偏心距对中空GFRP管-混凝土-钢管组合柱力学性能的影响研究

吴紫阳

大庆油田有限责任公司第三采油厂第三油矿，黑龙江大庆 163113

GFRP管-混凝土-钢管组合柱是由GFRP（玻璃纤维增强塑料）外管、内置钢管和两者之间的混凝土三部分组成的新型组合构件（GFRP Tube-Concrete-SteelDouble-Skin Tubular Column，以下简称DSTC），它兼具双GFRP管混凝土组合柱、双钢管混凝土组合柱和GFRP管实心混凝土柱三者的优点于一身。GFRP管通过约束核心混凝土从而提高组合构件的承载力，同时能够有效地保护混凝土和钢管，具有良好的延性和抗震性能[1-5]。

该组合结构可作为桥墩、海底输油管道以及海洋采油平台的支柱，具有广阔的应用前景。目前，对GFRP管-混凝土-钢管组合柱偏压的力学性能研究较为匮乏，而在实际应用时，大多数柱是在偏心受力状态下工作，因此，研究这种结构形式在偏心受压下的力学性能是十分有意义的。

1 构件有限元模拟与验证分析

1.1 模型基本假定

鉴于GFRP管-混凝土-钢管组合柱的组成和工作机理，为方便分析计算，保证模拟结果与实际情况较吻合，做出了如下假定[6]：GFRP管、混凝土、钢管三者之间的粘结十分牢靠，不会产生相对滑移，共同协调变形；只考虑GFRP管环向的约束力，轴向上不受力；混凝土在轴向上所受约束是均匀分布的。此外，当钢管等效应力达到其设定的屈服强度或者GFRP管等效应力达到其预设的环向抗拉强度时，认定试件破坏，计算停止。

1.2 有限元模型的建立

选取文献[7]中试验的两根GFRP管-混凝土-钢管组合柱构件进行验证工作，利用有限元软件ANSYS建立GFRP管-混凝土-钢管组合柱构件的有限元模型，各项参数与文献的试验参数一致，并与已有的试验数据进行对比。

为了使材料间更好地耦合，也考虑到单元与材料的匹配度及适用性，模拟时，混凝土材料采用SOLID65单元，混凝土选用多线性等强硬化模型（MISO）；GFRP管采用SOLID45单元，在ANSYS中，选取双线性随动强化模型（BKIN）[8]，并假定GFRP材料为线弹性材料[9]，不考虑其各向异性的材料特性，仅考虑GFRP管在环向上对混凝土的约束作用；钢内管选取与GFRP管相同的单元SOLID45单元，采用双线性等向强化模型（BISO）。

进入ANSYS，首先，定义材料所选用的单元、本构关系、泊松比、弹性模量、构件直径、厚度等一系列必要参数；然后，采用直接成体的建模方法建立组合柱的几何模型，并对其进行网格划分，如图1所示；最后，对试件底部混凝土、钢管施加X、Y、Z三个方向的全约束，试件顶端为自由端。

图1 DSTC网格划分

为防止采用集中荷载造成构件顶面的应力集中，使其过早地破坏，本文参照文献[10]的方法把偏心荷载等效为均匀分布的力和弯矩，由于本文所研究的构件涉及到非线性，因此利用MPC184单元，在组合柱顶面的中心上方建立一个节点，然后与柱顶面的混凝土和钢管的节点耦合分别形成多根刚性梁，此时就可以把需要的弯矩加到利用MPC184单元建立的节点上了，通过刚性梁形成的刚性面传递荷载，荷载施加如图2所示。

图2 荷载施加

1.3 数据对比（见表1）

表1 极限承载力与极限位移对比

从表1中数据对比的情况来看，误差都在15%以下，表明本文所建模型的准确性较高。

1.4 荷载-位移曲线对比

由荷载-位移曲线（见图3）对比可知，试验所得曲线与模拟所得曲线的变化趋势基本一致，可以得出，本文所建模型可以较好地模拟构件的受力全过程，说明所建模型具有可行性。

图3 模拟与文献荷载-位移曲线对比

由图3可知，试验所得曲线与模拟所得曲线的变化趋势基本一致，可以得出，本文所建模型可以较好地模拟构件的受力全过程，说明所建模型具有可行性。

2 构件力学性能分析

2.1 构件参数

采用控制变量的方法，选取了30、60、90、120 mm四种偏心距进行研究。通过增加混凝土强度、增加GFRP管厚度、减小构件空心率和增大配钢率进行横向对比，其中，构件的空心率用kv=Da/D0表示，Da、D0分别表示钢管的外径、GFRP管的内径；配钢率为钢管横截面面积与管内混凝土横截面面积的比值。构件参数及分组情况如表2所示。分析了不同偏心距情况下的荷载-位移曲线、极限承载力等，总结了偏心距对组合结构力学性能的影响规律。

表2 构件参数及分组情况

2.2 等效应力云图分析

分别提取GFRP管、钢管、混凝土的等效应力云图，并进行对比，分析受力、破坏趋势。由于受力情况、破坏情况大体相似，以A组的DSTC-4为例，应力云图如图4所示。

图4 D-4等效应力云图/MPa

由图4可以看出，GFRP外管、混凝土以及外钢管的等效应力不管是在靠近轴力一侧还是在相反的一侧，都是集中在其管体的中部偏下的区域。由此可以得出，组合柱的破坏位置是在柱体的中下部。

2.3 荷载-位移曲线分析

2.3.1 组内荷载-位移曲线对比（见图5）

图5 组内荷载-位移曲线

由图5中曲线可以看出，组内4条荷载-位移曲线的趋势大体相似。加载初期，曲线的切线斜率较大，随着荷载的加大，曲线的切线斜率逐渐变小，偏心距大的曲线的切线斜率变小的速率较慢，最后曲线都趋于水平，甚至略有下降。在相同荷载作用下，偏心距大的构件产生的偏移较大；偏心距越大，构件的极限位移就越大。

2.3.2 组间荷载-位移曲线对比（见图6）

图6 组间荷载-位移曲线

由图6曲线可以看出，加载初期，组间各条曲线基本重合，加大GFRP管壁厚、减小空心率以及加大钢管厚度对组合柱的极限位移都有不同程度的提升作用。在偏心距较小时，增大钢管厚度对组合柱极限位移的提高效果明显；随着偏心距的进一步变大，加大钢管厚度和减小组合柱的空心率对极限位移的影响都不太明显，影响程度基本相同；在偏心距较大时，减小组合柱的空心率对极限位移的提高略好于改变其他几种因素。

2.4 极限承载力分析

由表3可知，偏心距对组合构件偏压下承载力的影响是尤为重要的，承载力随偏心距的改变变化跨度很大。其他影响因素不变，随着偏心距的增加，5组试件的极限承载力逐渐减小，其中A组的A2的极限承载力比A1降低了23.1%，A3的极限承载力比A2降低了 21.1%，A4的极限承载力比 A3降低了19.5%，可见随着偏心距的不断增大，构件极限承载力降低的幅度逐渐减小。其他各个对比组亦呈现出这样的规律。

表3 构件参数及分组情况

偏心距-极限承载力曲线对比见图7。

图7 偏心距-极限承载力曲线对比

由图7可知，增强混凝土强度、加大GFRP管壁厚、减小空心率以及加大钢管厚度对组合柱在不同偏心受压状态下的极限承载力都有提升的作用。混凝土强度的改变对组合柱承载力的影响最为显著，其他影响因素对承载力的影响稍逊一筹；在偏心距较小时，减小组合柱的空心率对承载力的提高效果明显，随着偏心距的进一步变大，加大钢管厚度对组合柱承载力的提升效果会进一步突显。

在偏心距较小时，以上几种影响因素的改变对组合柱承载力的影响较大，在偏心距较大时对其影响稍差一些。由于在偏心距较小的情况下，构件处于全截面受压状态，由混凝土和钢管共同受力，且由于GFRP外管的被动约束作用，核心混凝土三向受压，混凝土性能得到了充分发挥，混凝土强度成倍提高，此时提高混凝土强度，承载力提升效果明显。偏心距进一步变大，组合柱的受力形式为一侧受压、一侧受拉，此时GFRP外管几乎没有发挥约束作用，构件破坏形式为混凝土被拉断，受拉区由混凝土和钢管共同受拉，因此提高混凝土强度和加大钢管厚度对构件承载力有明显的帮助。

3 结论

本文主要研究了偏心距对GFRP管-混凝土-钢管组合柱在偏心受压下的力学性能的影响规律，利用有限元软件ANSYS建立了GFRP管-混凝土-钢管组合柱在偏心受压下的数值仿真模型，并与其他学者研究中的数据进行了全面的比对，误差值在正常范围内，验证了所建的模型的合理性及正确性。在此基础上，设计了20根GFRP管-混凝土-钢管组合柱模型，通过对比分析组合柱在不同偏心距下的等效应力云图、荷载-位移曲线和极限承载力等大量数据，进一步研究了偏心距对GFRP管-混凝土-钢管组合柱偏心受压下力学性能的影响规律。得出结论如下：

（1）DSTC组合柱在整个偏心受压过程中，荷载-位移曲线大致分为三个阶段：直线段、平滑曲线段以及斜率近似为零的直线段。

（2） 根据等效应力云图总结得出，试件的GFRP管、混凝土以及钢管的等效应力最大值都是集中在管体的中部偏下，由此可以得出，组合柱的破坏位置是在管体的中部偏下。

（3）在相同荷载作用下，偏心距大的构件所产生的偏移较大。偏心距越大，构件的极限位移越大，极限承载力急剧降低，随偏心距的增大，极限承载力降低幅度逐渐减小；偏心距较小时，减小空心率，组合柱承载力提高明显，增大钢管厚度，延性提升明显；偏心距较大时，增大钢管厚度，组合柱承载力提高明显，减小空心率，延性提升明显。

（4）配钢率对延性影响明显，混凝土强度的变化对组合柱承载力的影响最为显著，但混凝土强度提高，延性表现差。

[1]滕锦光，余涛，黄玉龙，等.FRP管-混凝土-钢管组合柱力学性能的试验研究和理论分析[J].建筑钢结构进展，2006，8（5）：1-7.

[2]TENG J G，YU T，WONG Y L，et al.Hybrid FRP concrete steel tubularcolumns：Conceptandbehavior[J].Construction&Building Materials，2007，21（4）：846-854.

[3]YU T，TENG J G，WONG Y L，et al.Hybrid FRP concrete steel double-skin tubular columns：An overview of existing research[J].Sessions at the ACI Spring Convention，2008，25 （ 7 ）：177-193.

[4]WONG Y L，YU T，TENG J G，et al.Behavior of FRP-confined concrete in annular section columns[J].Composites Part B Engineering，2008，39（3）：451-466.

[5]滕锦光，余涛，黄玉龙，等.FRP管-混凝土-钢管组合柱力学性能的试验研究和理论分析[J].建筑钢结构进展，2006，8（5）：1-7.

[6]那昱.中空GFRP管—混凝土—钢管组合柱轴压尺寸效应研究[D].大庆：东北石油大学，2016.

[7]卢哲刚.FRP-混凝土—钢双管柱的设计方法研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[8]管海伟.中空GFRP管钢筋混凝土柱力学性能研究[D].大庆：东北石油大学，2014.

[9]许平.FRP管-混凝土-钢管组合柱承载力的试验研究[D].杭州：浙江大学，2013.

[10]吕仲亮.钢筋FRP管混凝土偏心受压构件力学性能的研究[D].大庆：东北石油大学，2013.