長細(xì)比對CFRP-鋁合金管混凝土柱軸壓性能影響研究

劉 軍

(江蘇省南京工程高等職業(yè)學(xué)校，南京 211101)

1 概述

海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，對海島基礎(chǔ)設(shè)施的耐腐蝕性能和建設(shè)速度提出了更高要求。防腐手段之一就是使用耐腐蝕材料對結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，隔絕氯離子的侵蝕，其中就包括鋁合金。鋁合金作為一種輕質(zhì)、高強(qiáng)且耐腐蝕材料被廣泛應(yīng)用于建筑工程中[1-2]。

目前，部分學(xué)者對鋁合金管混凝土(CFAT)柱的力學(xué)性能開展了研究。例如，劉玉強(qiáng)[3]對5個(gè)鋁合金混凝土短柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)和有限元分析，結(jié)果表明，鋁合金管混凝土短柱具有較高的強(qiáng)度、極限承載力及良好的延性性能，同時(shí)鋁合金管約束效應(yīng)系數(shù)、試件含鋁率和核心混凝土強(qiáng)度等級等參數(shù)對試件承載力大小有影響。ZHOU等[4]對鋁合金方管混凝土柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，結(jié)果表明，鋁合金方管對混凝土的約束性較差，并提出了相應(yīng)的承載力計(jì)算方法。

然而部分研究表明，鋁合金的彈性模量約為碳鋼的1/3，導(dǎo)致鋁合金管對混凝土的約束能力較差，不適用于某些重載結(jié)構(gòu)，限制了其發(fā)展[5]。因此，有些學(xué)者提出了采用輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維增強(qiáng)材料(CFRP)增強(qiáng)鋁管的約束。CHEN等[6]對18根CFRP鋁合金復(fù)合管約束海砂海水混凝土柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，楊虓宇等[7]對9根CFRP鋁合金管混凝土柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，結(jié)果均表明，CFRP能大幅提高鋁合金管對核心混凝土的約束。

對于CFRP-鋁合金管混凝土柱的研究仍然較少且集中于短柱試驗(yàn)，長細(xì)比對于柱的影響較大，較大的長細(xì)比會(huì)導(dǎo)致柱發(fā)生失穩(wěn)。因此，為進(jìn)一步推進(jìn)該種組合柱的研究和應(yīng)用，使用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行不同長細(xì)比、鋁合金管強(qiáng)度和CFRP層數(shù)的參數(shù)分析，旨為科學(xué)研究及工程應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)概況

選取文獻(xiàn)[7]中4根不同CFRP層數(shù)的試件進(jìn)行有限元建模分析，所有試件高度L均為390 mm，鋁合金管直徑D為130 mm，厚度為3 mm，CFRP厚度n分別為0、1、2、3層。由于鋁合金材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同于普通碳鋼，沒有明顯屈服平臺，因此選取其非比例極限強(qiáng)度作為其名義屈服強(qiáng)度fy，fy=264.2 MPa，極限強(qiáng)度fu=272.2 MPa，彈性模量E=677 842 MPa；所用C50混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為55.2 MPa；CFRP抗拉強(qiáng)度ftk=3 121 MPa。

3 有限元模型

3.1 材料屬性

1)混凝土

本文采用2020版ABAQUS中的混凝土塑性損傷模型(CDP)[8]，混凝土單元采用精度較高的三維八節(jié)點(diǎn)六面體C3D8R實(shí)體單元，本構(gòu)關(guān)系取用GB50010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中所提出的單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線：

(1)

(2)

式中：

fc、εc——分別為混凝土極限壓應(yīng)力、應(yīng)變；

αa、αd——分別為上升段、下降段參數(shù)，按規(guī)范[9]取用。

2)鋁合金

以往研究表明，鋁合金材料性能與普通碳素鋼相比，在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上無屈服階段，因此選取RambergOsgood提出的鋁合金本構(gòu)方程[6，10-14]。

3)CFRP

CFRP采用漸進(jìn)損傷Hashin-Damage本構(gòu)模型[15-17]。全局網(wǎng)格采用10 mm，以保證較高的計(jì)算精度及計(jì)算效率，模型建立完成如圖1所示。

a 混凝土 b CFRP

c 鋁合金管 d 模型建立完成圖1 各部件模型及網(wǎng)格示意

3.2 相互作用

鋁合金管與混凝土之間采用“面-面接觸”，法向采用“硬”接觸，切向采用“罰”函數(shù)，摩擦系數(shù)取0.3[6]。為便于計(jì)算收斂，在試件上下表面通過“tie”各約束一塊鋼板，在下鋼板表面設(shè)置參考點(diǎn)RP-1，并將參考點(diǎn)RP-1與鋼板進(jìn)行“couple”，便于設(shè)置軸向荷載與邊界條件。

3.3 邊界條件及加載方式

根據(jù)文獻(xiàn)[7]中試驗(yàn)加載的裝置，約束試件下部3個(gè)方向的位移及轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬試件下部完全固定狀態(tài)，并在耦合參考點(diǎn)RP-1處施加與試驗(yàn)一致的軸向位移。

3.4 模型驗(yàn)證

有限元模擬與文獻(xiàn)[7]中試驗(yàn)的荷載—位移曲線對比如圖2所示。由圖2可見，有限元模擬得到的荷載-位移與試驗(yàn)基本吻合，承載力在CFRP斷裂后達(dá)到峰值，隨后快速下降。試件的破壞模式與模擬結(jié)果對比如圖3所示，通過Hashin-Damage損傷云圖觀測CFRP的斷裂，發(fā)現(xiàn)模型良好地還原CFRP斷裂，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。模擬及試驗(yàn)曲線的彈性極限點(diǎn)、峰值點(diǎn)的荷載對比見表1所示，由表1可見，特征點(diǎn)的荷載誤差基本在5%以內(nèi)，試驗(yàn)極限承載力與有限元模擬值之比為1.035。說明建立的有限元模型能夠較好反映CFRP-鋁合金管混凝土柱軸壓性能。

a 試驗(yàn)結(jié)果

b 損傷云圖圖3 破壞形態(tài)對比示意

表1 模擬與試驗(yàn)特征點(diǎn)對比

4 應(yīng)力分析及拓展研究

4.1 應(yīng)力分析

圖4為混凝土、鋁合金管、CFRP在峰值荷載時(shí)應(yīng)力云圖。由圖4可見，在峰值荷載時(shí)，混凝土上端頭部分的mises應(yīng)力達(dá)到了71.7 MPa，遠(yuǎn)大于所輸入的本構(gòu)應(yīng)力，說明CFRP-鋁合金管為核心混凝土提供了較強(qiáng)的約束。對于鋁合金管，除了端頭部分因應(yīng)力集中而導(dǎo)致應(yīng)力過大外，最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在上端部，與混凝土應(yīng)力最大處位置一致，此時(shí)應(yīng)力為85.8 MPa，表明此時(shí)鋁合金尚未屈服。對于CFRP，在峰值荷載時(shí)發(fā)生了斷裂，表明CFRP-鋁合金管混凝土柱的破壞特征是CFRP的斷裂導(dǎo)致，在CFRP斷裂的一瞬間鋁合金管發(fā)生屈服，對核心混凝土產(chǎn)生二次約束，避免了脆性破壞，即荷載-位移曲線的殘余段為鋁合金發(fā)揮作用。

c CFRP應(yīng)力云圖圖4 各部件峰值荷載時(shí)的應(yīng)力云圖

4.2 參數(shù)分析

選取荷載-位移曲線及破壞形態(tài)吻合程度較高的試件C50D130-1作為基準(zhǔn)模型，建立12個(gè)試件，分別討論鋁合金管強(qiáng)度fy，試件高度L和CFRP層數(shù)n對CFRP鋁合金管混凝土柱抗震性能的影響。各模型參數(shù)及結(jié)果見表2所示，表中長細(xì)比λ=L/D。

圖5為各試件荷載—位移(P～Δ)曲線對比。通過對比不同變化參數(shù)可見，隨著鋁合金管強(qiáng)度的增大，荷載—位移曲線逐漸向上方移動(dòng)，表明鋁合金管強(qiáng)度對軸壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較大；而隨著長細(xì)比的增大，曲線斜率和承載力逐漸減小，這是因?yàn)殚L細(xì)比增大使二階效應(yīng)明顯，故試件出現(xiàn)整體失穩(wěn)。在較大長細(xì)比下，提高CFRP層數(shù)可以明顯提高CFRP-鋁合金混凝土柱的軸壓剛度和極限承載力。

a 鋁合金管強(qiáng)度的影響

b 長細(xì)比的影響

c CFRP層數(shù)的影響圖5 荷載—位移曲線示意

表2給出所有試件的極限承載力，通過對比不同變化參數(shù)可得到如下結(jié)論：

1)隨著鋁合金管強(qiáng)度的增大，試件的極限承載力呈逐漸增大，與fy=264 MPa的試件相比，fy為300 MPa、350 MPa、400 MPa、450 MPa的試件的極限承載力分別增大4.9%、8.2%、12.7%、17.1%。整體上看，fy每增大50 MPa，試件的極限承載力增大3%～5%，且在更高強(qiáng)度時(shí)提升更明顯，根據(jù)內(nèi)部應(yīng)力云圖的觀察發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)殇X合金管強(qiáng)度的增大能提高對核心混凝土的約束性，彌補(bǔ)彈性模量較小的缺點(diǎn)，從而提高承載力。

2)隨著長細(xì)比的增大，試件的極限承載力逐漸降低，與λ=3的試件相比，λ為6、9、12、15的試件的極限承載力分別降低2.1%、4.1%、6.3%、8.9%，說明長細(xì)比是影響CFRP-鋁合金管混凝土柱軸壓穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。這主要是因?yàn)?，長細(xì)比的增大會(huì)導(dǎo)致試件出現(xiàn)附加彎矩，整體出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，因此有必要進(jìn)行一個(gè)量化分析。規(guī)范中[8]，對于柱軸壓承載力計(jì)算的方法中，穩(wěn)定系數(shù)φ是一個(gè)削弱系數(shù)，與長細(xì)比λ有直接關(guān)系，φ為不同長細(xì)比試件極限承載力與短柱試件極限承載力的比值。通過Origin進(jìn)行最小二乘法擬合出兩者關(guān)系，擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比見圖6，φ=-0.007 2λ+1.02，相關(guān)系數(shù)R2=0.995，說明擬合結(jié)果吻合較好。

圖6 穩(wěn)定系數(shù)φ與長細(xì)比λ的關(guān)系示意

3)隨著CFRP層數(shù)的增大，CFRP-鋁合金混凝土柱的極限承載力逐漸增大，相較于CFRP層數(shù)為1層的試件，CFRP層數(shù)為2、3、4層試件的極限承載力分別提高了10.1%、15.2%、19.1%。說明CFRP層數(shù)的提高對CFRP-鋁合金柱的軸壓性能有顯著提升，其中在1～3層時(shí)提升較為明顯。

5 結(jié)語

1)對混凝土、鋁合金管、CFRP進(jìn)行應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，該種組合柱的破壞特征為CFRP的斷裂，在CFRP斷裂之前鋁合金管尚未屈服，達(dá)到峰值點(diǎn)后鋁合金發(fā)揮約束作用，其塑性避免了組合柱的脆性破壞。

2)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著鋁合金管強(qiáng)度增大，試件的極限承載力提高范圍在20%內(nèi)，鋁合金管強(qiáng)度的增大提高了對核心混凝土的約束性，彌補(bǔ)了彈性模量較小的缺點(diǎn)。

3)試驗(yàn)范圍內(nèi)，長細(xì)比的增大導(dǎo)致試件出現(xiàn)整體失穩(wěn)，軸壓剛度降低明顯，極限承載力退化在10%以內(nèi)。長細(xì)比為3～15之間時(shí)，通過最小二乘法擬合出穩(wěn)定系數(shù)與長細(xì)比的計(jì)算關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.995。

4)隨著CFRP層數(shù)的提高，試件的軸壓承載力逐漸增大，最大提高了19.1%，CFRP層數(shù)在1～3層時(shí)承載力提升較明顯。