圓CFRP鋼管混凝土外加強環(huán)節(jié)點有限元分析*

魏　華， 許　博

(沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

圓CFRP鋼管混凝土外加強環(huán)節(jié)點有限元分析*

魏華， 許博

(沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

為了深入研究圓CFRP鋼管混凝土外加強環(huán)節(jié)點的力學性能，使用有限元軟件ABAQUS分析了混凝土強度、鋼材強度、軸壓比、加強環(huán)板的厚度和加固形式對節(jié)點力學性能的影響.對節(jié)點模型進行了低周往復荷載下數(shù)值模擬.結果表明，當混凝土和鋼材強度不變時，隨著軸壓比的增加，外加強環(huán)節(jié)點的承載力保持不變；加強環(huán)板厚度對節(jié)點承載力影響較大，隨著加強環(huán)板厚度的增加，節(jié)點的承載力明顯增加，當厚度增加到一個限值時，承載力基本保持不變；加強板和加強筋加固形式可以顯著提高節(jié)點的剛度，使鋼梁先于柱屈服，實現(xiàn)強節(jié)點弱構件的抗震目標.

鋼管混凝土； 外加強環(huán)節(jié)點； 有限元； 鋼材強度； 混凝土強度； 軸壓比； 承載力； 強節(jié)點弱構件

近年來，鋼管混凝土結構在土木工程領域應用越來越廣泛，特別是高層建筑結構，而鋼管混凝土梁柱節(jié)點性能是影響鋼管混凝土結構整體性能的關鍵，其中鋼管混凝土外加強環(huán)式節(jié)點應用比較廣泛，具有剛度大、塑性性能好、傳力明確和承載力高等優(yōu)點[1].圓CFRP鋼管混凝土結構是在圓鋼管混凝土柱外圍纏繞碳纖維布而組成的結構形式，與圓鋼管混凝土結構相比，可以充分發(fā)揮混凝土的三向受壓性能，提高混凝土的抗壓承載力，同時可以避免鋼管發(fā)生屈曲破壞，具有承載力高和耐久性好等優(yōu)點[2].

1.1混凝土

當εcl≤ε0時，

(1)

當ε0<εcl<εcu且ξs≥1.12時，

(2)

當ε0<εcl<εcu且ξs<1.12時，

(3)

當εcl≥εcu時，

(4)

式中：σcl為混凝土縱向應力；σ0為混凝土極限壓應力；εcl為混凝土縱向壓應變；ε0為混凝土極限壓應變；εcu為CFRP斷裂時的εcl值；ξs為鋼管的約束效應系數(shù)；ξ為鋼管和CFRP管總的約束效應系數(shù)；β為CFRP斷裂前與ξ相關的系數(shù)；βs為與ξs相關的變量；q、G、D為系數(shù)，其表達式為

(5)

G=ξ′(2.231-4.611ξ′)

(6)

D=ξ′(1.545-1.238ξ′)

(7)

其中，ξ′為約束效應系數(shù)比.

在有限元軟件ABAQUS中，混凝土采用塑性損傷模型，在低周往復荷載作用下，混凝土的彈性剛度將會損傷，因此，考慮核心混凝土在受壓時的壓損傷因子dc，以及受拉時的拉損傷因子dt，其計算公式為

(8)

(9)

1.2鋼材

(10)

式中：Es為鋼材彈性模量；fy為鋼材抗拉強度值；ε為鋼材應變；εe=0.8fy/Es；εe1=1.5εe；εe2=10εe1；εe3=100εe1；A、B、C為系數(shù)，其表達式為

(11)

B=2Aεe1

(12)

(13)

1.3碳纖維布

σcf=Ecfεcf

(14)

式中：σcf為碳纖維布的應力；Ecf為碳纖維布的彈性模量；εcf為碳纖維布的應變.

2　有限元計算模型

對于有限元模型各構件的接觸問題，鋼管與混凝土界面采用法向硬接觸，切向采用庫倫摩擦.本文假設鋼管與CFRP之間沒有相對滑動，即鋼管與CFRP采用綁定接觸.對于有限元模型的邊界條件，柱底采用全約束，柱頂鉸接，梁端釋放上下和繞平面內轉動的自由度，其余自由度約束.柱頂采用截面耦合下的集中力加載，梁端采用位移加載.

圖1　加強筋加固節(jié)點有限元模型

3　參數(shù)分析

3.1模型驗證

對本文建立的有限元模型進行驗證，建立與文獻[10]試驗相同的模型，將梁端在低周往復荷載作用下所得的數(shù)值模擬結果與試驗結果進行對比.

圖2　數(shù)值模擬與試驗結果滯回曲線對比

3.2混凝土強度的影響

圖3　不同混凝土強度的梁端荷載位移曲線

3.3鋼材強度的影響

圖4　不同鋼材強度的梁端荷載位移曲線

3.4軸壓比的影響

圖5　不同軸壓比的節(jié)點彎矩轉角曲線

3.5加固形式的影響

圖6　不同加固形式的梁端荷載位移曲線

圖7　不同加固形式的節(jié)點彎矩轉角曲線

3.6加強環(huán)板厚度的影響

圖8　不同加強環(huán)板厚度的梁端荷載位移曲線

Fig.8Load-displacementcurvesforbeamendofreinforcedringplatewithdifferentthicknesses

圖9　不同加強環(huán)板厚度的節(jié)點彎矩轉角曲線

Fig.9Bendingmoment-rotationanglecurvesforjointofreinforcedringplatewithdifferentthicknesses

4　結　論

1) 混凝土強度對節(jié)點承載能力大小的影響不是很明顯，而鋼材強度對節(jié)點模型在低周往復荷載作用下承載能力大小的影響較為顯著.隨著鋼材強度的提高，承載能力逐漸增大，因此，鋼材強度等級是控制承載能力的主要因素之一，選擇適當?shù)幕炷翉姸?，在滿足承載力的情況下可降低經濟成本.

3) 加強筋對節(jié)點的加固與加強板對節(jié)點的加固對提高節(jié)點的彎矩承載能力大小的影響不是很明顯，只是提高了節(jié)點的剛度，使節(jié)點承受更大的彎矩，防止節(jié)點先于構件破壞.

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(責任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

FiniteelementanalysisofjointwithoutsidereinforcedringofconcretefilledcircularCFRPsteeltube

WEIHua,XUBo

(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110870,China)

InordertofurtherstudythemechanicalpropertiesofjointwithoutsidereinforcedringofconcretefilledcircularCFRPsteeltube,theeffectofconcretestrength,steelstrength,axialcompressionratio,thicknessofreinforcedringplateandreinforcementformsonthemechanicalpropertiesofjointwasanalyzedwiththefiniteelementsoftwareABAQUS.Thenumericalsimulationforthejointmodelwasperformedundertheactionoflow-cyclerepeatedloads.Theresultsshowthatwhentheconcretestrengthandsteelstrengthareconstant,thebearingcapacityofjointwithoutsidereinforcedringkeepsunchangedwithincreasingtheaxialcompressionratio.Theeffectofthicknessofreinforcedringplateonthebearingcapacityofjointislarge.Withincreasingthethicknessofreinforcedringplate,thebearingcapacityofjointobviouslyincreases.However,whenthethicknessofreinforcedringplateincreasestoacertainlimitvalue,thebearingcapacitykeepsbasicallyunchanged.Thereinforcementformswithreinforcedplateandribcanobviouslyimprovethestiffnessofjoint,andmakethefailureofsteelbeamaheadofthatofjoint,whichcanrealizetheseismictargetofstrongjointandweekmember.

concretefilledsteeltube;jointwithoutsideenforcedring;finiteelement;steelstrength;concretestrength;axialcompressionratio;bearingcapacity;strongjointandweekmember

2015-09-21.

沈陽市科技計劃項目(F13-316-1-43).

魏華(1973-)，女，山西交城人，副教授，博士，主要從事結構工程等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.03.21

TU398.9

A

1000-1646(2016)03-0355-06

*本文已于2016-03-02 16∶42在中國知網優(yōu)先數(shù)字出版. 網絡出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1642.010.html