侧向撞击荷载下FRP管-混凝土-钢管组合梁抗撞性能的理论分析模型

邹 淼， 王 蕊

(太原理工大学 建筑与土木工程学院，太原 030024)

侧向撞击荷载下FRP管-混凝土-钢管组合梁抗撞性能的理论分析模型

邹 淼， 王 蕊

(太原理工大学 建筑与土木工程学院，太原 030024)

基于ABAQUS有限元软件为平台建立了FRP管-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击荷载下的有限元计算模型，该模型计算结果与现有试验结果对比后吻合良好，能够较好地模拟FRP管-混凝土-钢管组合结构在侧向撞击作用下的性能。同时利用该模型进行了有限元参数分析，通过改变冲击能量和空心率来分析它们各自对该组合结构撞击性能的影响。得出的结论是冲击能量对该组合结构跨中极限挠度影响显著，但冲击力平台值却几乎不变；空心率对该组合结构抗撞击性能影响较大，尤其是当空心率在0.6～0.8范围内时组合结构展现出良好的抗撞击性能，且当空心率χ=0.7时，FRP管-混凝土-钢管组合结构表现出的抗冲击力学性能最好。这些研究对进一步开展FRP管-混凝土-钢管组合结构的抗撞击性能研究提供了一定的参考依据。

FRP管-混凝土-钢管组合结构；侧向撞击荷载；冲击力；有限元分析

钢管混凝土结构和中空夹层钢管混凝土结构作为一种新型的组合结构[1]，现已得到广泛的研究和应用。而FRP管-混凝土-钢管组合结构(FRP-concrete-steel double-skin tube tubular)既不同于前述的两种结构，也不同于FRP钢管混凝土[2]，它是一种新型组合结构，该结构由FRP布(碳纤维增强树脂)材料外管、钢内管以及填充于两者之间的混凝土三部分组成，三种材料的协同工作使该组合结构具有许多优于现有组合构件的力学性能。由于FRP布具有较高的质量强度比、耐腐蚀性和耐火性好、自重轻等优点，故FRP管-混凝土-钢管组合结构可作为承重构件应用于地铁、体育馆、海洋平台支架柱、桥墩等建筑结构中。截至目前，对钢管混凝土结构的力学性能研究已经展开[3-8]，对中空夹层钢管混凝土的研究主要有轴压、纯弯和压弯构件的静力性能和压弯构件的滞回性能，以及扭转构件的抗扭性能[9-12]等。虽然对FRP管-混凝土-钢管组合结构轴压下的力学性能有些研究[13-17]。然而对FRP管-混凝土-钢管组合结构抗撞击性能的研究尚未见报道，但是做为工程上承重部件，其遭受撞击时一旦损坏就会引起生命和财产的极大损失。随着FRP管-混凝土-钢管组合结构即将推广使用，急需对其抗撞击性能进行深入的研究与分析。

本文应用有限元分析方法来建立受侧向撞击荷载作用下的FRP管-混凝土-钢管组合结构有限元模型，并用已有的试验数据对有限元的精度进行了验证，在验证可行的基础上，再利用该模型分析了在冲击能量和空心率两种不同因素对构件撞击性能的影响。

1 有限元模型的建立

利用ABAQUS/Explicit模块，建立了两端固支FRP管-混凝土-钢管组合结构在侧向撞击荷载作用下的有限元分析模型。

1.1 建立几何模型

为了减少人为因素的影响，有限元模型过程中试件尺寸以及约束条件与文献[13]中实验试件基本一致。FRP管-混凝土-钢管试件约束长度为1 800 mm，环向包裹FRP后外直径均为114 mm，内钢管直径和壁厚均无变化，分别取50 mm和1.8 mm。由于采取不同层数的CFRP包裹，其分别为0.17 mm、0.34 mm和0.51 mm等不同的厚度。冲击物为楔形落锤(接触面为80 mm×30 mm的矩形)，冲击位置在试件跨中。试件的约束形式为两端固定，并通过改变冲击体的冲击速度参数来实现冲击能量大小的改变。

1.2 定义材料属性

混凝土采用塑性损伤模型，密度取2 500 kg/m3，混凝土的强度等级为C30，通过实验测的混凝土的强度实测值为28.5 N/mm2，弹性模量取26 587 N/m2，泊松比取为0.2。根据混凝土规范中fck=0.88αc1αc2fcu,k在后述FEA中混凝土取值19.06 N/mm2即可，该模型中受压和受拉性能均采用韩林海(2007)[18]中提供的模型，同时根据侯川川学位论文《低速横向冲击荷载下圆钢管混凝土构件的力学性能研究》在进行动力计算时对此模型进行修正后使用。根据书本和论文中公式编辑出整个混凝土的应力应变关系曲线，其中已包含了应变率对本构关系的影响，因为模拟是动力作用下的过程，应变率的影响不可以忽视，故必须考虑到应变率的影响因素。

FRP布为弹性、正交各向异性材料，密度取1 800 kg/m3，沿纤维方向弹性模量取2.30×1011N/m2，泊松比取0.3，碳纤维布的强度为ffrp=4 200 MPa，FRP拉伸弹性模量的实测结果为222.29 GPa。在本次实验中，所有构件均环向粘贴FRP，所以在沿构件轴线方向材料没有强度(数值模拟中取结构胶的强度)。很多试验均证明, FRP材料的应力-应变关系接近理想弹性而且强度不会随应变率的提高而提高[20]。因此,在本次有限元分析中,设定FRP材料为理想弹性材料，且若纤维应力超过其抗拉强度,则认为纤维断裂。

1.3 定义接触面

本次撞击荷载的模拟即选用General contact接触类型。其中，钢管-落锤、钢管-混凝土及钢管-支座，支座与螺栓界面接触均采用通用接触，界面的接触属性定义为：除FRP与混凝土之间是完全粘结之外，所有接触面的法线方向均为硬接触，切线方向采用库伦摩擦模型(Columbia Friction Model)模拟接触面的相对滑动。钢管和混凝土之间的库伦摩擦系数μsc采用韩林海(2007)中建议的0.6，钢管和支座的μsp取0.15，FRP布和落锤的μfh取0，支座与螺栓的μpb取0.3。

1.4 网格划分

本文采用自由网格划分。其中，钢管所选用的是四节点减缩积分格式的三维壳单元，混凝土、支座及螺栓所选用的是八节点减缩积分格式的三维实体单元，落锤所选用的是刚体壳单元。经对不同网格尺寸模型的计算结果的归纳分析，本次模拟中网格划分采用局部加密，加密区网格尺寸为5mm，非加密区网格尺寸为20mm。模型网格划分如图1。

1.5 边界条件和初始条件

为保证与实际试验条件的一致性，本次模拟中试件是两端固定，考虑到试验台为刚性平台，将其简化为垫板。垫板底部完全约束，固定支座采用螺栓连接并与垫板固定；试验中落锤从高处落下并与试件发生碰撞，模拟时将落锤设置在试件有效长度中点正上方1mm处，并赋予落锤相应的质量、初速度来定义撞击荷载。

图1 Abaqus模型与网格划分Fig.1 Abaqus model and mesh

2 模拟结果与实验结果的对比

2.1 试验装置及试件信息

本文取文献[21]中的6个FRP管-混凝土-钢管组合结构试件进行对比验证。该试验在太原理工大学结构实验室的DHR-9401型落锤式冲击试验机上进行，以两端固支为边界条件对试件进行侧向撞击。该试验机的能大范围低速冲撞，设计机身高达13.47m，其最大撞击速率高达15.7m/s,完全能够满足本次实验要求。为了达到实验要求的冲击能量，落锤质量为229.8kg，并且底部安装了冲击头和力传感器。为了达到良好的整体刚度和隔震性能，本试验机底部配有大体积混凝土基础，基础与地基之间用黄砂垫层这样在冲击的过程中临近的仪器将不会受到影响，试验机上部的结构是门式刚架．其是由两个竖直的格构式钢柱和刚性横粱组成。图2为试验装置简图。

螺栓尺寸：螺帽直径0.025m，螺杆直径0.005m，螺杆长0.49m。同时在现场实验时给左右两个支座上均加盖一个刚性钢梁，钢梁两端带孔进行强固地铆连接，从而保证在冲击过程中支座不会松动偏移，也便于保护螺栓以及其能够顺利拧出。FRP管-混凝土-钢管试件长度均为1 800mm，试件详细尺寸信息见文献[21]，通过改变FRP布的层数跟撞击高度相互正交来进行分组试验。试件信息表如表1。

图2 试验装置简图Fig.2 Simplified test device

表1 试件信息表Tab.1 Specimen information

表1中，试件编号1、2、3表示FRP包裹层数，L、M、H表示落锤的不同撞击高度，如编号F2M就表示在试验设计落锤从0.5 m高处落下对包裹2层FRP试件进行撞击；其中Do为FRP管-混凝土-钢管组合结构外径，t0为FRP厚度，Di为内钢管外径，ti为内钢管厚度，H为落锤撞击高度，E0为冲击能量，Fstab为冲击力平台值，um为试件跨中截面挠度。

2.2 冲击力F和跨中极限挠度um的有限元验证

从上组信息表中分别取编号为F1M、F2M的两组试件进行冲击力的有限元模拟验证和取编号为F1H、F3H的两组试件进行跨中极限挠度的有限元模拟验证。图3中给出了计算结果与实测结果的冲击力F与时间t关系曲线，可以看出冲击力在撞击后迅速达到峰值Fp之后的一段时间内基本不变，形成一个平台段，以平台段的平均值作为冲击力平台值Fstab，平台值Fstab-c/Fstab-e平均值为0.944，均方差为0.013，两者的冲击力平台值和整体变形趋势大致相同，从图中可以看出计算结果与实测结果基本吻合。跨中极限挠度的计算值umc与实测值ume的比较如图4所示，挠度达到峰值时会稍减直至趋于稳定，可见计算值与实测值也基本吻合。由此可知，该数值模型所得到的模拟值与试验值基本吻合，这说明该模型中材料的本构关系和参数的选取是可行的，可以利用它进行FRP管-混凝土-钢管组合结构在侧向冲击作用下的有限元分析。

(a) F1CS-M

(b) F2CS-M图3 冲击力(F)时程曲线的对比Fig.3 Contrast of impact force (F) versus time

(a) F1CS-H

(b) F3CS-H图4 跨中极限挠度(um)时程曲线的对比Fig.4 Contrast of mid-span permanent deflections versus time

3 结果分析

在保持FRP布为单层不变的情况下，本文分析冲击能量E0(0.5～1.99)kJ和空心率(0.3～0.8)对构件抗撞击性能的影响。

3.1 冲击能量(E0)的影响

为了区别文献中[21]中试件，本文建立了空心率χ=0.7、FRP为单层的有限元模型来分析冲击能量E0对构件抗撞击性能影响。保持落锤质量(m)不变，定义落锤高度分别为0.25 m、0.5 m、1.0 m，相对应的冲击能量E0为0.5 kJ、1.0 kJ、1.99 kJ。图5所示的不同E0下的冲击力时程曲线的影响。可见，随着E0增大，冲击力持续时间变长，并且冲击力峰值有明显增大；冲击周期也随着冲击能量的增大而明显变长；但冲击力平台值随着冲击能量增大只是略有增加，几乎不变。冲击力平台值略有提高原因是冲击速度的提高导致材料应变率提高，材料强度略有提高，截面抗弯强度略有增大，效果并不明显。同时，如图6所示，随着构件消耗冲击能量的增加，试件跨中挠度也不断增大至峰值，但是当到达峰值时由于试件自身存在一定刚度会产生回弹，故其挠度随后缓缓回落至一个稳定的平台值，从最终的挠度平台值可知，跨中挠度随着冲击力能量E0增大变化十分明显。

图5 冲击能量(E0)对冲击力时程曲线的影响Fig.5 Influence of impact energy(E0) on impact force

图6 冲击能量(E0)对跨中极限挠度时程曲线的影响Fig.6 Influence of impact energy(E0) on mid-span deflections

3.2 空心率(χ)的影响

本文研究的是保持FRP为单层不变，通过改变内钢管的外径来改变FRP管-混凝土-钢管组合结构试件的空心率，并利用公式χ=Di/(D0-2t0)[22]来确定0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8的不同空心率。由图7能够看出，随着构件空心率的增加，冲击力持续时间变短，冲击力峰值减小，但是冲击力平台值却随着空心率的增大而明显增大。尤其表现明显的是空心率χ=0.7时可作为一临界点，因为其后随着空心率的增大(当χ=0.8时)，冲击力平台值逐渐减小，可以看出空心率χ=0.6～0.7下的冲击力平台值普遍高于其它空心率下的冲击力平台值，但是冲击持续时间较短，呈现出在0.03 s左右的一致规律。图8所示的随着构件空心率的增大，跨中极限挠度峰值反而减小，并且在空心率χ=0.6～0.7区段会出现越来越明显的挠度平台值，过渡比较平缓。

图9为构件空心率对跨中顶部FRP环向应力的影响。由于跨中顶部是受撞击最直接的部位，也是破坏最严重的部位，因此整个试件的破坏形式可以由该处的破坏情况直接体现，故环向应力点均取自各试件的跨中顶部位置，即纵向中间截面的最顶部。在ABAQUS有限元软件中可先定义出此点位置及此点各方向上的应力。对比图7、图9可知，在构件冲击力达到峰值时，跨中FRP环向应力也达到一个峰值；随后冲击力进入平台段，相应的FRP环向应力也逐步增大；当冲击力进入下降段，FRP环向应力也逐步减小。并且从图9可明显看出当空心率χ=0.7和0.8时FRP环向应力较大，与之前的冲击力时程曲线和跨中极限挠度时程曲线相一致。冲击力平台值反应构件的抗撞击能力，故综上所述，当空心率范围为χ=0.6～0.7，FRP管-混凝土-钢管组合结构能够表现出良好的抗撞击性能。

图7 空心率(χ)对冲击力时程曲线的影响Fig.7 Influence of hollow ratio on impact force

图8 空心率(χ)对跨中极限挠度时程曲线的影响Fig.8 Influence of hollow ratio on mid-span deflections

图9 空心率(χ)对FRP环向应力σ的影响Fig.9 Influence of hollow ratio on hoop stress σ

4 结 论

本文以有限元分析软件建立了FRP管-混凝土-钢管组合结构受撞击荷载的仿真模型，并且与现有文献中的实验结果进行了对比验证，并在验证了模型可行的基础上，又通过建立不同类型模型进行模拟，分析了冲击能量E0和构件空心率χ两种因素对该组合结构构件的力学性能的影响。通过以上研究，得到如下结论：

(1)本文所建立的有限元模型能够较好的模拟FRP管-混凝土-钢管组合结构在侧向撞击荷载作用下的力学性能。

(2)冲击能量E0对试件冲击力峰值、试件跨中挠度以及冲击力作用时间均有影响。随着冲击能量E0增加，冲击力峰值明显增大，跨中挠度也增大，同时冲击力作用时间变短；但是冲击力平台值仅仅略有增加，几乎保持不变。

(3)空心率χ对试件冲击力峰值、冲击力平台值、试件跨中挠度以及冲击时间均有影响。随着空心率χ的增大，构件的冲击力峰值减小，冲击作用时间变短，但冲击力平台值增大，跨中挠度减小。尤其当空心率χ=0.6～0.7范围内时，构件的冲击力平台值明显最大，同时跨中挠度较小，可以得出，即当空心率χ=0.7时，FRP管-混凝土-钢管组合结构表现出的抗冲击力学性能最好。

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Theoretical model for the anti collision performance analysis of FRP tube concrete composite beams under lateral impact load

ZOU Miao, WANG Rui

( Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024,china)

A finite element model for analysing the impact resistance performance of FRP tube-concrete-steel composite structures under low velocity lateral impact load was established by using the ABAQUS finite element software. The results are in good agreement with the existing experimental results, which indicates the model is approprite. Using the model, a finite element parametric analysis was carried out by changing the impact energy and the hollow ratio respectively. It is concluded that the impact energy has significant effect on the ultimate deflection of composite structures, while the platform value of impact force maintains almost unchanged. The hollow ratio has great influence on the impact resistance of structures as well, especially when the hollow ratio is within the range of 0.6 to 0.8 , the structure exhibits good impact resistance, and when the hollow ratioχ=0.7, FRP tube-concrete-steel composite structures appear the best mechanical property of impact resistance. The results provide a reference to the further development of the anti impact performance of FRP tube-concrete-steel composite structures.

FRP tube-concrete-steel composite structure; lateral impact load; impact force; finite element analysis.

国家自然科学基金项目(51378290)

2015-12-10 修改稿收到日期：2016-02-18

邹淼 男，硕士生，1987年生

王蕊 女，博士，硕士生导师，1979年生 E-mail:wangruimao@yahoo.com.cn

TU393

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.06.039