GFRP管混凝土柱滞回性能分析①

周 岩 王 鹏， 姚丽娜， 管海伟， 周新雨

(1.中国石油大庆石化公司矿区服务事业部工程管理部，黑龙江 大庆 163714;2.大庆油田有限责任公司井下作业分公司，黑龙江 大庆 163453;3.大庆油田公共汽车公司，黑龙江 大庆 163316;4.东北石油大学，黑龙江 大庆 163316)

0 引言

目前，对于GFRP研究主要是关于GFRP布加固试件在低周往复荷载作用下的抗震性能，王吉忠等人[1]进行了CFRP约束高强混凝土柱的抗震性能研究，Masukawa等[2]进行了采用不同的FRP材料加固对钢筋混凝土柱滞回性能的影响，本文探讨其在地震作用下的强度、刚度和延性等力学性能的变化规律，具有重要的现实意义.

1 分析模型

本文采用的GFRP管混凝土柱，GFRP管的外径为210mm，内径为200mm，壁厚为5mm，纤维铺设角度为57.5°.轴压比为0.4，混凝土的立方体抗压强度为31.4MPa，柱的箍筋采用HPB235，取A8@150.纵向钢筋采用 HRB335，取6B12.表1和表2为分析材料的基本力学性能指标.

表1 钢筋力学性能表

表2 GFRP管的材料力学性能表

G F R P管630 24610 0.5

本文在模拟时，先在试件顶端施加轴力，并且在模拟过程中一直不变.然后在试件顶部施加水平方向的低周反复荷载.采用位移控制方式来加载，试件屈服进入塑性阶段后，每一位移循环三次.

2 分析结果

2.1 有限元模拟结果的验证

表3 计算数据与试验结果对比

由表3可以看出，有限元分析结果与试验结果[3～4]的误差在12%以内，即有限元模型可以对FRP管混凝土柱的极限承载力进行很好的模拟.

2.2 不同轴压比下的滞回性能分析

滞回曲线的横坐标为FRP管混凝土柱顶端x方向的水平位移△/mm，纵坐标为与之对应的水平恢复力P/KN.图1为采用有限元软件ANSYS模拟的构件在低周往复荷载作用下的滞回曲线.

工况一:轴压比分别为 0.3，0.5，0.7，长细比为25，径厚比为30.

图1 轴压比不同，长细比为25，径厚比为30

由图1可知:构件在弹性范围内加载时，FRP管混凝土柱滞回曲线所围成的面积近似为零，即构件没有塑性变形，曲线为一条通过原点的直线，变形为弹性应变，能量基本没有消耗;构件屈服后进入塑性阶段，此时对于同一应变幅值位移加载，随着加载次数的增加，构件的承载力逐渐下降，往复加载使构件的强度降低.随着径厚比的增大，试件的极限承载力逐渐下降，高轴压比对径厚比的影响较大，轴压比为0.3时，随着径厚比的增大，试件极限承载力下降的幅度比轴压比为0.7时要小.滞回曲线包络线所围的面积越来越小，试件的耗能能力降低，抗震性能降低.

2.3 不同长细比下的滞回性能分析

工况二表示构件在轴压比、径厚比一定的情况下，长细比不同时，构件的滞回性能状况.:长细比为25，35，45，轴压比为0.3，径厚比为30.如图2 所示.

图2 长细比不同，轴压比为0.3，径厚比为30

图3 径厚比不同，轴压比为0.3，长细比为25

从图中可知:构件在弹性范围内加载时，FRP管混凝土柱滞回曲线所围成的面积近似为零，即构件没有塑性变形，能量基本没有消耗;构件屈服后进入塑性阶段，此时对于同一应变幅值位移加载，随着加载次数的增加，构件的承载力逐渐下降，构件的强度降低;当长细比增大，在试件顶端发生相同水平位移的情况下，试件的恢复力下降，试件两端能够承受的相对位移增大，试件滞回曲线包络线所围面积反而减小，滞回曲线变得不饱满，试件的耗能能力下降，FRP管混凝土柱的抗震性能下降.

2.4 不同径厚比下的滞回性能分析

工况三表示构件在轴压比、长细比一定的情况下，径厚比不同时，构件的滞回性能状况:径厚比分别为 30，48，80，轴压比为 0.3，长细比为 25.

从图中可以得出:构件在弹性范围内加载时，滞回曲线所围成的面积近似为零，即构件没有塑性变形，能量基本没有消耗;构件屈服后进入塑性阶段，此时对于同一应变幅值位移加载，随着加载次数的增加，构件的承载力逐渐下降;试件随着径厚比的增大，试件的极限承载力逐渐下降，高轴压比对径厚比的影响较大.

2.5 耗能能力对比

本文采用软件origin对前文所模拟试件的滞回曲线所围成的面积进行积分，通过比较各曲线的面积来衡量不同工况下的FRP管混凝土柱的抗震耗能能力，具体计算结果如表4所示.

表4 耗能能力对比

通过表4可以看出，随着试件长细比的增大，试件径厚比的增大，轴压比的增大，试件滞回曲线所包围的面积越来越小，耗能能力越来越弱.

3 结语

本文对FRP管混凝土柱在低周反复荷载作用下的滞回性能进行了分析，可以得到如下结论:

(1)对FRP管混凝土柱进行加载，当加载至屈服之前时，构件的滞回曲线为一条通过原点的直线，滞回曲线所围成的面积近似为零，此时构件对能量的消耗非常小.当试件加载至屈服后，试件开始出现塑性变形，随着往复荷载的不断增加，滞回曲线所包围的面积越来越大，耗能逐渐增大，试件的承载力先增大后来逐渐降低.

(2)试件随着长细比、径厚比、轴压比的增大，滞回曲线所包围的面积逐渐减小.在试件顶部产生同样水平位移的情况下，试件的水平恢复力逐渐降低，滞回曲线变得越来越不饱满，水平恢复力进一步降低，延性退化显著，试件的耗能能力越来越差，抗震性能降低.

参与文献:

[1]王吉忠，杨辉，王苏岩.CFRP加固高强混凝土柱试验及有限元分析.武汉大学学报.2008，41(7):6 －10.

[2]Masukawa，J.，Akiyama，H.，and Saito，H.Retrofit of Existing Reinforced Concrete Piers by Using Carbon Fiber Sheet and Aramid Fiber Sheet[A].Proceedings of the Third International Symposium on Non － Metallic FRP for Concrete Structures[C].Sapporo，Japan，1997.411 －418.

[3]陶忠，于清，韩林海，等.FRP约束钢筋混凝土圆柱力学性能的实验研究.建筑结构学报，2004，25(6):1－10.

[4]Togay Ozbakkalogu and Murat Saatcioglu.Seismic Performance of Square High－strength Concrete Columns in FRP Stay－In－Place Form － Work[J].ASCE，Journal of Structural Engineering，2007，133(1):44 －56.