FRP管—钢管双壁约束混凝土组合柱轴压性能有限元分析

高辉 郭星 谷峪 袁杰

摘要： 文章以已有文献中FRP管-钢管双壁约束混凝土组合柱的轴压试验为基础，利用有限元分析软件ANSYS建立了组合柱的轴心受压数值模型，对比分析显示，有限元计算结果与试验结果吻合得较好，为今后该组合柱的研究提供了参考。

Abstract： Based on the axial compression test of FRP pipe-steel double-walled confined concrete composite columns in the existing literature， a numerical model of the axial compression of the combined columns is established using the finite element analysis software ANSYS. The comparison analysis shows that the finite element calculation results are in good agreement with the experimental results， which provides a reference for the future study of the composite column.

关键词： 组合柱；轴压性能；有限元

Key words： composite column；axial compression performance；finite element

中图分类号：TU398+.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）20-0165-02

0 引言

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）是一种具有抗拉強度高、耐久性好、自重轻等优点的复合材料，将其与混凝土和钢材两种传统的建筑材料结合在一起形成的组合构件具有很好的受力性能，其中FRP管-钢管双壁约束混凝土组合柱是一种由外部FRP管，内部钢管以及中间填充的混凝土组成的新型组合柱，该组合柱表现出较好的抗震性、延性以及耐久性。混凝土在FRP管和钢管的双重约束下处于三轴受力状态，极限强度和延性均得到大幅提高，FRP管除了提供环向约束力，还可以和钢管一起作为施工模板。

目前，关于FRP管-钢管双壁约束混凝土组合柱的受力性能已经存在大量的研究[1-5]，为了进一步对该组合柱的轴压性能进行了解，本文基于浙江大学许平[6]进行的短柱轴压试验，借助有限元软件对其力学性能进行了分析，结果表明，通过合理选择单元类型以及材料属性，有限元软件ANSYS可以很好地模拟FRP管-钢管双壁约束混凝土组合柱的轴压性能。

1 试验概况

短柱轴压试验共设计4个试件，外部FRP管采用预制的GFRP管，钢管选用Q345B无缝钢管，混凝土选用自密实混凝土，柱高为600mm。空心率指的是钢管外直径与FRP管内直径的比值。具体试件参数见表1。

试件中FRP管的物理参数如下：轴向弹性模量为12.641GPa，轴向强度为223MPa，泊松比为0.106；环向弹性模量为48.04GPa，环向强度为715.8MPa，泊松比为0.33。4个试件中FRP管内直径均为300mm，荷载偏心距均为0，即轴心受压。

2 有限元模型

2.1 混凝土 ANSYS软件设置了专门用于混凝土材料的8节点实体单元-SOLID65，将混凝土材料视为各向同性材料，混凝土的本构关系选用滕锦光教授提出的约束混凝土应力-应变关系模型[7]，选择多线性等向强化模型（MISO）输入由该本构关系导出的混凝土的应力应变数据。

2.2 钢管 钢管的单元类型选用8节点六面体实体单元-SOLID45，该单元可以考虑大变形、大应变、塑性和屈服等问题。将钢管视为各向同性材料，其本构关系选用理想的弹塑性模型，与之对应选用ANSYS中的双线性等向强化模型（BISO）。

2.3 FRP管 该组合柱中FRP管的主要作用是为混凝土和钢管提供环向约束力，因此，文章忽略外部FRP管的轴向作用，通过设置SHELL41单元的关键字来实现材料仅在环向受拉的目的。计算过程以外部FRP管的环向应力达到环向极限抗拉强度为终止标志。

2.4 网格划分及求解设置 试验过程中各材料之间并未出现明显的轴向相对变形[7]，因此假定三种材料在轴向变形协调，同时将混凝土最外层表面赋予FRP管材料属性。自动时间布长设置为ON的状态，收敛准则选择位移控制，收敛精度取为4%。

3 结果分析

试验中该4个受压组合短柱的最终破坏状态大致均为：试件达到极限承载力时，FRP管中部位置发生环向脆性断裂，并伴随较大的断裂声响。以Ⅰ-0-10-0.73-600试件为例，试验加载初期，试件存在轻微的轴向缩短和环向膨胀现象，轴力达到90%极限承载力左右时，FRP管发生清脆的断裂声，随着荷载增加，FRP管产生环向条纹并逐渐增多，直至达到试件极限承载力时，FRP管发生环向断裂，最终的破坏形态参见文献[6]。有限元模拟中以外部FRP管环向应变达到极限环向应变为破坏标志。

表2显示的是试件的极限承载力与极限位移的试验结果和ANSYS计算结果，可以看出FRP管-钢管双壁约束混凝土组合柱具有较高的承载力和较好的延性。其中Ⅰ-0-10-0.73-600、Ⅱ-0-6-0.73-600、Ⅲ-0-3-0.73-600试件的极限承载力与轴向极限位移的计算值均取得了较大值，是因为仿真模拟过程中认为三种材料接触面为共用作用面，即忽略了三种材料之间的轴向相对位移，同时材料性能采取了较理想化的本构模型。而Ⅳ-0-6-0.6-600试件轴向极限位移的试验值取得了较大值，这里考虑试验过程中的区别于数值模拟过程严格的失效判断标志的人为判断误差。

图1给出了4个试件的荷载-位移对比曲线，从中大致可以看出，4个试件的计算曲线与试验曲线比较吻合。其中Ⅱ-0-6-0.73-600试件的模拟效果最好，Ⅰ-0-10-0.73-600、Ⅳ-0-6-0.6-600试件的荷载-轴向应变曲线中第一曲线阶段比较吻合，第二曲线阶段的斜率偏小，原因可能是试验过程中组合柱各组成材料之间出现不同程度的粘结滑移，导致受荷组合截面面积减小，刚度降低，而数值模拟过程忽略了这一情况。Ⅰ-0-10-0.73-600、Ⅲ-0-3-0.73-600、Ⅳ-0-6-0.6-600试件荷载-轴向应变曲线的承载力拐点值的试验值偏大，这可能跟本文选取的各材料的物理属性有关，尤其是混凝土应力-应变关系模型的选取。

4 结语

本文在浙江大学许平[6]进行的FRP管-钢管双壁约束混凝土组合短柱轴压试验的基础上，选取4个参数齊全的试件，利用非线性有限元软件ANSYS对该试验过程进行了有限元模拟，并对试件的荷载-轴向应变曲线的计算结果与试验结果以及试件轴向承载力与轴向极限位移的计算值与试验值进行了对比分析，结果表明，采用本文中的材料属性与非线性求解设置等，ANSYS软件可以对FRP管-钢管双壁约束混凝土组合短柱的轴压性能进行很好的数值模拟，验证了本文数值方法的有效性，为以后该类试件的研究提供了参考。

参考文献：

[1]马志庆.FRP-混凝土-钢管组合方柱偏压性能研究[D].郑州：郑州大学，2013.

[2]徐毅，陶忠.新型FRP-混凝土-钢管组合柱抗震性能研究[J].福州大学学报（自然科学版），2005，S1：309-315.

[3]钱稼茹，刘明学.FRP-混凝土-钢双壁空心管短柱轴心抗压试验研究[J].建筑结构学报，2008，02：104-113.

[4]王代，段向攀，王勇智.FRP-混凝土-钢管组合方柱轴心抗压试验研究[J].混凝土与水泥制品，2013，10：39-42.

[5]张冰.FRP管-高强混凝土-钢管组合短柱轴压性能试验研究[D].哈尔滨工业大学，2009.

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

[7]Lam，L. and Teng，J. G. （2002b）Stress-Strain Models for FRP-confined Concrete， Research Centre for Advanced Technology in Structural Engineering， The Hong Kong Polytechnic University， Hong Kong，China，May，37pp.