GFRP管混凝土轴压短柱承载力研究

宋志刚，樊 成，宋 力

(大连大学 材料破坏力学数值实验研究中心， 辽宁 大连 116622)

GFRP管混凝土轴压短柱承载力研究

宋志刚，樊 成，宋 力

(大连大学 材料破坏力学数值实验研究中心， 辽宁 大连 116622)

为研究GFRP管约束混凝土柱在轴心受压时的承载力，更好的应用于工程实际，采用有限元软件 ABAQUS 模拟分析不同的GFRP管管壁厚度、混凝土强度等级以及钢骨截面形式、钢骨强度等因素对GFRP管混凝土组合柱轴压力学性能的影响。研究结果表明：数值计算结果与试验结果吻合良好；增加GFRP管厚度、提高混凝土强度等级以及增加钢骨截面积等能提高组合柱承载力。

GFRP管；ABAQUS；轴心受压；承载力

GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer，GFRP)管混凝土组合柱是在GFRP管中灌入混凝土形成的组合结构，对比其他约束混凝土构件[1-2]，其具有承载力强、整体性好、延性高、抗腐蚀性能优良、易于施工等优点而被广泛应用于土木工程中的桩基础结构、承重柱结构、桥梁墩柱结构等易腐蚀结构。GFRP管混凝土组合构件最理想的受力状态为轴心受压状态，目前，已有大量国内外学者对GFRP管约束混凝土短柱在轴向荷载作用下的力学性能[3-6]进行试验研究，本文通过利用有限元软件ABAQUS对已有的试验成果进行数值模拟，在数值模拟结果吻合度高的前提下，进一步研究GFRP管的纤维缠绕角度、混凝土强度等级、GFRP管管壁厚度、钢骨截面积等因素对GFRP管约束混凝土组合构件在轴向荷载作用下的承载力的影响。

1 本构模型选取

1.1 混凝土受压本构关系

常用混凝土受压应力-应变关系模型有于清[7]四参数双线性模型、吴刚等[8]三折线模型、刘明学等[9]模型、鲁国昌等模型[10]，经大量数值计算结果验证，本文选用与实验吻合度较好的Lam等[11]抛物线加直线本构模型，见图1。

(1)

σc=fco+E2εc，(εt<εc≤εcc)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

图1 混凝土受压区本构关系模型

1.2 混凝土受拉本构关系

GFRP约束混凝土结构受拉区本构关系采用ABAQUS中自带的定义混凝土受拉软化行为：混凝土应力-断裂能关系。通过混凝土的能量破坏准则来考虑混凝土受拉软化性能在计算中具有较好的模拟分析准确性，较容易收敛。混凝土受拉软化模型如图2所示。

图2 混凝土受拉软化模型

(7)

式中：Gf为混凝土的断裂能，它的物理意义是混凝土在每单位面积上产生一条连续裂缝时所需要的能量。fc为混凝土圆柱体抗压强度，σto为混凝土峰值拉应力，σto的计算公式为：σto=0.26(1.25fc)2/3。

1.3 型钢本构模型

钢骨本构模型采用ABAQUS提供的各向同性弹塑性模型，服从Von-Mises屈服准则，应力-应变关系采用型钢的四折线模型，如下式：

(8)

1.4GFRP管本构模型

GFRP管采用ABAQUS中的单层板模型来模拟弹性段力学性能，ABAQUS定义复合材料的损伤采用Hashin[12]破坏准则，来近似模拟复合材料的损伤演化过程，单层板的相关参数利用复合材料细观力学[13]中的分析方法，由文献[14]中提供的材料参数计算各参数，并对GFRP管进行铺层设计。

2 数值模型的建立与计算

2.1 有限元模型建立

对于数值模拟情况下，混凝土和垫块采用八节点六面体减缩积分单元(C3D8R)，型钢和GFRP管采用壳单元S4R(四节点减缩积分)模拟，在厚度方向上，则是均采用3个积分点的泊松积分，各部分有限元模型见图3。

图3 各部分构件模型

混凝土和GFRP管之间的接触在切向部分采用ABAQUS中自带的库仑摩擦模型，见图4。GFRP管与核心混凝土通过粘结作用使得它们之间的相对运动为零，只有两者间的剪应力达到临界值τcrit时，才产生相对位移，临界剪应力的计算如下

τcrit=μ×p

(9)

式(9)中，摩擦系数μ=0.6，p为GFRP管与核心混凝土之间的接触压力。

图4 库仑摩擦模型

将钢骨使用Embed命令实现与核心混凝土的作用，GFRP管与端板采用Shelltosolidcoupling命令接触，用Tie命令将混凝土与端板进行绑定，最后在端板上面设置参考点并与端板进行耦合。

轴压短柱两侧设置加载端板，其弹性模量Es=1×1020MPa，泊松比为0.001，边界条件施加在参考点上，一侧为固定约束，即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0另一侧施加计算收敛性较好的位移荷载，边界及荷载情况见图5。

图5 受力及边界情况

2.2 模拟结果验证

为验证数值模型的准确性，通过有限元软件模拟GFRP管轴压短柱的荷载应变曲线，本文采用参考文献[15-17]中实验数据,详细数据见表1。

表1 实验构件参数

注：T为GFRP管厚度，L为试件长度，Fc为混凝土轴心抗压强度，Fs为钢骨极限强度，Nexp为同等位移下实验构件的轴压承载力，Ncal为数值模拟结果。

ABAQUS模拟GFRP管约束混凝土轴压短柱受力过程，将实验结果与数模拟计算的荷载-应变(N-ε)曲线进行对比，实验与模拟N-ε曲线对比见图6，计算结果与实验结果具有较高的吻合度，数值模型的准确度可以保证。

2.3 参数对比分析

GFRP管约束混凝土组合构件轴压力学性能的影响因素有GFRP管管壁厚度、混凝土强度等级、钢骨截面积、钢骨强度。以GSC5为参考构件，分别改变各参数，利用有限元模拟以上各参数对荷载-应变曲线产生的影响。

(1) GFRP管管壁厚度的影响。比较不同厚度的GFRP管轴压短柱。由荷载应变曲线图7(a)对比可知，荷载作用初期，GFRP管对核心混凝土的约束作用不明显，管壁厚度对承载力的影响不大，随着荷载增加，由于GFRP管壁厚度越大时在承受荷载作用时其应变越小，此时GFRP对核心混凝土的约束能力越强，构件承载力随之增高，故GFRP管管壁厚度的增加时轴压短柱的承载力随之而增大。

(2) 不同混凝土强度等级的影响。由图7(b)可知，在荷载作用早期，混凝土横向应变较小，GFRP管对混凝土的约束作用不明显，实验构件荷载应变曲线基本一致，随着荷载增加，荷载应变曲线曲率都变小，但是应变增长变快，混凝土侧向膨胀，GFRP管的约束加强，当混凝土强度等级提高时，随着混凝土抗压强度的提高而构件承载力也随之提高，且变化幅度明显，因此混凝土强度是影响GFRP组合构件的主要因素。

(3) 钢骨截面形式的影响。模拟工字钢型号为I10，I14，I16下的组合结构的受力，改变组合构件的钢骨截面积，由图7(c)可知，随着钢骨截面积的增大组合结构的承载力随之增强。

(4) 钢骨强度的影响。由荷载应变曲线图7(d)可知，钢骨强度对GFRP构件承载力作用不明显，主要是钢骨位于混凝土内，而混凝土在GFRP管的裹握作用下，承担构件轴向压力，因此钢骨强度对组合构件的承载力影响不大。

图6 实验N-ε曲线与数值模拟曲线对比

3 结 论

通过有限元软件ABAQUS对已知实验的数值模拟，对其荷载应变曲线对比分析，可得出以下结论：

(1) 建立的关于组合结构的ABAQUS有限元模型可较好的应用于GFRP管约束混凝土轴压短柱的数值模拟，数值模拟的荷载-应变曲线与实验结果较为吻合。

(2) 通过对影响组合柱轴压力学性能的因素分析可知，GFRP管的厚度、混凝土强度等级以及钢骨型号等因素对GFRP组合短柱在承受轴向荷载时的力学性能影响程度不一，其中，增加钢骨截面积、增加GFRP管管壁厚度和提高混凝土强度等级等因素可明显提高组合柱的抗压承载力，尤其混凝土强度增加能显著提高组合柱的承载力和延性。

(3) 由于ABAQUS数值模拟的局限性，未能对不同荷载作用形式下的GFRP约束混凝土柱以及混凝土环向应变影响因素进行进一步分析研究。

图7 数值模拟荷载-应变曲线

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Bearing Capacity of the GFRP Tube Filled with Concrete Under the Axial Compression

SONG Zhigang, FAN Cheng, SONG li

(ResearchCenterforNumericalTestsonMaterialFailure,DalianUniversity,Dalian,Liaoning116622,China)

In order to analyze the axial compression performance of GFRP tube composite columns filled with concrete, the influence of different thickness of GFRP tube, concrete strength and the section form and strength of steel are simulated by using finite element analysis software ABAQUS when the column under the axial compression. The results show that the numerical results are in good agreement with the experimental results; increasing the GFRP tube thickness can improve the core concrete strength and increase the strength and the bearing capacity of columns.

GFRP tube; ABAQUS; axial compression; bearing capacity

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.013

2016-12-21

2017-03-04

辽宁省自然科学基金资助项目(2015020222)

宋志刚(1988—)，男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为结构工程。E-mail：szgly2008@163.com

TU398

A

1672—1144(2017)02—0071—05