GFRP管混凝土钢管组合柱轴压性能*

李 文， 杨思雨， 那 昱

(1. 东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318； 2. 上海送变电工程公司 变电(土建)分公司， 上海 200235)

建筑工程

李 文1， 杨思雨1， 那 昱2

(1. 东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318； 2. 上海送变电工程公司 变电(土建)分公司， 上海 200235)

1 试验概况

1.1 试件设计及制作

表1 试件参数

把搅拌好的混凝土浇筑在钢管和GFRP管中间，待试件与钢管和GFRP管充分粘结并凝固后方能进行试验.制作试件截面图如图1所示.

图1 试件截面示意图

1.2 测点布置

GFRP管在布置测点时，在管体中部、上部和下部均布置了测点，即将GFRP管管体进行四等分，沿3个等分线的轴向和环向各布置4个测点，共布置24个测点.试件受压时，在试件底部放置两个百分表用于测定轴向位移.

1.3 加载方案

加载设备为吉林省金力试验技术有限公司生产的YAW-5000微机控制电液伺服压力试验机，试验机最大量程为5 000 kN.试验加载方式为力控制加载，具体加载方案为：采用分级加载方式，在预估极限承载力的70%之前，每一级荷载按照其预估极限承载力的10%加载，之后依次累加，当达到极限承载力的70%之后，按照预估值的20%进行加载，每一级荷载都持荷约90 s，并记录试验数据，当试件破坏时，即GFRP管断裂视为破坏，停止数据记录，立即停止试验.

2 试验结果分析

2.1 现象分析

由于试验现象趋势大体相似，因此以试件I-1为例，详细说明试验现象.试验开始时，先对试件进行预加载，以保证试验机上下承压板与试件紧密接触.待荷载稳定后，进行正式加载.在进行正式加载的前5级荷载时，试件上只是发出了轻微声响，其原因是试件表面受压所致，观察应变电阻箱和百分表，应变和轴向位移稳步增长，压力试验机显示荷载增长速率稳定，无明显波动，说明此时试件处于正常的工作状态当中.加载逐渐增加后，试件出现响声，FRP管上应变片读数从上至下逐渐消失；但加载超过一定数值后，电阻应变箱以及百分表都无法稳定地读取数据，撤去百分表继续加载，在试件持续加载的过程中，试件不断发出响声，试件外部FRP管体中部开始出现轻微泛白，并且随着荷载的进一步增加，泛白面积逐渐增大，外管发生撕裂，试件破坏，停止试验.

最终，试件破坏模式为中部FRP管发生外向泛白撕裂破坏，破坏征兆明显，观察钢管内壁发现钢管未发生屈曲，试件破坏如图2所示.

图2 试件破坏

图3 荷载位移曲线

3 有限元模型分析

3.1 有限元模型建立

3.2 模型验证

表2为DSTC模型承载力对比.根据表2可以看出，本文建立的模型是符合实际情况的.但是本文在建立数值模型时简化了一些因素，诸如不考虑混凝土、FRP管和钢管之间的相对滑移，采用的材料本构关系存在一定误差等这些因素均有可能造成误差的存在.

表2 数值模型承载力对比

3.3 有限元分析

3.3.1 试件设计

根据不同试件尺寸和混凝土强度等级，在满足几何相似性的基础上，试件高径比(h/b)为3∶1，共设计了8个试件，试件的设计参数如表3所示.

表3 试件设计参数

3.3.2 应力云图分析

以B组试件的等效应力云图为例，其应力分布如图5所示.根据图5可以看出，FRP管的应力随着试件尺寸的增加也存在较为明显的差异性，具体表现为在极限承载力的状态下，随着试件尺寸的增加，应力变化逐渐向试件中部靠拢，说明FRP管的受力状态也受到了试件尺寸变化的影响.由于试件的应力变化基本趋于一致，均是在试件中部产生最大的应力，说明在试件的中部受力最大，发生的变形也最大，则两组试件在受到轴向荷载作用时，试件的受力机理和破坏模式一致，并未受到尺寸效应的影响.

图5 B组试件应力分布

3.3.3 极限应力变化曲线

图6为B、C组试件极限应力变化曲线.由图6可知，B、C组试件的极限应力值明显降低，曲线呈现非线性变化趋势，说明较小尺寸试件的承载力与较大尺寸试件的承载力之间并不是成倍数的变化关系，并没有因试件尺寸的增大而提高到相应的程度.

图6 B、C组试件极限应力变化曲线

图7 B、C组试件荷载应变曲线

3.3.5 承载力对比分析

承载力对比分析如表4所示.由表4可知，试件尺寸及其他参数相同，混凝土强度不同时，试件的极限承载力C1>B1，C2>B2，C3>B3，C4>B4，说明提高混凝土强度等级时，DSTC的力学性能得到了显著提高；极限承载力B4>B3>B2>B1，C4>C3>C2>C1，并且随着试件尺寸增加，DSTC极限承载力提高了约4倍，极限应力降低到约60%，并且呈现非线性变化的降低趋势，说明不能根据小尺寸试件承载力去递推相应大尺寸试件的承载力，在这一点上DSTC表现出了明显的尺寸效应.在尺寸效应的影响上，C45混凝土较大，C60混凝土较小.

表4 承载力提高对比

4 结 论

1) 两个DSTC试件的破坏模式相同，均是在试件中部受力最大，并最终在试件的中部发生破坏，未受到试件尺寸变化的影响.DSTC在整个受压过程中分为三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段.

2) DSTC的力学性能随着混凝土强度提高而得到了显著提高，但随着试件尺寸的增大，尺寸效应对不同混凝土强度等级的DSTC力学性能的影响程度不同，C45混凝土较大，C60混凝土较小.

3) 根据模拟结果，当高径比一定(3∶1)时，随着试件截面尺寸的增大，DSTC极限承载力提高了约4倍，极限应力降低约60%，并且呈现出非线性变化的降低趋势.

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(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)

Axial compression performance of GFRP-concrete-steel tubular composite column

LI Wen1, YANG Si-yu1, NA Yu2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2. Power Transformation and Civil Engineering Branch Company, Shanghai Power Transmission and Transformation Engineering Company, Shanghai 200235, China)

In order to study the mechanical properties of components under different concrete strength and specimen size, the experimental study for two axial compression components of GFRP-concrete-steel tubular composite column (DSTC) was carried out. On the basis of establishing the analysis model, the load-strain curves and the change trend of bearing capacity for 8 axial compression components were simulated and analyzed with the nonlinear finite element analysis software ANSYS. The results show that when the strength grade of concrete gets improved, the mechanical properties of DSTC were significantly enhanced. When the size of specimens is different, the size effect has a certain influence on the mechanical properties of DSTC with different strength grades.

glass fiber; static test; finite element analysis; concrete strength; specimen size; bearing capacity; stress nephogram; load-strain curve

2016-11-21.

国家自然科学基金资助项目(51308028)； 黑龙江省教育厅科学技术研究计划项目(12543023).

李 文(1969-)，男，河北唐山人，教授，硕士，主要从事组合结构等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.03.19

TU 398.9

A

1000-1646(2017)03-0346-06

*本文已于2017-05-08 20∶25在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170508.2025.006.html