長細比對CFRP約束鋼管混凝土柱偏心受壓力學性能的影響研究

于 洋， 劉占宇， 梅寶瑞， 張云峰

（東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江大慶 163318）

鋼管混凝土的使用早在19世紀80年代就已經出現，由于三向受壓機理，鋼管對其有可靠的緊箍作用，從而使其縱向抗壓承載力相比較普通素混凝土柱而言有了大幅度的提高. 同時，鋼管混凝土柱具有耐久性、耐腐蝕性及施工簡便等優(yōu)點，使其在實際工程中得到了廣泛應用［1-6］. 由于它優(yōu)于其他柱的力學性能，更高的承載力、更好的延性、更久的使用壽命，已然成為我們對于鋼管混凝土柱提出的新要求. CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）約束鋼管混凝土柱即是在這樣的背景下產生的，其構造為在鋼管約束混凝土柱基礎上外包一層CFRP布，不僅可提高對構件的約束作用，還可以增強其延性、耐久性以及耐腐蝕性，將CFRP布與鋼管混凝土柱的優(yōu)點完美地結合起來，高效實用［7］.

國內外研究FRP的應用及受力性能的相關文獻有很多，比如FRP加固混凝土梁、柱；爆炸荷載下鋼筋混凝土結構動力響應；FRP加固鋼筋混凝土梁的抗剪性能［8］等，但CFRP鋼管混凝土方向的相關研究相對較少.國外近年研究中，Sundarraja等［9］通過實驗分析單向CFRP在彎曲處的方形鋼管混凝土截面外部加固適用性，研究了CFRP對鋼管混凝土截面彎曲性能的影響. Alam等［10］為研究合適的強化技術，以最小化車輛與結構柱碰撞引起的傷亡和經濟損失，評估汽車CFRP加強全尺寸鋼管混凝土（CFST）柱在車輛撞擊下的影響. 國內研究中，2013年呂仲亮［11］對鋼筋FRP管混凝土偏心受壓構件進行模擬分析，分析了初始偏心距、混凝土強度、配筋率、長細比對偏心受壓混凝土組合構件性能的影響，得出偏心受壓組合柱的破壞部位均發(fā)生在其中下部，組合柱所承受荷載的初始偏心距越大，FRP管的約束越弱；組合柱的核心混凝土強度越大，FRP管的約束作用越弱；組合柱的縱筋配筋率越大，FRP管的約束作用越不明顯；長細比越大，FRP管的約束作用越強.孔令鵬［12］通過24個CFRP管約束混凝土柱的軸心受壓試驗，以纖維布鋪設角度、管壁厚度、混凝土強度等級為試驗參數. 并對試驗構件進行數值分析，對承載力計算公式進行修正.

目前，CFRP組合柱方向的研究多集中為對軸心受力構件的研究［13-14］，而偏心受壓的情況更符合組合柱實際受力狀態(tài). 本文即是研究偏心壓力作用下長細比對CFRP約束鋼管混凝土柱的受力性能的影響. 通過控制鋼管約束效應系數、偏心率、CFRP 約束效應系數和混凝土強度等參數保持不變的情況下，對長細比進行調整，分析研究長細比變化對偏心受壓CFRP約束鋼管混凝土柱的應力分布，荷載-位移曲線變化及極限承載力產生的影響，為同類研究和工程實際應用提供數據參考.

1 模型驗證

為保證數值模型的準確性和普適性，對文獻［15］試驗中的4組工況進行了模擬，模擬分析各工況破壞模態(tài)、荷載撓度曲線等. 并與試驗結果進行了對比分析，對所建立模型的正確性進行驗證.

1.1 構件本構關系

CFRP 為各向異性材料，在組合柱中主要起套箍作用，對于環(huán)向CFRP，通常只承受纖維方向拉應力，本構關系采用如圖1（a）所示正比線性關系. 鋼筋的本構關系如圖1（b）所示，屈服準則采用Von Mises 屈服準則［16-17］. 混凝土的本構，在ABAQUS中有三種，第一種是脆性開裂模型（Brittle cracking）、第二種是彌散開裂模型（Smeared crack）、第三種是塑性損傷模型（Plasticity damage），而在國內的幾種代表性曲線中［14，18］，鑒于本文的情況，選用余志武、丁發(fā)興的本構關系進行分析，見圖1.

圖1 各構件的應力-應變關系Fig.1 Stress-strain relationship of each component

1.2 模型建立及邊界條件設置

借鑒徐亞豐［19］鋼骨-圓鋼管高強混凝土柱偏心受壓分析建立組合柱分析模型，在柱上下底面分別施加兩個剛性墊板，并與柱通過加載線耦合，如圖2（a）所示. 對柱頂參考點約束x、y方向位移，在參考點上施加z方向位移荷載，對柱底參考點約束x、y、z三個方向位移，如圖2（b）、（c）所示.

圖2 各構件邊界條件Fig.2 Boundary conditions of each component

1.3 網格劃分

在網格劃分過程中，考慮到網格劃分過于稀疏，導致計算結果模糊，不精確；同時，如果網格劃分過密，則浪費時間，還有可能導致不收斂. 通過不斷調整網格尺寸，取兩次分析結果相差較小網格大小，對組合柱和剛性端頭進行網格劃分，設置全局單元尺寸為0.1，各部件網格劃分如圖3所示.

1.4 模型驗證

1.4.1 破壞模態(tài)對比分析破壞模態(tài)對比分析，圖4（a）為試驗CFRP 約束鋼管混凝土柱的典型破壞模態(tài)，圖4（b）為模擬破壞模態(tài)，通過對比可知其破壞模態(tài)基本一致.

1.4.2 荷載-撓度曲線對比分析 由試驗工況［20］，對數值模型CFRP 約束鋼管混凝土柱進行偏心受壓計算，繪制荷載-柱中撓度曲線，與試驗荷載-撓度曲線對比如圖5 所示，兩條曲線趨勢基本一致，數值分析結果與試驗結果吻合較好.

圖3 各構件網格劃分Fig.3 Meshing of each component

圖4 CFRP約束鋼管混凝土柱破壞模態(tài)對比Fig.4 Comparison of failure modes of CFRP-confined concrete-filled steel tubular columns

圖5 荷載-柱中撓度曲線對比Fig.5 Load-column deflection curves comparison

2 長細比對組合柱力學性能影響分析

2.1 構件設計分組

分析構件分為D、E、F、G 共計4組，各組內鋼管約束效應系數、偏心率、CFRP 約束效應系數和混凝土強度等參數保持不變，組內對長細比進行調整，分別為22.4、28 和36；保持其他參數不變，D、E、F、G各組試件鋼管約束效應系數εs不同，分別為0.59、0.8、1.01 和1.23.各組試件具體參數，如表1所示.

2.2 應力云圖分析

對各組試件進行應力分析，不同加載階段，四組試件呈現相似的應力分布變化規(guī)律，以D組試件達到極限承載應力云圖為例進行闡述說明，如圖6所示.

表1 構件分組Tab.1 Component grouping

圖6 D組試件各組成部分應力云圖Fig.6 Stress cloud diagram of each component of group D test piece

CFRP最大等效應力出現在柱中受壓一側，達到最大應力強度，長細比對CFRP最大應力影響不大. 對于鋼管，柱中受壓一側壓應力整體較大，均達到屈服強度，進入屈服階段. CSCC-1、CSCC-5、CSCC-9三個試件中鋼管的最大等效應力值分別為339、331、327 MPa. 隨著長細比的增加，鋼管的最大等效應力值降低，即隨著長細比的提高鋼管的套箍作用減弱. 混凝土最大軸向應力值集中出現在軸向壓力較近一側柱中位置，分別為88.2、74.4、65.0 MPa，隨著試件長細比的增加，承載能力有所降低. 主要原因為隨著長細比的增加，鋼管套箍作用較弱，穩(wěn)定臨界力也有所下降.

2.3 荷載-位移曲線分析

D、E、F、G組軸向荷載-撓度曲線見圖7，可知，不同鋼管約束效應系數情況，荷載-撓度曲線形式基本一致. 現以D組試件，εs=0.59 為例，如圖7（a）所示，長細比為22.4、28、36的試件達到極限承載力時對應的撓度分別為24.41、28.11、37.33，試件剛度值隨長細比增加逐漸降低，隨長細比增加，撓度增長較快，穩(wěn)定性變差，最終破壞變形較大.

圖7 不同長細比荷載-撓度曲線對比圖Fig.7 Comparison of different slenderness ratio load-deflection curves

2.4 極限承載力分析

隨長細比增加，各組試件極限承載能力變化情況，見表2. 在鋼管約束效應系數εs、偏心率、CFRP約束效應系數εcf、混凝土強度相同條件下，僅隨長細比增加，極限承載力下降，CSCC-5的極限承載力比CSCC-1降低了10.7%，CSCC-9的極限承載力比CSCC-5降低了11.5%，承載力降低幅度略有所下降，D、E、F、G組的降低幅度大致相同. 圖8 為長細比與極限承載力對應關系圖，可以看出隨長細比增加，曲線斜率絕對值變小，即在試件設計參數范圍內，隨長細比增加承載能力降低，但降低幅度減小. 為更好反映極限承載力與鋼管約束效應系數及長細比參數之間的關系，繪制三維關系，如圖9所示.

表2 各組試件極限承載能力變化情況統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of changes in ultimate bearing capacity of each group of test pieces

圖8 長細比λ-極限承載力N對應關系Fig.8 Correspondence relationship between slenderness ratio λ-ultimate bearing capacity N

3 結論

利用ABAQUS軟件數值模擬12根CFRP約束鋼管混凝土組合柱，在鋼管約束效應系數εs、CFRP約束效應系數、偏心率等相同條件下，研究不同長細比對組合柱偏心受壓力學性能的影響，研究結果表明：

1）長細比對CFRP最大應力影響不大. 對于鋼管，柱中受壓一側壓應力整體較大，均達到屈服強度，進入屈服階段. 隨著長細比的增加，鋼管的最大等效應力值降低，鋼管套箍作用減弱. 混凝土最大軸向應力值集中出現在軸向壓力較近一側柱中位置，隨著試件長細比的增加，構件承載能力有所降低.

2）由各組試件軸向荷載-撓度曲線關系可知，不同鋼管約束效應系數情況下，荷載-撓度曲線形式基本一致. 試件剛度值隨長細比增加逐漸降低，隨長細比增加，撓度增長較快，穩(wěn)定性變差，最終破壞變形較大.

3）在其他有可能影響組合柱性能的條件不變的前提下，隨長細比增加，組合柱極限承載力下降，但降低幅度逐漸變緩，趨勢也是基本一致的，柱子在偏心受力的過程中，截面的應力分布始終是不均勻的，緊箍力也是不均勻的，CFRP約束了鋼管的塑性流動，延緩了截面塑性區(qū)的發(fā)展，增加了構件剛度，對構件的承載力具有提高作用.