FRP 筒- 混凝土- 钢管复合柱受力性能有限元分析

杨奔

（北海职业学院）

0 前言

随着科学技术的不断发展，FRP 等新型建筑材料在建筑工程中的应用越来越多，常见的FRP 新型建筑材料主要有FRP 片材、FRP 筒材、FRP 棒材、FRP 格状材等。FRP 片材主要用于加固梁、板等混凝土结构表面，FRP 筒材主要用于加固柱状混凝土结构表面，FRP 棒材（例如FRP 筋）主要用于加固梁、板等混凝土结构内部。常见的FRP 筒材主要有CFRP 筒材、GFRP 筒材等。在建筑工程实践中，采用有限元方法对FRP 筒材加固柱状混凝土结构表面进行模拟仿真是一种可行的研究方法。本文以FRP筒-混凝土-钢管复合柱为例，主要对FRP 筒材加固柱状混凝土结构进行有限元分析。

1 FRP 筒- 混凝土- 钢管复合柱有限元模型的建立

1.1 FRP 筒- 混凝土- 钢管复合柱有限元模型相关参数的设定

采用相关有限元软件，建立一个如图1 所示的FRP筒-混凝土-钢管复合柱的有限元模型。其中，混凝土方柱的边长为500mm，高度为2000mm，混凝土方柱中的混凝土的抗压强度fc为2.4×107N/m2，抗拉强度ft为2.4×106N/㎡，杨氏模量E 为32500MPa，泊松比为0.2，混凝土材料采用混凝土塑性损伤模型。钢管内嵌于混凝土方柱内部，主要起到增强混凝土方柱整体刚度、防倾覆等作用，其杨氏模量E 为190000MPa，泊松比为0.3。FRP 筒外接于混凝土方柱并与混凝土方柱粘结，筒壁厚为20mm。

图1 FRP 筒- 混凝土- 钢管复合柱有限元模型

1.2 FRP 筒的模拟

参照相关FRP 研究资料，FRP 筒采用实体单元进行建模。FRP 筒的材料属性为线弹性，FRP 的弹性模量为237000MPa，泊松比为0.2。

1.3 FRP- 混凝土界面的模拟

参照相关FRP 研究资料，FRP 筒-混凝土-钢管复合柱的有限元模型中，FRP 筒与混凝土柱之间的界面粘结单元用Spring2 单元进行模拟，Spring2 单元的刚度取值自FRP-混凝土界面粘结-滑移关系曲线的一阶导数：

1.4 荷载的施加及网格的划分

FRP 筒-混凝土-钢管复合柱的有限元模型采用压强控制施加荷载。

进行FRP 筒-混凝土-钢管复合柱的有限元模型网格划分时，网格单元形状为六面体，网格近似全局尺寸为20mm。

2 FRP筒- 混凝土- 钢管复合柱有限元模型受力性能的分析

FRP 筒-混凝土-钢管复合柱有限元模型受力性能分析图如图2 所示。

图2 FRP 筒- 混凝土- 钢管复合柱有限元受力性能分析图

经过对FRP 筒-混凝土-钢管复合柱有限元模型受力性能进行分析，可以得出以下分析结果：

⑴FRP 筒能在一定程度上增强混凝土方柱的抗压性能等受力性能。

⑵混凝土方柱单轴受压后，向侧壁方向“膨胀”，因为FRP 筒的约束而受到FRP 筒所施加的侧向力。

⑶FRP 筒的不同部位受力不同，FRP 筒中间部位的受力比其直角部位的受力略高。

3 结语

本文主要从FRP 筒-混凝土-钢管复合柱有限元模型的建立、受力性能分析等方面，对FRP 筒材加固柱状混凝土结构进行了有限元分析，为相关人员提供一定的参考。