GFRP管鋼骨高強混凝土軸心受壓柱力學(xué)性能有限元分析

李 檀, 周 樂

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

GFRP管鋼骨高強混凝土柱是由3種不同材料組合而成,即由GFRP管-高強混凝土-工字形型鋼組合形成的軸壓受力試件。該組合試件在鋼骨高強混凝土試件的基礎(chǔ)上增加了按照特定角度纏繞的GFRP管,通過GFRP管對混凝土的約束作用進一步提升了原試件結(jié)構(gòu)的承載力。GFRP作為一種新型材料,因其強度高、質(zhì)量輕、可塑性強的特點作為傳統(tǒng)建材的一個重要補充,被賦予了較高期望[1]。但目前我國對于這種新型組合試件的理論研究還需完善,因此用有限元模擬對試件進行力學(xué)性能模擬是必要的。

ABAQUS有限元分析作為建筑物安全性評估的重要手段,可根據(jù)擬建工程與相鄰建筑物信息、相互關(guān)系、圍巖條件及附加載荷,結(jié)合定性分析進行有限元數(shù)值模擬計算,并可根據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形和內(nèi)力變化情況,定量分析擬建工程對相鄰建筑物的安全性影響[2]。本文結(jié)合相關(guān)文獻的研究成果,通過ABAQUS有限元分析軟件還原建立了GFRP管鋼骨高強混凝土的軸向承載力有限元模型,并與已有試驗結(jié)果進行對比,證明模擬分析的正確性。

1 有限元模型的建立

本文模擬的試件外徑為200 mm,柱高為600 mm,混凝土強度等級為C70,鋼骨采用I10號工字鋼,各試驗柱主要參數(shù)見表1,模型如圖1所示。其中工字鋼和混凝土建立為實體拉伸模型并嵌套裝配,組合前對混凝土模型進行切削拉伸處理。GFRP管建立為殼體拉伸模型并與實體模型嵌套裝配,采用殼體類型的好處是方便對比修改模型中GFRP試件的厚度。

1.1 材料本構(gòu)關(guān)系

在有限元軟件模擬步驟中,建立材料本構(gòu)關(guān)系模型是整個環(huán)節(jié)的核心步驟,需要建立準確且適合所要模擬分析的對象,充分了解分析材料的性能、試件本身的特性、有限元方法基礎(chǔ)以及軟件本身的計算方法等[3]。本文數(shù)值模擬計算中所使用的混凝土本構(gòu)關(guān)系模型采用了文獻[4]試驗測得的C70混凝土材料性能試驗數(shù)據(jù)與Kent-Park三階段混凝土塑性損傷模型(壓縮損傷)[5],這是一種足夠成熟的用來分析混凝土結(jié)構(gòu)在動載荷下的分析模型,能夠滿足本次模擬的需要,模型數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。工字鋼彈塑性為各向同性,選用了與原有材性試驗接近的Q355高強鋼國家標準值來減少試驗誤差。GFRP殼體的本構(gòu)關(guān)系尚難有足夠成熟完善的模型,本文參照了文獻[6-9]提出的FRP約束混凝土圓柱體的強度計算簡化模型,模擬結(jié)果和已有試驗結(jié)果吻合良好,GFRP材料性能如表2所示。

1.2 接觸模型的建立

本文討論的接觸關(guān)系主要是GFRP纖維、混凝土及工字鋼之間的接觸關(guān)系,其黏結(jié)滑移對模擬結(jié)果影響不大,故本文在組合框架的有限元建模過程中不考慮GFRP纖維、鋼骨與混凝土之間的黏結(jié)滑移[10]。采用平截面基本假定,在允許的范圍內(nèi)采用了比較簡化的接觸關(guān)系。GFRP管殼體與混凝土之間的接觸關(guān)系有切向與法向,切向選用了摩擦系數(shù)為0.2的各向同性的摩擦接觸,法向選用了允許接觸后分離的硬接觸,其余選項皆為軟件默認值,鋼骨與混凝土之間的接觸關(guān)系采用嵌入處理。

1.3 單元選取

模擬中混凝土和工字鋼均采用8節(jié)點減縮積分格式的線性六面體單元,即C3D8R實體單元,其中“C”代表應(yīng)力-位移實體單元,“3D”代表實體單元是三維維數(shù),“8”代表單元的節(jié)點數(shù)目,“R”代表減縮積分,當(dāng)單元具有規(guī)則形狀時,所使用的Gauss積分點的數(shù)目足以對單元剛度矩陣中的多項式進行精確積分[11]。外層GFRP管采用4節(jié)點減縮積分格式的符合材料殼單元,即S4R殼單元,這種單元的特點是允許橫向剪切變形,是通用殼單元的一種。

1.4 網(wǎng)格劃分

在有限元模型的建立中,網(wǎng)格的劃分尤為重要,本文模擬的網(wǎng)格劃分考慮到混凝土內(nèi)置工字鋼的影響,選用了自由網(wǎng)格劃分,自由網(wǎng)格劃分具有更大的靈活性,且對劃分時結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀要求不高[12],具體劃分如圖3所示。

2 有限元模型驗證

圖4為試件GSC1的有限元模擬與試驗結(jié)果,從圖中可以看出,無論在彈性階段還是彈塑性階段,二者的承載力變化曲線吻合良好。

圖5～圖8為試件應(yīng)力云圖,從圖中可以看出,各材料之間保持著較好的協(xié)同關(guān)系,試件的最終破壞模式為端部局部屈曲破壞[4],且破壞時試件均未坍塌,證明了有限元模型的正確性。

3 參數(shù)分析

通過圖5～圖7的對比可以看出,在3個試件中鋼骨的破壞形態(tài)最為相近,鋼骨的形變直觀地反映了載荷的增加。而混凝土破壞形態(tài)的差異反映了參數(shù)改變對模擬模型破壞結(jié)果的影響, GFRP管對于混凝土形變有一定約束作用。

3.1 GFRP管壁厚度

從模擬試驗結(jié)果來看,壁厚為5 mm的試件GSC2極限承載力大于壁厚為3 mm的試件GSC3的極限承載力,即隨著GFRP管壁厚度增加,試件的極限承載力和軸向極限應(yīng)變都有所提高,即代表GFRP管提供的側(cè)向約束更強[13]。為了進一步驗證這一假設(shè),將管壁厚度為7 mm、其余參數(shù)與GSC2、GSC3相同的試件GSC4的數(shù)據(jù)輸入模型中,得到的承載力與試件GSC2、GSC3承載力變化曲線如圖9所示。在試件加載的彈性階段模擬數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)吻合良好,但在屈服階段,試件GSC4的極限承載力明顯大于GSC1和GSC2的極限承載力,且3組數(shù)據(jù)之間極限承載力提升幅度符合線性分布,證明了管壁厚度對試件核心承載力提高具有積極的影響。

圖10 試件GSC1與GSC3承載力變化曲線

3.2 GFRP管纖維纏繞角度

模擬不同纖維纏繞角度主要依靠改變GFRP殼體Hashin損傷模型中不同方向的纖維強度來實現(xiàn),在此操作下得到的試件GSC1和GSC3承載力變化曲線如圖10所示。從圖中可以看出,初始階段纏繞角度較小的試件GSC1與試件GSC3相差不大,但試件GSC1的極限承載力卻高于試件GSC3。這是因為在施加載荷的初期,GFRP管的約束作用表現(xiàn)并不明顯,直到進入彈塑性階段,GFRP管的約束能力才開始發(fā)揮作用。由此可知,纏繞角度較小,即越接近環(huán)向纏繞的試件環(huán)向緊箍力越強,對混凝土有著更好的約束能力。

3.3 模型破壞形態(tài)

通過對圖4、圖5模型破壞形態(tài)與承載力變化曲線的分析可知,GFRP管的破壞出現(xiàn)在載荷達到極限載荷的60%左右,而直至載荷達到極限載荷的80%左右,模型的承載力才進入屈服階段,這說明在此期間GFRP管通過約束作用對混凝土施加了環(huán)向的緊箍力,從而使混凝土處于三向受力狀態(tài),提高了模型的承載力。

4 結(jié) 論

1) 有限元模擬結(jié)果與文獻試驗結(jié)果吻合良好,證明了GFRP管鋼骨高強混凝土軸壓模型的正確性。

2) GFRP管鋼骨高強混凝土軸心受壓試件的承載力隨著GFRP管壁厚度的增大而增大,隨纏繞角度的增大而減小。

3) 通過對模型破壞形態(tài)和數(shù)據(jù)曲線的分析可知,GFRP管通過約束作用使混凝土處于三向受力狀態(tài),抑制了混凝土的形變,達到提高承載力的效果。