新型 SCCC組合柱抗震性能的有限元分析

王 冬 劉永軍 李竹巖

(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,沈陽 110168)

新型 SCCC組合柱抗震性能的有限元分析

王 冬 劉永軍 李竹巖

(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,沈陽 110168)

針對(duì)一些學(xué)者近兩年提出的新型圓截面鋼管-混凝土-CFRP-混凝土實(shí)心組合柱(簡稱為 SCCC組合柱)還沒有在抗震性能方面做過深入研究的現(xiàn)狀,本文利用有限元軟件 ABAQUS對(duì)軸向壓力及低周往復(fù)荷載作用下 SCCC組合柱的抗震性能進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了不同直徑的CFRP管對(duì)組合柱抗震性能的影響。分析結(jié)果表明,隨著 CFRP管直徑的增大,組合柱的抗震性能有不同程度的提高。但是從結(jié)構(gòu)耐火性能的角度出發(fā),CFRP管直徑過大,會(huì)使結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間明顯降低。因此,有必要確定一個(gè)合適的直徑范圍,使得組合柱能夠充發(fā)揮其性能。同時(shí),也能為實(shí)驗(yàn)提供有效的理論分析方法。

組合柱;CFRP;抗震性能;耐火性能;理論分析

1 引言

碳纖維(CFRP)復(fù)合材料以其抗拉強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕性能好、絕緣性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、橋梁等工程中得以廣泛的應(yīng)用。但是,CFRP材料的耐火性能很差,這就很大的局限了 CFRP在一些大型商場、賓館等建筑結(jié)構(gòu)中的發(fā)展。因此,如何解決其耐火性能就成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。劉永軍等一些學(xué)者針對(duì)這一問題提出了一種新型的SCCC組合構(gòu)件,這種構(gòu)件利用環(huán)形混凝土的保護(hù),很好的解決了 CFRP耐火性能差這一缺點(diǎn),但是對(duì)于這種新型構(gòu)件其他方面的力學(xué)性能研究還很少。本文從 SCCC組合柱抗震方面的性能入手對(duì)其進(jìn)行研究,這對(duì)于推動(dòng)新型 SCCC組合柱在土木工程中的應(yīng)用具有重要意義。

2 新型 SCCC組合柱

目前,國內(nèi)外的大多數(shù)學(xué)者主要是將 CFRP包裹在結(jié)構(gòu)的外部對(duì)其進(jìn)行研究的。其組合柱形式有 FRP管-混凝土柱、FRP管-混凝土-鋼管雙壁組合柱、FRP-鋼管-混凝土柱等。

FRP管-混凝土柱(見圖 1)是在 FRP管內(nèi)澆筑混凝土而形成的組合柱,包括用包裹 FRP進(jìn)行加固的鋼筋混凝土柱也屬此類構(gòu)件。

圖 1 FRP管-混凝土柱截面圖

相對(duì)于鋼筋混凝土柱,FRP約束鋼筋混凝土柱不但極限承載力得到提高,而且表現(xiàn)出很好的延性和耗能性能。Nanni等[1]進(jìn)行了 20個(gè) FRP約束鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件和 6個(gè)鋼筋混凝土構(gòu)件的往復(fù)荷載試驗(yàn),結(jié)果表明:當(dāng)軸壓比較小時(shí),鋼筋混凝土構(gòu)件表現(xiàn)為斜向剪切破壞,當(dāng)軸壓比較大時(shí)表現(xiàn)為壓彎破壞;所有 FRP約束的構(gòu)件均表現(xiàn)為彎曲破壞,且破壞時(shí)均表現(xiàn)出一定的延性。

FRP管-混凝土-鋼管雙壁組合柱是由一個(gè)外層的 FRP管、一個(gè)內(nèi)層的鋼管和兩個(gè)管之間的混凝土所組成(見圖 2)。這種結(jié)構(gòu)具有自重輕、抗彎剛度大等優(yōu)點(diǎn)。Yu等[2]進(jìn)行了圓 FRP-混凝土-鋼管組合柱純彎構(gòu)件的試驗(yàn),研究結(jié)果表明,所有試件均具有良好的延性。

圖 2 FRP管-混凝土-鋼管雙壁組合柱截面圖

FRP-鋼管-混凝土柱是一種新型組合構(gòu)件,是在鋼管混凝土柱的表面纏繞 FRP而得到的,如圖 3所示。這種組合柱可以較好地發(fā)揮 FRP約束混凝土和鋼管混凝土的雙重優(yōu)點(diǎn),構(gòu)件在具有較高承載力的同時(shí)還具有較好的延性[3]。

圖 3 FRP-鋼管-混凝土柱截面圖

以上 3種構(gòu)件都是將 FRP置于構(gòu)件的表面,由于 FRP材料的耐高溫和耐火性能較差,使得前面幾種組合柱的優(yōu)越性難以充分發(fā)揮,阻礙了其在高層建筑、商場等建筑工程中的應(yīng)用。因此,一些學(xué)者提出將 CFRP置于鋼管混凝土內(nèi)部,構(gòu)成新型的鋼管-混凝土-CFRP-混凝土組合柱(SCCC組合柱),如圖 4所示。由于CFRP被環(huán)形混凝土包裹,使其升溫速率得以延緩,從而有效彌補(bǔ)了 CFRP耐高溫性能差這一缺點(diǎn),對(duì)此,劉永軍等進(jìn)行了相關(guān)的研究。

圖 4 SCCC組合柱截面圖

SCCC組合柱的優(yōu)點(diǎn)有,第一,施工方便,鋼管和CFRP管都具有足夠的剛度,能夠起到模板的作用。第二,能夠充分發(fā)揮鋼材和 CFRP抗拉性能好、混凝土抗壓性能好的特點(diǎn)。第三,CFRP管能夠很好的約束核心混凝土,降低了環(huán)形混凝土對(duì)外部鋼管的作用力,因而在相同承載力的情況下,能夠節(jié)省鋼材。第四,鋼管的延性和 CFRP管的高強(qiáng)度相互補(bǔ)充,提高了極限承載力。在耐火性能方面,首先,混凝土屬于熱惰性材料,環(huán)形混凝土可以延緩CFRP管溫度升高,延長柱子的耐火時(shí)間。其次,外層鋼管可以阻止環(huán)形混凝土在火災(zāi)中因?yàn)楸讯鴦兟?這樣就使得環(huán)形混凝土對(duì) CFRP管的防火保護(hù)作用十分可靠[4]。

3 SCCC組合柱的抗震性能分析

3.1 模型的建立

有限元模型的截面尺寸,鋼管的外徑 D=350mm,厚度 ts=2 mm;CFRP管的直徑分別采用 d=200mm和 d=260mm兩種,分別表示為 SCCC-200和 SCCC-260,普通的鋼管混凝土柱用 SC表示,CFRP單層厚度 tcfrp=0.167mm,模型的高度H=1000mm,模型中的鋼材采用 Q235鋼,混凝土采用C30,具體材料參數(shù)見表 1。

表 1 材料參數(shù)

圖 5 模型的網(wǎng)格圖

3.2 單元的選取

模型中 CFRP管和鋼管均采用殼單元 S4R模擬,混凝土采用三維實(shí)體 8節(jié)點(diǎn)減縮積分單元C3D8R模擬。劃分單元后的模型如圖 5所示。假設(shè) CFRP和混凝土之間粘結(jié)良好,采用 tie命令將CFRP和混凝土粘結(jié)。

3.3 混凝土破壞準(zhǔn)則

由于是在水平往復(fù)荷載作用下,需要考慮混凝土受拉開裂和壓碎破壞兩種失效機(jī)制。在ABAQUS中,采用混凝土模型 concrete da m aged plasticity來定義混凝土材料的塑性破壞準(zhǔn)則。其中除了需要定義混凝土受壓和受拉破壞的數(shù)據(jù)之外,還需要定義一些參數(shù)[5]才能更準(zhǔn)確的模型中混凝土的行為。參數(shù)如下:

(1)p—q平面中高圍壓情況下的膨脹角 φ,其值在 15～56.3度之間,這里我們?nèi)?30度;

(2)塑性勢能力方程的流動(dòng)偏角 ζ,缺省值為0.1;

(4)拉子午線 q(TM)、壓子午線 q(CM)上第二應(yīng)力不變量的比值Kc,其缺省值為 2/3;

(5)粘塑性系統(tǒng)松弛時(shí)間的粘性系數(shù) μ,在ABAQUS/Standard中,材料出現(xiàn)軟化和剛度弱化時(shí)計(jì)算將難以收斂,在本構(gòu)方程中采用粘塑性規(guī)則化可以部分解決這個(gè)問題。在 ABAQUS/Standard中,粘性系數(shù) μ的缺省值為 0[6]。

3.4 加載方式和邊界條件

本文中模型的底部設(shè)為固定約束,荷載有軸向荷載和水平荷載兩種,加載方法為先軸向加載N=300KN,在柱頂水平方向采用位移加載,控制柱在水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng),加載方式如圖 6所示。

圖6 水平加載方式

4 有限元結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力云圖

從ABAQUS分析的結(jié)果,我們可以得到以上三種組合柱的應(yīng)力云圖,分別如圖 7、8、9所示。

由應(yīng)力云圖可以看出組合柱最大應(yīng)力都出現(xiàn)在柱腳處,并隨著柱腳處混凝土被壓碎鼓出而宣告破壞。同時(shí)從圖中可以看到,由于 CFRP管的存在,能夠?qū)诵幕炷疗鸬绞`作用,在同等條件下,其變形要比普通鋼管混凝土的小,并且隨著 CFRP管直徑的增大,變形逐漸減小。

4.2 恒定荷載下的位移

根據(jù)有限元軟件模擬分析的結(jié)果,對(duì)比了在同 等條件下普通鋼管混凝土柱和加入 CFRP的 SCCC組合柱的側(cè)向位移,這里我們?nèi)?P=41KN。在此級(jí)荷載作用下,普通鋼管混凝土柱頂?shù)淖畲笪灰茷?.235mm,組合柱 SCCC-200的位移為 3.434mm,減少了 18.9%,組合柱 SCCC-260的位移為 3mm,減少了 28.57%,抗變形能力有所提高。

4.3 骨架曲線

骨架曲線作為滯回曲線峰值點(diǎn)連成的包絡(luò)曲線,能夠較好的反應(yīng)結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下的一些力學(xué)效果。模擬模型的骨架曲線如圖 10所示。

圖 10 骨架曲線

從骨架曲線可以看出,加入 CFRP的組合柱要比普通鋼管混凝土柱的承載力高,抗變形能力有所也有所增加,從曲線中我們還可以知道,不同直徑的CFRP對(duì)承載力也有所影響,隨著 CFRP直徑的增加,組合柱的延性和承載力都有所增加。如果從組合柱的耐火性角度出發(fā),CFRP的直徑太大,必定導(dǎo)致組合柱的耐火時(shí)間縮短,因此,有必要確定一個(gè)適合的直徑,使得結(jié)構(gòu)既能有良好的耐火性又能保證其達(dá)到最優(yōu)的抗震性能。

4.4 位移延性

位移延性系數(shù)為極限位移與屈服位移之比[7],其值越大,表明構(gòu)件的延性越好。模擬分析計(jì)算出的延性系數(shù)見表2?？梢钥闯?加CFRP的組合柱比普通的鋼管混凝土柱的延性系數(shù)要大,并且隨著CFRP管直徑的增加,延性系數(shù)也在提高。

表2 延性系數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論

從以上分析的結(jié)果可以看出,與普通鋼管混凝土相比,在低周往復(fù)荷載作用下,SCCC組合柱的承載能力和抗變形能力均有所提高。不同直徑的 CFRP管提高的程度是不同的,從而在理論上驗(yàn)證了這種新型結(jié)構(gòu)在抗震性能方面提高的有效性。

[1]NanniA,NorrisMS.FRP jacketed concrete under flexure and co mbined flexure— compression[J].Construction and Building Materials,1995,9(5):273-281.

[2]Yu T,Wong Y L,Teng JG,eta1.Structuralbehavior ofhybrid FRP— concrete— steel double— skin tubular columns.2004.

[3]王慶利,李寧,韓佛,等.CFRP-鋼管混凝土軸壓構(gòu)件試驗(yàn)研究[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2006,22(5):709-713.

[4]劉永軍,唐元琳,王晴.新型圓截面-混凝土-CFRP-混凝土實(shí)心組合柱及其耐火性能[J].混凝土.2010,(1):37-39.

[5]H ibbitt,Karlson,Sorenson.ABAQUS Version 6.4:Theory manua,l users'manua,l verification manual and example problemsmanua.lH ibbitt,Karlson and Sorenson Inc,2003.

[6]堯國皇,黃用軍,宋寶東,譚偉.采用塑性損傷模型分析鋼-混凝土組合構(gòu)件的靜力性能.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展.2009,11(3):12-18.

[7]魏洋.FRP約束混凝土矩形柱力學(xué)特性及其抗震性能研究[D].南京:東南大學(xué),2007.

Finite Element Analysis of Seismic Behavior of New Hybrid SCCC Composite Columns

Wang Dong,Liu Yongjun,L iZhuyan

(Shenyang Jian zhu University Civil Engineering,Shenyang110168,China)

In view of status that the new circular hybrid Stee-l Concrete-CFRP-Concrete column(s imply called SCCC columns)whichwas proposed by some scholars nearly tow years,hasn'tm ade a deep research in seism ic perfo rmance.In this paper,using finite element software ABAQUS s imulate seism ic behaviors of SCCC composite columnswhich under the action of axial compressive force and low cycle reversed loading,studied the effect on seism ic perfor mance of composite columns in different diameter CFRP tubes.Analysis results show tha,t along w ith the increase of CFRP tube diameter,the seism ic perfor mance of composite colu mnshad different degrees of improvemen.t But see from the structure's fire behavior,the increse ofCFRP tube dia m eterw illmake fire resistance t ime decreased obviously.Therefore,it is necessary to determ ine a suitable diameter scope,makes the composite co-l umn can play its perfor m ance.At the same t ime,can provide effective theoretical analysism ethod for exper imenta.l

Composite Column;CFRP;Seism ic Behavior;Fire Behavior;TheoreticalAnalysis

TU392.3;TU375.3

A

1674-7461(2011)02-0011-05

劉永軍(1966-),男,博士,教授。主要從事建筑結(jié)構(gòu)抗火性能、橋梁抗風(fēng)與抗震、新型組合結(jié)構(gòu)、有限元軟件開發(fā)、科學(xué)可視化等方面的研究;

王冬(1986-),男,在讀碩士研究生。專業(yè):結(jié)構(gòu)工程。