裹后，混凝土的應力發展充分。

3)通過合理的分析模型進行數值試驗可知：（1）增加套管厚度能有效地提高試件的承載力但相應的變形能力減小。（2）隨著長細比的增加構件軸向變形能力減小。（3）隨著混凝土強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.鋼管混凝土結構[M].哈爾濱:黑龍江科學技術出版社，1994.

【4】王清湘,崔文濤.GFRP套管鋼筋混凝土柱軸壓力學性能研究二[D].大連：大連理工大學，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，2005.

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

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

【8】王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

【9】趙彤，謝劍.碳纖維布補強加固混凝土結構新技術[M].天津：天津大學出版社，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，攻讀結構工程與研究，（電子信箱）472871353@qq.com。

2015-12-11