GFRP套管钢筋混凝土轴心受压柱受力性能数值分析

杨龙刚，刘忠，阳舒文，陈叶

（湘潭大学土木工程与力学学院，湖南湘潭411105）

GFRP套管钢筋混凝土轴心受压柱受力性能数值分析

杨龙刚，刘忠，阳舒文，陈叶

（湘潭大学土木工程与力学学院，湖南湘潭411105）

利用有限元分析软件ANSYS，采用数值模拟的方法对GFRP套管钢筋混凝土轴心受压柱的受力性能进行了分析，分析结果与试验结果吻合较好，证明所建立的三维有限元模型是有效的。利用该模型，对GFRP套管钢筋混凝土轴心受压柱进行了受力机理分析以及套管厚度、混凝土强度、长细比等因素对构件受力性能的影响。分析结果表明，合理地选择数值模拟分析模型，并选择合适的参数，可以较好地预测轴压下GFRP套管钢筋混凝土柱的力学性能。

玻璃纤维；轴压；非线性分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.007

1　引言

日本学者Tomii等人首次提出在钢筋混凝土柱中采取钢管作为主要的横向增强这一概念[1，2]。在1985年，我国学者肖岩等人首次提出“套管柱”这一概念，套管柱是指套管柱中套管与混凝土柱中的箍筋的作用类似。在这一方面,套管柱显然与传统钢管混凝土柱(CFT)[3]不同。套管柱中套管主要对核心混凝土起横向约束作用，纵向不直接承受荷载,而在传统的钢管混凝土柱中,钢管在纵向这个方向直接承受荷载。由于GFRP（玻璃纤维增强材料）具有很高的耐腐蚀性，该构件主要用于是预应力结构和防腐要求较高的工程结构，以代替钢筋及其他形式的增强作用。套管柱能够提高柱的延性和承载力，增强纵向钢筋与混凝土之间黏结，防止套管压屈等优点。

本文运用非线性分析程序ANSYS，考虑GFRP套管对核心混凝土被动式约束，对GFRP套管钢筋混凝土轴心受压柱的力学性能进行了数值模拟分析

2　试验概述

针对GFRP套管钢筋混凝土轴心受压柱的力学性能，大连理工大学王清湘，崔文涛[4]等人进行了系列试验，研究了22个轴心受压短柱构件、9个轴心受压长柱工作机理及破坏形态。在大连理工大学结构试验室5000kN压力试验机上进行了所有试验，所有试件均为轴心受压，单调加载。本文选用2个典型轴心受压试件采用有限元软件ANSYS，进行非线性有限元数值模拟。加载装置及测点布置见图1，主要参数见表1。

图1　试验加载和量测装置示意图

表1　试件主要参数

3　有限元分析

3.1单元类型和材料模型的选取

1)混凝土。混凝土单元采用ANSYS软件中提供的8节点SOLID65单元，建模过程材料本构关系模型按照MISO（多线性等向强化）输入，核心混凝土采用鲁国昌[5]本构关系模型：

在软件中，Willam-Warnker5参数破坏准则能够较好地反映混凝土单元的破坏，经过试算，本文定义TB，CONCR时，混凝土具体参数如表2所示。

表2　混凝土材料参数表

2）钢筋。在ANSYS中，LINK8单元通常用钢筋的模拟。钢筋的本构关系采用理想弹塑性模型，本构关系模型按照BISO（双线性等向强化）输入。钢筋的屈服强度fy=385MPa，泊松比vs=0.3，弹性模量

3）GFRP套管。胡波等人[6]采用ANSYS提供的空间4节点SHELL181单元模拟FRP约束混凝土受压柱，取得了很好的效果。在建模过程中为了只考虑薄膜刚度而不考虑弯曲刚度设置其KEYOPT(1)为1。

根据崔文涛等人[7]对GFRP管的试验可知，GFRP管的环向本构关系呈线性，根据试验可知环向弹模为 Efr=2.2104MPa。本构关系的计算公式如下：

式中，着fr为套管环向应变。

3.2三维有限元模型

对比试验过程，在ANSY中采用自上向下[8]建模手段，建立了三维有限元模型，如图2所示。在建模过程中，不考虑GFRP套管与核心混凝土之间滑移（对GFRP套管混凝土轴心受压时进行模拟时，认为GFRP与混凝土之间黏结完好）。在模型两端设置弹性模量很大的刚性垫板（选用SOLID95单元），同时对柱中的核心混凝土和两端设置的垫板运用耦合命令，耦合轴向自由度，在底端钢垫板底端节点处施加X，Y，Z方向约束以模拟试验中的固接。

图2　有限元分析模型

通过力加载的方式，在柱顶垫板处施加Z方向的单调荷载，本文采取牛顿-拉夫逊方法平衡迭代法进行非线性求解，求解，其位移收敛误差设定为3%。

4　有限元结果与试验结果对比

前文对GFRP套管钢筋混凝土轴心受压柱的力学性能，利用ANSYS对其进行了数值模拟，其荷载－轴向应变曲线和极限承载力的计算结果与试验结果分别见图3和表3。

图3　不同组合柱的N-z关系曲线

表3　极限承载力对比分析

如图3所示，有限元计算结果和试验结果的荷载-轴向应变对比分析曲线趋势基本吻合，又如表3所示极限承载力误差都在允许的误差范围内，说明本文建立的GFRP套管钢筋混凝土轴心受压柱有限元模型是合理有效的。

5　套管钢筋混凝土轴压柱受力分析

合理有效的模型，可合理地再现GFRP套管钢筋混凝土轴心受压柱的力学性能，进而可以利用合理有效的模型对GFRP套管钢筋混凝土轴心受压柱进行更深层次的力学性能分析，以下根据有限元模型对试件TA-L1和TA-H1的力学性能做进一步分析。

5.1GFRP套管与混凝土相互作用

图4为TA-L1GFRP管应变与GFRP套管混凝土轴向应力的相互关系曲线。可见，在核心混凝土应力很小时，GFRP管应变也很小，进而核心混凝土受到的约束力很小；在核心混凝土应力达到fcu之后，GFRP管应变有一个明显的增长过程；最后核心混凝土屈服，GFRP管应变急剧增长，则相应约束应力也增长很快，因此，GFRP管约束力主要在混凝土屈服后发挥。

图4　混凝土轴向应力与GFRP管应变关系

5.2GFRP管应力与应变的竖向分布

图5与图6为TA-L1破坏时GFRP的应力情况和GFRP管轴向应变与柱高的关系曲线。如图5中所示，由于试件截面为几何对称图形，所以，GFRP管环向的应力均匀发展，这样能够最大限度地利用GFRP管的抗拉强度；但是图5也指出，实际上GFRP管的应力并没有达到给出的抗拉强度值，为抗拉强度的2/3左右，这与文献[9]中的建议相符。同时图5也说明GFRP管应力沿柱高的方向的发展情况并不一致。

图5　破坏时GFRP的应力

图6　GFRP管沿柱高方向应变发展情况

图6给出了GFRP管轴向应变沿柱高方向的发展情况，靠近柱的中部的纤维利用更充分，而试验中试件的破坏也始于试件的中部。

5.3核心混凝土应力的竖向分布

核心混凝土轴向应力云图如图7所示。从图中可以看出：核心混凝土两端出现应力集中现象。核心混凝土被GFRP管包裹后由于圆柱的对称性，核心混凝土的应力能够充分发展。

图7　TA-L1核心混凝土轴向应力

6　参数分析

利用合理有效的分析模型对GFRP套管钢筋混凝土轴心受压柱进行数值试验，来研究套管厚度、长细比、混凝土强度等有关参数对受力性能的影响。

6.1套管厚度

如图8所示，GFRP套管钢筋混凝土轴心受压柱随着套管厚度的增大承载力也相应提高，但是随着刚度增加变形能力减小。

图8　套管厚度变化对荷载－轴向应变曲线的影响

6.2长细比

如图9所示，随着长细比增加柱轴向变形能力变小，但是由于建立的有限元模型未考虑初始缺陷，所以长细比的变化对试件的承载能力影响较小（为柱的计算高度，D2为内径）。

图9　长细比变化对荷载－轴向应变曲线的影响

6.3混凝土强度

如图10所示，随着核心混凝土强度的增加，构件的承载力增加，但是变形能力有所减小。

图10　混凝土强度对荷载－轴向应变曲线的影响

7　结论

1)建立的GFRP套管钢筋混凝土轴心受压柱有限元模型，其计算结果与试验结果吻合较好。

2)利用合理的有限元模型对构件进行受力性能分析可知：（1）GFRP管约束力主要在混凝土屈服后发挥。（2）GFRP管应力沿轴向的发展情况并不一致。破坏时，GFRP管的应力并没有达到给出的抗拉强度值，为抗拉强度的2/3左右。GFRP沿轴向的应变发展情况也不一致，靠近柱中部的纤维利用更充分。（3）核心混凝土两端出现应力集中现象。核心混凝土被包裹后，混凝土的应力发展充分。

3)通过合理的分析模型进行数值试验可知：（1）增加套管厚度能有效地提高试件的承载力但相应的变形能力减小。（2）随着长细比的增加构件轴向变形能力减小。（3）随着混凝土强度承受载荷的能力增加但是变形能力降低。

【1】TomiiM，Sakino K，Xiao Y，Watanabe K(1985).Earth-quake Resisting Hysteretic Behavior of Reinforced Concrete Short Columns Confined by Steel Tube[A].Proc-eedings ofthe International Speciality Conference on Concrete Filled Steel Tubular Structures[C].Harbin，China，1985.

【2】Xiao Y，Tomii M，Sakino K(1986).Experimental Study on Design Method to Prevent Shear Failure of Reinforced Concrete Short Circular Columns by Co-nfining in Steel Tube[J].Transactions ofJapan Concrete Institute，1986(8):535-542.

【3】钟善桐.钢管混凝土结构[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社，1994.

【4】王清湘,崔文涛.GFRP套管钢筋混凝土柱轴压力学性能研究二[D].大连：大连理工大学，2007.

【5】鲁国昌.FRP管约束混凝土轴压性能研究[D].北京：清华大学，2005.

【6】胡波.FRP约束混凝土柱的轴压性能分析[D].合肥：合肥工业大学，2010.

【7】崔文涛.GFRP套管钢筋混凝土柱轴压力学性能研究二[D].大连：大连理工大学，2007.

【8】王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

【9】赵彤，谢剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M].天津：天津大学出版社，2001.

Numerical Analysis on Mechanical Behavior of GFRP Tubed Reinforced Concrete Column with Circular Section under Axial Compression

YANG Long-gang，LIU Zhong，YANG Shu-wen，CHEN Ye
(College of Civil Engineering and Mechanics,Xiangtan University，Xingtai 411105,China)

The nonlinear numerical simulation analysis was conducted to investigate the mechanical behaviors of GFRP Tubed Reinforced Concrete Column with circular section under axial compression by ANSYSsoftware and the calculated results were agreed well with the experimental ones.The results show that the 3D finite element analysis model is effective.Using this model,the stress mechanism of the GFRP casing reinforced concrete column is analyzed under Axial Compression and the influence of casing thickness、concrete strength and the ratio of length to diameter on the mechanical properties of the members.The resultsindicate FEM can well simulate the behavior of concrete columns under uniaxial loading when parameters and numerical models are carefully chosen.

GFRP;axial compression;nonlinear analysis

TU375

A

1007-9467（2016）05-0037-04

杨龙刚（1989～），男，湖南益阳人，在读研究生，攻读结构工程与研究，（电子信箱）472871353@qq.com。

2015-12-11