GFRP管混凝土柱滯回性能分析①

周 巖 王 鵬， 姚麗娜， 管海偉， 周新雨

(1.中國石油大慶石化公司礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部工程管理部，黑龍江 大慶 163714;2.大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司，黑龍江 大慶 163453;3.大慶油田公共汽車公司，黑龍江 大慶 163316;4.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163316)

0 引言

目前，對于GFRP研究主要是關(guān)于GFRP布加固試件在低周往復(fù)荷載作用下的抗震性能，王吉忠等人[1]進(jìn)行了CFRP約束高強(qiáng)混凝土柱的抗震性能研究，Masukawa等[2]進(jìn)行了采用不同的FRP材料加固對鋼筋混凝土柱滯回性能的影響，本文探討其在地震作用下的強(qiáng)度、剛度和延性等力學(xué)性能的變化規(guī)律，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 分析模型

本文采用的GFRP管混凝土柱，GFRP管的外徑為210mm，內(nèi)徑為200mm，壁厚為5mm，纖維鋪設(shè)角度為57.5°.軸壓比為0.4，混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度為31.4MPa，柱的箍筋采用HPB235，取A8@150.縱向鋼筋采用 HRB335，取6B12.表1和表2為分析材料的基本力學(xué)性能指標(biāo).

表1 鋼筋力學(xué)性能表

表2 GFRP管的材料力學(xué)性能表

G F R P管630 24610 0.5

本文在模擬時，先在試件頂端施加軸力，并且在模擬過程中一直不變.然后在試件頂部施加水平方向的低周反復(fù)荷載.采用位移控制方式來加載，試件屈服進(jìn)入塑性階段后，每一位移循環(huán)三次.

2 分析結(jié)果

2.1 有限元模擬結(jié)果的驗(yàn)證

表3 計算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果對比

由表3可以看出，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果[3～4]的誤差在12%以內(nèi)，即有限元模型可以對FRP管混凝土柱的極限承載力進(jìn)行很好的模擬.

2.2 不同軸壓比下的滯回性能分析

滯回曲線的橫坐標(biāo)為FRP管混凝土柱頂端x方向的水平位移△/mm，縱坐標(biāo)為與之對應(yīng)的水平恢復(fù)力P/KN.圖1為采用有限元軟件ANSYS模擬的構(gòu)件在低周往復(fù)荷載作用下的滯回曲線.

工況一:軸壓比分別為 0.3，0.5，0.7，長細(xì)比為25，徑厚比為30.

圖1 軸壓比不同，長細(xì)比為25，徑厚比為30

由圖1可知:構(gòu)件在彈性范圍內(nèi)加載時，F(xiàn)RP管混凝土柱滯回曲線所圍成的面積近似為零，即構(gòu)件沒有塑性變形，曲線為一條通過原點(diǎn)的直線，變形為彈性應(yīng)變，能量基本沒有消耗;構(gòu)件屈服后進(jìn)入塑性階段，此時對于同一應(yīng)變幅值位移加載，隨著加載次數(shù)的增加，構(gòu)件的承載力逐漸下降，往復(fù)加載使構(gòu)件的強(qiáng)度降低.隨著徑厚比的增大，試件的極限承載力逐漸下降，高軸壓比對徑厚比的影響較大，軸壓比為0.3時，隨著徑厚比的增大，試件極限承載力下降的幅度比軸壓比為0.7時要小.滯回曲線包絡(luò)線所圍的面積越來越小，試件的耗能能力降低，抗震性能降低.

2.3 不同長細(xì)比下的滯回性能分析

工況二表示構(gòu)件在軸壓比、徑厚比一定的情況下，長細(xì)比不同時，構(gòu)件的滯回性能狀況.:長細(xì)比為25，35，45，軸壓比為0.3，徑厚比為30.如圖2 所示.

圖2 長細(xì)比不同，軸壓比為0.3，徑厚比為30

圖3 徑厚比不同，軸壓比為0.3，長細(xì)比為25

從圖中可知:構(gòu)件在彈性范圍內(nèi)加載時，F(xiàn)RP管混凝土柱滯回曲線所圍成的面積近似為零，即構(gòu)件沒有塑性變形，能量基本沒有消耗;構(gòu)件屈服后進(jìn)入塑性階段，此時對于同一應(yīng)變幅值位移加載，隨著加載次數(shù)的增加，構(gòu)件的承載力逐漸下降，構(gòu)件的強(qiáng)度降低;當(dāng)長細(xì)比增大，在試件頂端發(fā)生相同水平位移的情況下，試件的恢復(fù)力下降，試件兩端能夠承受的相對位移增大，試件滯回曲線包絡(luò)線所圍面積反而減小，滯回曲線變得不飽滿，試件的耗能能力下降，F(xiàn)RP管混凝土柱的抗震性能下降.

2.4 不同徑厚比下的滯回性能分析

工況三表示構(gòu)件在軸壓比、長細(xì)比一定的情況下，徑厚比不同時，構(gòu)件的滯回性能狀況:徑厚比分別為 30，48，80，軸壓比為 0.3，長細(xì)比為 25.

從圖中可以得出:構(gòu)件在彈性范圍內(nèi)加載時，滯回曲線所圍成的面積近似為零，即構(gòu)件沒有塑性變形，能量基本沒有消耗;構(gòu)件屈服后進(jìn)入塑性階段，此時對于同一應(yīng)變幅值位移加載，隨著加載次數(shù)的增加，構(gòu)件的承載力逐漸下降;試件隨著徑厚比的增大，試件的極限承載力逐漸下降，高軸壓比對徑厚比的影響較大.

2.5 耗能能力對比

本文采用軟件origin對前文所模擬試件的滯回曲線所圍成的面積進(jìn)行積分，通過比較各曲線的面積來衡量不同工況下的FRP管混凝土柱的抗震耗能能力，具體計算結(jié)果如表4所示.

表4 耗能能力對比

通過表4可以看出，隨著試件長細(xì)比的增大，試件徑厚比的增大，軸壓比的增大，試件滯回曲線所包圍的面積越來越小，耗能能力越來越弱.

3 結(jié)語

本文對FRP管混凝土柱在低周反復(fù)荷載作用下的滯回性能進(jìn)行了分析，可以得到如下結(jié)論:

(1)對FRP管混凝土柱進(jìn)行加載，當(dāng)加載至屈服之前時，構(gòu)件的滯回曲線為一條通過原點(diǎn)的直線，滯回曲線所圍成的面積近似為零，此時構(gòu)件對能量的消耗非常小.當(dāng)試件加載至屈服后，試件開始出現(xiàn)塑性變形，隨著往復(fù)荷載的不斷增加，滯回曲線所包圍的面積越來越大，耗能逐漸增大，試件的承載力先增大后來逐漸降低.

(2)試件隨著長細(xì)比、徑厚比、軸壓比的增大，滯回曲線所包圍的面積逐漸減小.在試件頂部產(chǎn)生同樣水平位移的情況下，試件的水平恢復(fù)力逐漸降低，滯回曲線變得越來越不飽滿，水平恢復(fù)力進(jìn)一步降低，延性退化顯著，試件的耗能能力越來越差，抗震性能降低.

參與文獻(xiàn):

[1]王吉忠，楊輝，王蘇巖.CFRP加固高強(qiáng)混凝土柱試驗(yàn)及有限元分析.武漢大學(xué)學(xué)報.2008，41(7):6 －10.

[2]Masukawa，J.，Akiyama，H.，and Saito，H.Retrofit of Existing Reinforced Concrete Piers by Using Carbon Fiber Sheet and Aramid Fiber Sheet[A].Proceedings of the Third International Symposium on Non － Metallic FRP for Concrete Structures[C].Sapporo，Japan，1997.411 －418.

[3]陶忠，于清，韓林海，等.FRP約束鋼筋混凝土圓柱力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2004，25(6):1－10.

[4]Togay Ozbakkalogu and Murat Saatcioglu.Seismic Performance of Square High－strength Concrete Columns in FRP Stay－In－Place Form － Work[J].ASCE，Journal of Structural Engineering，2007，133(1):44 －56.