混凝土強(qiáng)度對GFRP管-混凝土-鋼管組合柱性能的影響

于　洋，　鄔亞濱，　張云峰，　吳殿臣，　朱士偉

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院　黑龍江 大慶 163318)

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混凝土強(qiáng)度對GFRP管-混凝土-鋼管組合柱性能的影響

于洋，鄔亞濱，張云峰，吳殿臣，朱士偉

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院黑龍江 大慶 163318)

為研究軸心受壓下混凝土強(qiáng)度對GFRP管-混凝土-鋼管組合柱的力學(xué)性能的影響規(guī)律，運(yùn)用靜力試驗方法考察了4個構(gòu)件在C30和C40混凝土強(qiáng)度下的受壓能力，并驗證了Ansys軟件所建的模型的正確性.建立3種混凝土強(qiáng)度的有限元模型，對9個構(gòu)件進(jìn)行有限元分析.結(jié)果表明,隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，試件的極限位移和延性都明顯增強(qiáng)，極限承載力顯著提高.

GFRP； 混凝土強(qiáng)度； 靜力試驗； 有限元

0　引言

已有研究表明，GFRP輕質(zhì)高強(qiáng)，具有良好的耐蝕性能和設(shè)計靈活性[1]，可應(yīng)用于一種新型的組合結(jié)構(gòu).目前研究最多的是FRP約束混凝土柱[2]，其在軸心受壓時，GFRP環(huán)向受拉，混凝土受軸向的壓力和GFRP的環(huán)向約束力，這種由FRP和混凝土兩種脆性材料構(gòu)成的組合構(gòu)件在受力時表現(xiàn)出較好的協(xié)同工作的效果[3]，而且可以有效地降低結(jié)構(gòu)重量，提高抗腐蝕能力.但在實際應(yīng)用中，其耐火性能比較差，而且與其他構(gòu)件連接困難，無法承擔(dān)理想的施工荷載.

為了克服GFRP約束混凝土柱所存在的問題，香港理工大學(xué)滕錦光[4-5]提出了“FRP管-混凝土-鋼管組合柱”這種組合形式,即由內(nèi)置空心鋼管、外面采用FRP套管以及兩管之間采用混凝土填充而組成，通過FRP套管對混凝土的環(huán)向約束使核心混凝土處于三向受力狀態(tài)，提高混凝土強(qiáng)度，進(jìn)而提高了構(gòu)件的承載力[6].

GFRP管-混凝土-鋼管組合柱的研究主要側(cè)重于數(shù)值仿真和試驗研究兩方面，本文對構(gòu)件建立了基于Ansys有限元軟件的數(shù)值模擬分析模型和試驗結(jié)果，得出混凝土強(qiáng)度對等效應(yīng)力及極限承載能力的影響規(guī)律.

1　試驗

1.1試件設(shè)計

本文考慮混凝土強(qiáng)度的影響，設(shè)計了4根GFRP管-混凝土-鋼管組合柱.GFRP管內(nèi)徑190 mm，鋼管外徑87 mm，管長600 mm，具體試件參數(shù)見表1.

表1　試件參數(shù)Tab.1　Specimen parameters

1.2測點布置

試驗中的測點主要為應(yīng)變測點和位移測點.縱向鋼筋的應(yīng)變測點布置在鋼筋的中部，GFRP管的應(yīng)變測點布置在GFRP管外表面四等分點處，在各個測點處分別粘貼一個縱向和一個環(huán)向應(yīng)變片，具體布置如圖1(a).

對稱地將一對量程為50 mm的百分表布置在試驗機(jī)下壓板上，同時用計算機(jī)采集系統(tǒng)對構(gòu)件的軸向位移數(shù)據(jù)進(jìn)行實時提取，對兩個百分表所得的數(shù)據(jù)對比和平均后得到構(gòu)件的軸向位移，具體布置如圖1(b).

圖1　測點、測量布置示意圖Fig.1　Schematic diagram of measuring point and measuring arrangement

1.3加載方案

本試驗采用5 000 kN微機(jī)控制液壓伺服壓力機(jī)進(jìn)行單調(diào)軸壓加載[7].加載構(gòu)件前，先預(yù)估試件的極限荷載，然后對試件進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載值為極限荷載值的10 %.正式加載采用荷載控制方式，在達(dá)到預(yù)估極限荷載的70 %之前每級所施加的荷載是預(yù)估極限荷載的1/12，之后，每級所施加的荷載是預(yù)估極限荷載的1/25，且每級荷載保持時間為兩分鐘.當(dāng)接近預(yù)估極限荷載時，逐漸減緩加載速度，直至試件發(fā)生破壞，即GFRP管出現(xiàn)開裂,停止試驗.

2　試驗結(jié)果分析

2.1荷載-應(yīng)變曲線分析

試件的軸向、環(huán)向荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示，曲線變化規(guī)律大致相同.試件施加荷載小于大約1 000 kN時，隨著荷載的施加，軸向和環(huán)向的微應(yīng)變變化均較小，在大于1 000 kN時，環(huán)向和軸向的微應(yīng)變均有較大幅度的增長，并且變化趨勢基本一致，隨著混凝土的膨脹GFRP管對混凝土的約束作用增強(qiáng).由此可知，當(dāng)施加荷載到極限荷載前，試件的荷載-環(huán)向應(yīng)變關(guān)系曲線和荷載-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線均體現(xiàn)出了雙線性特征.

圖2　荷載-應(yīng)變曲線Fig.2　Load-strain curves

2.2荷載-位移曲線分析

試件的荷載-位移關(guān)系曲線如圖3所示，由此可知各試件在加載初期都有一定的調(diào)整期，調(diào)整期之后，GFRP管-混凝土-鋼管組合柱在整個軸心受壓過程中，可以近似地劃分為以下3個階段.

1)彈性階段：在此階段中，試件的荷載-位移曲線表現(xiàn)為一條過原點傾斜的直線段，這表明GFRP管、混凝土、鋼管3者能夠較好地協(xié)同工作，黏結(jié)性能良好.在這階段，軸向荷載主要由混凝土和鋼管所承擔(dān)，GFRP管對構(gòu)件中的核心混凝土的約束效果不明顯，試件外觀無明顯變化.

2)彈塑性階段：隨著荷載的繼續(xù)增加，荷載-位移曲線呈現(xiàn)為非線性曲線.相對于彈性階段，GFRP管、混凝土、鋼管3種材料的協(xié)同工作能力明顯下降，應(yīng)變值出現(xiàn)明顯變化.隨著荷載增加，GFRP管開始發(fā)揮約束混凝土、提高承載力的作用.

3)塑性階段：當(dāng)荷載加到一定程度時，試件的荷載-位移曲線繼續(xù)表現(xiàn)彈性階段的線性變化，只是相比于彈性階段斜率較小.在該階段，構(gòu)件的變形主要是由于塑性的不斷發(fā)展而產(chǎn)生的，所以構(gòu)件的位移比其在彈性階段時要大很多，組合短柱的剛度有明顯的下降，GFRP管對其內(nèi)部的混凝土起到了很大的約束作用.

圖3　試件荷載-位移關(guān)系曲線Fig.3　Load-displacement curve of specimens

2.3混凝土強(qiáng)度對試件的影響分析

結(jié)合文獻(xiàn)[8]，由圖4和表2可知，在GFRP管厚度、鋼管徑厚比和空心率相同的情況下，隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，在徑厚比分別為14.5和29時，試件的極限承載力分別提高了41 %和5 %，試件的彈性工作階段有所增加，試件的極限位移和延性都有明顯的增強(qiáng)，說明混凝土強(qiáng)度等級對構(gòu)件極限承載力影響較大.

表2　試件承載力及延性的對比Tab.2　Comparison of bearing capacity and ductility of specimens

3　有限元分析

3.1有限元模型建立

在應(yīng)用Ansys有限元分析軟件時，混凝土采用Solid65單元，GFRP管采用Shell43單元，鋼管采用Solid45單元，并確定好材料的本構(gòu)關(guān)系、泊松比、彈性模量、密度等[9].GFRP-混凝土-鋼管組合柱模型的建立如圖5所示.

圖4　試件荷載-位移關(guān)系曲線Fig.4　Load-displacement curve of specimen

圖5　組合柱模型Fig.5　Combined column model

圖6　DSTC-1荷載-位移曲線對比圖Fig.6　Comparison of load-displacement curves of DSTC-1

3.2模型驗證

將DSTC-1試件的試驗和有限元荷載-位移曲線進(jìn)行對比.由圖6可以看出模擬曲線和試驗中的曲線逐漸趨近，最后吻合良好.由此可以說明有限元分析方法對該類型問題分析的精確性和可靠性.有限元模型可應(yīng)用于進(jìn)一步分析.

3.3有限元分析

分析混凝土強(qiáng)度對構(gòu)件力學(xué)性能的影響，仿真設(shè)計3組空心率為0.47，徑厚比分別為18、23、30的模型，最大等效應(yīng)力如表3所示.可知混凝土強(qiáng)度為C30時，3種試件混凝土的等效應(yīng)力基本一致，當(dāng)混凝土強(qiáng)度為C45和C60時，混凝土的等效應(yīng)力逐步提高，鋼管的等效應(yīng)力逐漸減小.說明GFRP管-混凝土-鋼管組合柱中，GFRP管對混凝土的約束作用隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高而增強(qiáng),并且徑厚比越大，提高幅度越大.

對比分析各組試件的極限承載力變化規(guī)律，如表4所示,極限承載力與混凝土強(qiáng)度等級增幅近似一致.即混凝土強(qiáng)度等級為C45和C60時，其極限承載力近似為C30的1.5和2倍.當(dāng)混凝土強(qiáng)度相同時，構(gòu)件承載力與徑厚比成反比，徑厚比提高百分比與極限承載力所降低的百分比近似相同.

表3　不同混凝土強(qiáng)度等級的最大等效應(yīng)力Tab.3　Maximum equivalent stress of different concrete strength

表4　各組試件極限承載力Tab.4　The ultimate bearing capacity of specimens in each group

4　結(jié)論

本文對GFRP管-混凝土-鋼管組合柱進(jìn)行了軸心受壓下的試驗及數(shù)值仿真研究，根據(jù)試驗研究和數(shù)值分析結(jié)果，研究構(gòu)件的軸心受壓性能對極限承載能力的影響，即在GFRP管厚度、鋼管徑厚比和空心率相同的情況下，隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，試件的彈性工作階段增加，極限位移和延性都明顯增強(qiáng)，極限承載力得到提高，且當(dāng)徑厚越大，承載力提高幅度越大，說明混凝土等級對試件性能的影響較大.

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[3]郭詩惠,劉浩,張錮.FRP-混凝土復(fù)合橋面板彎曲性能有限元分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2012,44 (1) :121-124.[4]滕錦光，余濤，黃玉龍,等．FRP管-混凝土-鋼管組合柱力學(xué)性能的試驗研究和理論分析[J]．建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2006，8(5):1-7.[5]TENG J G, HUANG Y L, LAM L, et al. Theoretical model for fiber reinforced polymer-confined concrete [J]. Journal of composites for construction ASCE, 2007,11(2): 201-210.

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(責(zé)任編輯：王浩毅)

Affect of Concrete Strength to Mechanical Performance of GFRP-concrete-steel Tubular Composite Columns

YU Yang,WU Yabin,ZHANG Yunfeng,WU Dianchen,ZHU Shiwei

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，NortheastPetroleumUniversity，Daqing163318，China)

In order to study the impact of concrete strength on mechanical properties of GFRP-concrete-steel tubular composite columns under axial compression, the component compression capability of the four components in C30 and C40 concrete strength was examined by using static test method, and the correctness of the model of the Ansys software was also verified. The finite element model of three kinds of concrete strength was established, and the finite element analysis of nine components was carried out. The results showed that with the improvement of concrete strength grade, the limit displacement and the ductility of the specimens were significantly increased, and the ultimate bearing capacity of the specimen was improved significantly.

GFRP; strength of concrete; static test; finite element

2016-03-24

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)項目(12543023).

于 洋(1977—)，男，黑龍江大慶人，副教授，主要從事組合結(jié)構(gòu)的研究,E-mail:676413598@qq.com;通訊作者：鄔亞濱(1991—)，男，黑龍江鶴崗人，碩士研究生，主要從事組合結(jié)構(gòu)研究，E-mail: longqian19910919@163.com．

TU398.9；TU317.2

A

1671-6841(2016)03-0118-06

10.13705/j.issn.1671-6841.2016057

引用本文：于洋，鄔亞濱，張云峰，等.混凝土強(qiáng)度對GFRP管-混凝土-鋼管組合柱性能的影響[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2016,48(3):118-123.