鋼筋混凝土偏心受壓構件受力性能模擬研究

羅冠鑫，盛　昌，劉智武

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鋼筋混凝土偏心受壓構件受力性能模擬研究

羅冠鑫，盛昌，劉智武

（金華職業技術學院，浙江金華 321000）

本文利用通用有限元軟件ANSYS，針對GFRP約束鋼筋混凝土構件的力學性能，結合試驗，建立了三維有限元數值分析模型，得到了GFRP約束鋼筋混凝土構件的極限承載力值以及其荷載－跨中撓度關系曲線，對比的有限元模型的計算數據與實驗所得數據，兩者間的數據吻合度高，證明本文所構建的有限元三維數值模型的合理性，能夠比較精確地分析GFRP約束鋼筋混凝土構件的非線性力學性能。同時發現曲線有著明顯的三個工作階段：彈性工作階段、彈塑性工作階段以及破壞階段。GFRP約束鋼筋混凝土構件充分利用了混凝土良好的受壓性能與GFRP管的受拉性能。

GFRP；約束混凝土；非線性有限元分析

纖維增強復合材料，作為一種可以在相當程度上取代鋼材的新型材料，被逐步使用到了建筑行業里。纖維增強復合的材料中的纖維材料主要有聚丙烯、聚醋纖維、玻璃纖維、尼龍纖維、丙烯酸系纖維、碳纖維、聚乙烯、芳綸纖維等等。在這么多各有特點的纖維材料里，芳綸纖維、碳纖維、玻璃纖維的性質，比較適合用來生產纖維增強復合材料。而由芳綸纖維、碳纖維、玻璃纖維三種纖維添加樹脂基體材料而組成的纖維增強復合材料分別稱為芳綸纖維增強復合材料（簡稱AFRP），碳纖維增強復合材料（簡稱CFRP）、玻璃纖維增強復合材料（簡稱GFRP）。本文選擇分析的玻璃纖維GFRP約束鋼筋混凝土構件，是指在玻璃纖維增強復合材料管內布置受力鋼筋以及箍筋，接著向管內澆注混凝土組合而形成的一種新型構件。它利用玻璃纖維增強復合材料來對混凝土產生約束，使得混凝土處于三向受壓狀態。這種構件除了具有高效、施工便利及耐腐蝕性能好等優點以外，還能夠提高混凝土的極限承載能力；而因為混凝土材料的作用，緩解了GFRP管這種薄壁構件的屈曲現象。

1 試驗方案

本文采用兩根FRP約束鋼筋混凝土構件作為研究對象，構件均以/RRP為約束構建的鋼筋混凝土柱。

2 有限元數值分析模型

根據試驗狀況，建立了玻璃纖維約束鋼筋混凝土偏心受壓構件的ANSYS三維有限元數值分析模型，這種組合結構由GFRP管、混凝土、受力筋和箍筋等4個不同的部分組合而成。

3 結果與分析

3.1 GFRP約束鋼筋混凝土構件有限元模擬計算

非線性分析具有幾何、材料、狀態等非線性分析組成。其中，幾何非線性主要有旋轉軟化、大位移、大應變、應力剛化等特性；材料非線性主要有蠕變、塑性、超彈性等特性；狀態非線性問題為當結構中存在兩種材料或多種材料間的接觸等問題。本文建立的GFRP約束鋼筋混凝土構件模型主要考慮材料非線性和幾何非線性問題。

3.2模型驗證

根據文獻[1]試件CRC2、CRC3的實際情況建立的相對應的三維有限元仿真模型，并對其進行受力全過程的非線性數值計算，通過計算得到了CRC2、CRC3兩根試件的荷載－跨中位移（）曲線，與試驗得到的數據進行對比分析。圖中為跨中位移，為構件承受的荷值。

表1 極限承載力計算值與試驗值比較

表1為CRC1、CRC2兩根試件的分別通過的有限元模擬計算得到的極限承載力值與試驗值的對比。由表可知，偏心受壓承載力的計算值與試驗值大小比較接近，在允許誤差之內。

實驗中發現當CRC1達到材料的極限承載力的80%時，GFRP管表面出現了白色條紋，接著發出了折掉的聲音。表明該試件應變、撓度增長變快，且體現了撓曲變形；極限承載力達到100%時，聽到了比較響的聲音，試件表面開始沿纖維方向撕裂，試件最終破壞。表1表明，計算數據與實驗數據吻合度高。證明本文所構建的GFRP管鋼筋混凝土偏心受壓構件三維有限元數值分析模型是合理的。

3.3 受力機理分析

本文以CRC2試件為例，GFRP管鋼筋混凝土偏心受壓構件的受力變化階段可以分為以下三種情況，即：彈性變形階段、彈塑性變形階段、塑性變形階段。

（2）彈塑性工作階段。隨著荷載的不斷增加，GFRP管鋼筋混凝土偏心受壓構件的撓度增長速度不斷加快，曲線呈現典型的非線性規律，此時GFRP管鋼筋混凝土偏心受壓構件進入了彈塑性工作階段。

（3）破壞階段。當荷載接近構件的極限承載力時，GFRP管鋼筋混凝土偏心受壓構件表現為受拉區GFRP管受拉達到抗拉極限強度，而受壓區混凝土受壓達到抗壓極限強度，混凝土被壓碎。

4 結論

針對GFRP約束鋼筋混凝土構件的受力性能，運用數值模擬方法，對GFRP約束鋼筋混凝土構件受力全過程進行了非線性數值計算，對GFRP約束鋼筋混凝土構件的承載能力、破壞機理進行了數值仿真模擬，主要結果如下：

（1）使用通用有限元分析軟件ANSYS，建立了GFRP約束鋼筋混凝土構件三維非線性數值分析模型，對試驗全過程進行了模擬，得到了GFRP約束鋼筋混凝土構件的極限承載力值以及其荷載－跨中撓度關系（）曲線。對比的有限元模型的計算數據與實驗所得數據，兩者間的數據吻合度高，證明本文所構建的有限元三維數值模型的合理性，能夠比較精確地分析GFRP約束鋼筋混凝土構件的非線性力學性能。

（2）GFRP約束鋼筋混凝土構件偏心受壓力學性能分析中，曲線有著明顯的三個工作階段：彈性工作階段、彈塑性工作階段以及破壞階段。GFRP約束鋼筋混凝土構件充分利用了混凝土良好的受壓性能與GFRP管的受拉性能。

[1]秦國鵬.GFRP管鋼筋混凝土構件力學性能研究 [D].東北大學，2009.

[2]Mei H, Kiousis PD. Confinement effeets on high一strength conerete[J].ACI Structural Journal, 2001,98(4):548-55

Simulation study on mechanical behavior of reinforced concrete eccentric compression members

(Jinhua Polytechnic, Jinhua Zhejiang 321000)

The general finite element software ANSYS. According to the mechanical properties of GFRP confined reinforced concrete members, according to the test established three-dimensional finite element numerical analysis model, GFRP confined reinforced concrete members limit bearing capacity value and the load mid span deflection relationship curve, contrast to the finite element model of the calculated data with the experimental data, the data between the two coincide degree is high. It is proved that the construction of three-dimensional finite element numerical model of rationality, can accurately analyze the GFRP confined reinforced concrete nonlinear mechanical properties. At the same time that curves are three obvious Working stage: flexible working stage, elastic plastic stage and failure stage.GFRP confined reinforced concrete members take full advantage of the good compression performance of concrete and the tensile properties of GFRP pipe.

GFRP; Confined concrete; Nonlinear finite element analysis

（責任編輯：張時瑋）

TU375

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.06.005

1672–7304(2016)06–0011–02

羅冠鑫（1984-），男，湖南懷化人，講師，研究方向：混凝土力學性能。