側向撞擊荷載下FRP管-混凝土-鋼管組合梁抗撞性能的理論分析模型

鄒 淼， 王 蕊

(太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原 030024)

側向撞擊荷載下FRP管-混凝土-鋼管組合梁抗撞性能的理論分析模型

鄒 淼， 王 蕊

(太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原 030024)

基于ABAQUS有限元軟件為平臺建立了FRP管-混凝土-鋼管組合結構在低速側向撞擊荷載下的有限元計算模型，該模型計算結果與現有試驗結果對比后吻合良好，能夠較好地模擬FRP管-混凝土-鋼管組合結構在側向撞擊作用下的性能。同時利用該模型進行了有限元參數分析，通過改變沖擊能量和空心率來分析它們各自對該組合結構撞擊性能的影響。得出的結論是沖擊能量對該組合結構跨中極限撓度影響顯著，但沖擊力平臺值卻幾乎不變；空心率對該組合結構抗撞擊性能影響較大，尤其是當空心率在0.6～0.8范圍內時組合結構展現出良好的抗撞擊性能，且當空心率χ=0.7時，FRP管-混凝土-鋼管組合結構表現出的抗沖擊力學性能最好。這些研究對進一步開展FRP管-混凝土-鋼管組合結構的抗撞擊性能研究提供了一定的參考依據。

FRP管-混凝土-鋼管組合結構；側向撞擊荷載；沖擊力；有限元分析

鋼管混凝土結構和中空夾層鋼管混凝土結構作為一種新型的組合結構[1]，現已得到廣泛的研究和應用。而FRP管-混凝土-鋼管組合結構(FRP-concrete-steel double-skin tube tubular)既不同于前述的兩種結構，也不同于FRP鋼管混凝土[2]，它是一種新型組合結構，該結構由FRP布(碳纖維增強樹脂)材料外管、鋼內管以及填充于兩者之間的混凝土三部分組成，三種材料的協同工作使該組合結構具有許多優于現有組合構件的力學性能。由于FRP布具有較高的質量強度比、耐腐蝕性和耐火性好、自重輕等優點，故FRP管-混凝土-鋼管組合結構可作為承重構件應用于地鐵、體育館、海洋平臺支架柱、橋墩等建筑結構中。截至目前，對鋼管混凝土結構的力學性能研究已經展開[3-8]，對中空夾層鋼管混凝土的研究主要有軸壓、純彎和壓彎構件的靜力性能和壓彎構件的滯回性能，以及扭轉構件的抗扭性能[9-12]等。雖然對FRP管-混凝土-鋼管組合結構軸壓下的力學性能有些研究[13-17]。然而對FRP管-混凝土-鋼管組合結構抗撞擊性能的研究尚未見報道，但是做為工程上承重部件，其遭受撞擊時一旦損壞就會引起生命和財產的極大損失。隨著FRP管-混凝土-鋼管組合結構即將推廣使用，急需對其抗撞擊性能進行深入的研究與分析。

本文應用有限元分析方法來建立受側向撞擊荷載作用下的FRP管-混凝土-鋼管組合結構有限元模型，并用已有的試驗數據對有限元的精度進行了驗證，在驗證可行的基礎上，再利用該模型分析了在沖擊能量和空心率兩種不同因素對構件撞擊性能的影響。

1 有限元模型的建立

利用ABAQUS/Explicit模塊，建立了兩端固支FRP管-混凝土-鋼管組合結構在側向撞擊荷載作用下的有限元分析模型。

1.1 建立幾何模型

為了減少人為因素的影響，有限元模型過程中試件尺寸以及約束條件與文獻[13]中實驗試件基本一致。FRP管-混凝土-鋼管試件約束長度為1 800 mm，環向包裹FRP后外直徑均為114 mm，內鋼管直徑和壁厚均無變化，分別取50 mm和1.8 mm。由于采取不同層數的CFRP包裹，其分別為0.17 mm、0.34 mm和0.51 mm等不同的厚度。沖擊物為楔形落錘(接觸面為80 mm×30 mm的矩形)，沖擊位置在試件跨中。試件的約束形式為兩端固定，并通過改變沖擊體的沖擊速度參數來實現沖擊能量大小的改變。

1.2 定義材料屬性

混凝土采用塑性損傷模型，密度取2 500 kg/m3，混凝土的強度等級為C30，通過實驗測的混凝土的強度實測值為28.5 N/mm2，彈性模量取26 587 N/m2，泊松比取為0.2。根據混凝土規范中fck=0.88αc1αc2fcu,k在后述FEA中混凝土取值19.06 N/mm2即可，該模型中受壓和受拉性能均采用韓林海(2007)[18]中提供的模型，同時根據侯川川學位論文《低速橫向沖擊荷載下圓鋼管混凝土構件的力學性能研究》在進行動力計算時對此模型進行修正后使用。根據書本和論文中公式編輯出整個混凝土的應力應變關系曲線，其中已包含了應變率對本構關系的影響，因為模擬是動力作用下的過程，應變率的影響不可以忽視，故必須考慮到應變率的影響因素。

FRP布為彈性、正交各向異性材料，密度取1 800 kg/m3，沿纖維方向彈性模量取2.30×1011N/m2，泊松比取0.3，碳纖維布的強度為ffrp=4 200 MPa，FRP拉伸彈性模量的實測結果為222.29 GPa。在本次實驗中，所有構件均環向粘貼FRP，所以在沿構件軸線方向材料沒有強度(數值模擬中取結構膠的強度)。很多試驗均證明, FRP材料的應力-應變關系接近理想彈性而且強度不會隨應變率的提高而提高[20]。因此,在本次有限元分析中,設定FRP材料為理想彈性材料，且若纖維應力超過其抗拉強度,則認為纖維斷裂。

1.3 定義接觸面

本次撞擊荷載的模擬即選用General contact接觸類型。其中，鋼管-落錘、鋼管-混凝土及鋼管-支座，支座與螺栓界面接觸均采用通用接觸，界面的接觸屬性定義為：除FRP與混凝土之間是完全粘結之外，所有接觸面的法線方向均為硬接觸，切線方向采用庫倫摩擦模型(Columbia Friction Model)模擬接觸面的相對滑動。鋼管和混凝土之間的庫倫摩擦系數μsc采用韓林海(2007)中建議的0.6，鋼管和支座的μsp取0.15，FRP布和落錘的μfh取0，支座與螺栓的μpb取0.3。

1.4 網格劃分

本文采用自由網格劃分。其中，鋼管所選用的是四節點減縮積分格式的三維殼單元，混凝土、支座及螺栓所選用的是八節點減縮積分格式的三維實體單元，落錘所選用的是剛體殼單元。經對不同網格尺寸模型的計算結果的歸納分析，本次模擬中網格劃分采用局部加密，加密區網格尺寸為5mm，非加密區網格尺寸為20mm。模型網格劃分如圖1。

1.5 邊界條件和初始條件

為保證與實際試驗條件的一致性，本次模擬中試件是兩端固定，考慮到試驗臺為剛性平臺，將其簡化為墊板。墊板底部完全約束，固定支座采用螺栓連接并與墊板固定；試驗中落錘從高處落下并與試件發生碰撞，模擬時將落錘設置在試件有效長度中點正上方1mm處，并賦予落錘相應的質量、初速度來定義撞擊荷載。

圖1 Abaqus模型與網格劃分Fig.1 Abaqus model and mesh

2 模擬結果與實驗結果的對比

2.1 試驗裝置及試件信息

本文取文獻[21]中的6個FRP管-混凝土-鋼管組合結構試件進行對比驗證。該試驗在太原理工大學結構實驗室的DHR-9401型落錘式沖擊試驗機上進行，以兩端固支為邊界條件對試件進行側向撞擊。該試驗機的能大范圍低速沖撞，設計機身高達13.47m，其最大撞擊速率高達15.7m/s,完全能夠滿足本次實驗要求。為了達到實驗要求的沖擊能量，落錘質量為229.8kg，并且底部安裝了沖擊頭和力傳感器。為了達到良好的整體剛度和隔震性能，本試驗機底部配有大體積混凝土基礎，基礎與地基之間用黃砂墊層這樣在沖擊的過程中臨近的儀器將不會受到影響，試驗機上部的結構是門式剛架．其是由兩個豎直的格構式鋼柱和剛性橫粱組成。圖2為試驗裝置簡圖。

螺栓尺寸：螺帽直徑0.025m，螺桿直徑0.005m，螺桿長0.49m。同時在現場實驗時給左右兩個支座上均加蓋一個剛性鋼梁，鋼梁兩端帶孔進行強固地鉚連接，從而保證在沖擊過程中支座不會松動偏移，也便于保護螺栓以及其能夠順利擰出。FRP管-混凝土-鋼管試件長度均為1 800mm，試件詳細尺寸信息見文獻[21]，通過改變FRP布的層數跟撞擊高度相互正交來進行分組試驗。試件信息表如表1。

圖2 試驗裝置簡圖Fig.2 Simplified test device

表1 試件信息表Tab.1 Specimen information

表1中，試件編號1、2、3表示FRP包裹層數，L、M、H表示落錘的不同撞擊高度，如編號F2M就表示在試驗設計落錘從0.5 m高處落下對包裹2層FRP試件進行撞擊；其中Do為FRP管-混凝土-鋼管組合結構外徑，t0為FRP厚度，Di為內鋼管外徑，ti為內鋼管厚度，H為落錘撞擊高度，E0為沖擊能量，Fstab為沖擊力平臺值，um為試件跨中截面撓度。

2.2 沖擊力F和跨中極限撓度um的有限元驗證

從上組信息表中分別取編號為F1M、F2M的兩組試件進行沖擊力的有限元模擬驗證和取編號為F1H、F3H的兩組試件進行跨中極限撓度的有限元模擬驗證。圖3中給出了計算結果與實測結果的沖擊力F與時間t關系曲線，可以看出沖擊力在撞擊后迅速達到峰值Fp之后的一段時間內基本不變，形成一個平臺段，以平臺段的平均值作為沖擊力平臺值Fstab，平臺值Fstab-c/Fstab-e平均值為0.944，均方差為0.013，兩者的沖擊力平臺值和整體變形趨勢大致相同，從圖中可以看出計算結果與實測結果基本吻合。跨中極限撓度的計算值umc與實測值ume的比較如圖4所示，撓度達到峰值時會稍減直至趨于穩定，可見計算值與實測值也基本吻合。由此可知，該數值模型所得到的模擬值與試驗值基本吻合，這說明該模型中材料的本構關系和參數的選取是可行的，可以利用它進行FRP管-混凝土-鋼管組合結構在側向沖擊作用下的有限元分析。

(a) F1CS-M

(b) F2CS-M圖3 沖擊力(F)時程曲線的對比Fig.3 Contrast of impact force (F) versus time

(a) F1CS-H

(b) F3CS-H圖4 跨中極限撓度(um)時程曲線的對比Fig.4 Contrast of mid-span permanent deflections versus time

3 結果分析

在保持FRP布為單層不變的情況下，本文分析沖擊能量E0(0.5～1.99)kJ和空心率(0.3～0.8)對構件抗撞擊性能的影響。

3.1 沖擊能量(E0)的影響

為了區別文獻中[21]中試件，本文建立了空心率χ=0.7、FRP為單層的有限元模型來分析沖擊能量E0對構件抗撞擊性能影響。保持落錘質量(m)不變，定義落錘高度分別為0.25 m、0.5 m、1.0 m，相對應的沖擊能量E0為0.5 kJ、1.0 kJ、1.99 kJ。圖5所示的不同E0下的沖擊力時程曲線的影響。可見，隨著E0增大，沖擊力持續時間變長，并且沖擊力峰值有明顯增大；沖擊周期也隨著沖擊能量的增大而明顯變長；但沖擊力平臺值隨著沖擊能量增大只是略有增加，幾乎不變。沖擊力平臺值略有提高原因是沖擊速度的提高導致材料應變率提高，材料強度略有提高，截面抗彎強度略有增大，效果并不明顯。同時，如圖6所示，隨著構件消耗沖擊能量的增加，試件跨中撓度也不斷增大至峰值，但是當到達峰值時由于試件自身存在一定剛度會產生回彈，故其撓度隨后緩緩回落至一個穩定的平臺值，從最終的撓度平臺值可知，跨中撓度隨著沖擊力能量E0增大變化十分明顯。

圖5 沖擊能量(E0)對沖擊力時程曲線的影響Fig.5 Influence of impact energy(E0) on impact force

圖6 沖擊能量(E0)對跨中極限撓度時程曲線的影響Fig.6 Influence of impact energy(E0) on mid-span deflections

3.2 空心率(χ)的影響

本文研究的是保持FRP為單層不變，通過改變內鋼管的外徑來改變FRP管-混凝土-鋼管組合結構試件的空心率，并利用公式χ=Di/(D0-2t0)[22]來確定0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8的不同空心率。由圖7能夠看出，隨著構件空心率的增加，沖擊力持續時間變短，沖擊力峰值減小，但是沖擊力平臺值卻隨著空心率的增大而明顯增大。尤其表現明顯的是空心率χ=0.7時可作為一臨界點，因為其后隨著空心率的增大(當χ=0.8時)，沖擊力平臺值逐漸減小，可以看出空心率χ=0.6～0.7下的沖擊力平臺值普遍高于其它空心率下的沖擊力平臺值，但是沖擊持續時間較短，呈現出在0.03 s左右的一致規律。圖8所示的隨著構件空心率的增大，跨中極限撓度峰值反而減小，并且在空心率χ=0.6～0.7區段會出現越來越明顯的撓度平臺值，過渡比較平緩。

圖9為構件空心率對跨中頂部FRP環向應力的影響。由于跨中頂部是受撞擊最直接的部位，也是破壞最嚴重的部位，因此整個試件的破壞形式可以由該處的破壞情況直接體現，故環向應力點均取自各試件的跨中頂部位置，即縱向中間截面的最頂部。在ABAQUS有限元軟件中可先定義出此點位置及此點各方向上的應力。對比圖7、圖9可知，在構件沖擊力達到峰值時，跨中FRP環向應力也達到一個峰值；隨后沖擊力進入平臺段，相應的FRP環向應力也逐步增大；當沖擊力進入下降段，FRP環向應力也逐步減小。并且從圖9可明顯看出當空心率χ=0.7和0.8時FRP環向應力較大，與之前的沖擊力時程曲線和跨中極限撓度時程曲線相一致。沖擊力平臺值反應構件的抗撞擊能力，故綜上所述，當空心率范圍為χ=0.6～0.7，FRP管-混凝土-鋼管組合結構能夠表現出良好的抗撞擊性能。

圖7 空心率(χ)對沖擊力時程曲線的影響Fig.7 Influence of hollow ratio on impact force

圖8 空心率(χ)對跨中極限撓度時程曲線的影響Fig.8 Influence of hollow ratio on mid-span deflections

圖9 空心率(χ)對FRP環向應力σ的影響Fig.9 Influence of hollow ratio on hoop stress σ

4 結 論

本文以有限元分析軟件建立了FRP管-混凝土-鋼管組合結構受撞擊荷載的仿真模型，并且與現有文獻中的實驗結果進行了對比驗證，并在驗證了模型可行的基礎上，又通過建立不同類型模型進行模擬，分析了沖擊能量E0和構件空心率χ兩種因素對該組合結構構件的力學性能的影響。通過以上研究，得到如下結論：

(1)本文所建立的有限元模型能夠較好的模擬FRP管-混凝土-鋼管組合結構在側向撞擊荷載作用下的力學性能。

(2)沖擊能量E0對試件沖擊力峰值、試件跨中撓度以及沖擊力作用時間均有影響。隨著沖擊能量E0增加，沖擊力峰值明顯增大，跨中撓度也增大，同時沖擊力作用時間變短；但是沖擊力平臺值僅僅略有增加，幾乎保持不變。

(3)空心率χ對試件沖擊力峰值、沖擊力平臺值、試件跨中撓度以及沖擊時間均有影響。隨著空心率χ的增大，構件的沖擊力峰值減小，沖擊作用時間變短，但沖擊力平臺值增大，跨中撓度減小。尤其當空心率χ=0.6～0.7范圍內時，構件的沖擊力平臺值明顯最大，同時跨中撓度較小，可以得出，即當空心率χ=0.7時，FRP管-混凝土-鋼管組合結構表現出的抗沖擊力學性能最好。

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Theoretical model for the anti collision performance analysis of FRP tube concrete composite beams under lateral impact load

ZOU Miao, WANG Rui

( Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024,china)

A finite element model for analysing the impact resistance performance of FRP tube-concrete-steel composite structures under low velocity lateral impact load was established by using the ABAQUS finite element software. The results are in good agreement with the existing experimental results, which indicates the model is approprite. Using the model, a finite element parametric analysis was carried out by changing the impact energy and the hollow ratio respectively. It is concluded that the impact energy has significant effect on the ultimate deflection of composite structures, while the platform value of impact force maintains almost unchanged. The hollow ratio has great influence on the impact resistance of structures as well, especially when the hollow ratio is within the range of 0.6 to 0.8 , the structure exhibits good impact resistance, and when the hollow ratioχ=0.7, FRP tube-concrete-steel composite structures appear the best mechanical property of impact resistance. The results provide a reference to the further development of the anti impact performance of FRP tube-concrete-steel composite structures.

FRP tube-concrete-steel composite structure; lateral impact load; impact force; finite element analysis.

國家自然科學基金項目(51378290)

2015-12-10 修改稿收到日期：2016-02-18

鄒淼 男，碩士生，1987年生

王蕊 女，博士，碩士生導師，1979年生 E-mail:wangruimao@yahoo.com.cn

TU393

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.06.039