CFRP包裹带脱空缺陷圆CFST短柱的偏压受力性能

李景哲,王静峰,2,沈奇罕,盛鸣宇

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009;2.安徽先进钢结构技术与产业化协同创新中心,安徽 合肥 230009)

钢管混凝土结构具有协同工作能力强,承载力高、塑性与韧性好、抗震性能优越、施工方便及经济效益好等显著优势,在实践工程中应用广泛[1]。然而在实际工程中,混凝土生产不规范、施工振捣不密实、截面轴向受压不均匀以及温度变形等因素都可能引起钢管混凝土脱空现象,进而导致承载力不足或损失等后果[2],因此,近年来钢管混凝土的脱空缺陷问题逐渐受到关注。对于脱空缺陷引起的负面影响,可以采用内置法兰盘、剪力钉以及纵向加劲肋[3]和二次灌浆法[4]等方法进行加固补强。但以上方法也伴随着种种弊端,如其忽略构件整体优势、不考虑钢管套箍作用、补强效果不明显以及操作困难等。

相对而言,碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)由于具有质量轻、强度高、施工便捷、耐腐蚀性强及经济性好等优势而被广泛应用于土木工程中。相比于玻璃纤维复合材料和芳纶纤维复合材料的加固效果,CFRP是一种综合性能较为理想的复合加固材料,因而作为结构加固材料被广泛应用于实际工程中[5]。目前对于CFRP包裹无脱空缺陷钢管混凝土(concrete filled steel tube,CFST)构件受力性能的研究较为系统[6-7],结果表明,采用CFRP包裹CFST构件可以有效提高其承载力;然而,关于CFRP包裹带脱空缺陷CFST构件受力性能的研究较少。

为了研究CFRP包裹带脱空缺陷圆CFST短柱的相关受力性能,本文通过ABAQUS软件建立偏压下CFRP包裹带均匀脱空和球冠形脱空的圆CFST短柱的数值分析模型。2种脱空缺陷截面如图1所示。

图1 2种脱空缺陷截面

本文在数值分析模型基础上系统分析了材料参数、几何参数及荷载参数等对其偏压性能的影响,建立荷载-位移曲线,获悉偏压承载力、延性的变化规律,以及典型破坏模式和受力机理,探究CFRP包裹带脱空缺陷圆CFST短柱构件的加固效果。

1 数值分析模型

1.1 材料模型

根据文献[8]的研究,对于无脱空缺陷和球冠形脱空缺陷构件中的核心混凝土,采用文献[9]提出的钢管核心混凝土应力-应变关系模型,表达式为:

(1)

x=ε/ε0

(2)

y=σ/fc

(3)

ε0=εc+800ξ0.2×10-6

(4)

εc=(1 300+12.5fc)×10-6

(5)

ξ=Asfy/(Acfc)

(6)

(7)

其中:σ、ε分别为核心混凝土的应力和应变;εc为普通混凝土应力-应变关系曲线峰值应变;fc为混凝土圆柱体轴心抗压强度,fc=0.79fcu,k,fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值;ξ为钢管的约束效应系数;η=2。

对于均匀脱空缺陷构件中的核心混凝土,若在峰值荷载前与外钢管接触,采用与无脱空缺陷核心混凝土相同本构关系模型;若在峰值荷载前未和外钢管发生接触,则采用无约束的素混凝土模型来模拟其力学性能,其中混凝土的单轴应力-应变关系采用文献[10]中的理论分析模型,表达式为:

(8)

核心混凝土受拉状态参考文献[11]中的混凝土抗拉强度计算公式,开裂应力σt0计算公式为:

(9)

圆钢管和端板均为热轧钢材,其本构关系模型采用文献[12]建议的二次塑流模型。

由于CFRP为非各向同性材料,在水平纤维方向能承受较大的拉应力,在断裂前表现为线弹性,在其他方向上只能承受较小应力。根据文献[13]的相关研究,在计算模型中认为水平纤维方向上CFRP的抗拉强度为断裂强度,并满足胡克定律,其他方向的强度设为0.001 MPa。

1.2 有限元分析模型

构件主要由上、下端板,钢管,核心混凝土及CFRP组成,其中CFRP采用壳单元S4R,其余构件均采用实体单元C3D8R,以保证网格规整对齐的原则进行划分,以均匀脱空比1/200为例,有限元分析模型如图2所示。

图2 CFRP包裹带脱空缺陷圆CFST短柱有限元模型

钢管与核心混凝土之间接触后存在法向接触和切向接触,法向接触设置为“硬接触”,使用罚函数定义切向接触,摩擦系数设置为0.6;对于均匀脱空缺陷构件,钢管和混凝土在受荷初期并未接触,两者之间的初始黏结应力值为0;端板与钢管采用“Tie”绑定模拟焊接;由于CFRP环形包裹钢管,在竖向荷载下,几乎不发生相对滑移,两者间采用“Tie”绑定。为实现计算模型两端铰接,上端板设置刀铰口凹槽,通过参考点与凹槽面耦合,施加竖向位移荷载,下端板对应刀铰口位置处设置偏心铰接线耦合铰接边界条件。

2 试验验证

为了验证有限元分析模型的准确性,本文将根据文献[14]中带脱空缺陷圆CFST短柱偏压试验数据以及文献[15]中CFRP包裹圆CFST短柱偏压柱试验数据来验证有限元分析模型的合理性,分别对比其计算结果,如图3、图4所示。

图3 带脱空缺陷CFST短柱文献[14]偏压试验曲线与本文计算曲线对比

图4 CFRP包裹CFST柱文献[15]偏压试验曲线与本文计算曲线对比

有限元分析计算结果表明,有限元分析模型计算结果与试验结果总体吻合良好。本文建立的有限元分析模型可进一步分析CFRP包裹带脱空缺陷圆CFST短柱的偏压性能。

3 参数分析

为研究偏压荷载下CFRP条带对带脱空缺陷圆CFST短柱的加固效果,分别探究了不同偏心率(e/r)、脱空比(d/D)、钢材强度(fy)、混凝土强度(fcu)、径厚比(D/t)、CFRP强度(fp)及包裹层数(n)等参数对带2种类型脱空圆CFST短柱偏压性能的影响。其中:e为加荷位置的偏心量;r为试件截面外半径;d为脱空量;D为试件截面外直径;t为钢管壁厚。不同参数下构件极限偏压承载力Nu值见表1、表2所列,荷载(N)-位移(Δ)曲线如图5～图7所示。

表1 CFRP包裹带均匀脱空缺陷圆CFST偏压短柱有限元计算参数与结果

表2 CFRP包裹带球冠形脱空缺陷圆CFST偏压短柱有限元计算参数与结果

图5 偏压下6种参数变化时CFRP包裹带均匀脱空缺陷CFST短柱N-Δ曲线

图6 偏压下6种参数变化时CFRP包裹带球冠形脱空缺陷圆CFST短柱N-Δ曲线

图7 CFRP包裹层数对带2种类型脱空缺陷CFST偏压柱N-Δ曲线的影响

3.1 均匀脱空

(1) 偏心率。由图5a和表1可知,随着e/r增加,CFRP包裹带均匀脱空缺陷圆CFST短柱Nu不断降低。与e/r=0.3的构件相比,e/r为0.6、0.9的构件Nu分别降低38.22%、56.78%。

(2) 脱空比。由图5b和表1可知,随着d/D增加,CFRP包裹带均匀脱空缺陷圆CFST短柱Nu不断降低,但d/D过大时,构件Nu出现在钢管屈曲点,此时CFRP仅提高构件延性。与d/D=1/200的构件相比,d/D为2/200、3/200的构件Nu分别降低21.58%、22.50%。

(3) 钢材强度。由图5c和表1可知,不同fy下的N-Δ曲线发展趋势相似,随着fy增加,钢管屈曲时构件承载力增大,但CFRP加固效果减弱。与fy=345 MPa的构件相比,fy=235 MPa的构件Nu降低18.35%,fy=420 MPa的构件Nu降低4.5%。

(4) 混凝土强度。由图5d和表1可知,随着fcu增加,CFRP包裹带均匀脱空缺陷圆CFST短柱Nu提升较小,但在初期钢管屈曲时能给予更多的支撑作用,各等级混凝土构件的N-Δ曲线下降阶段相互重合。与fcu=50 MPa的构件相比,fcu=30 MPa的构件Nu降低0.14%;fcu=60 MPa的构件Nu提高3.11%。

(5) 径厚比。由图5e和表1可知,不同D/t下的N-Δ曲线发展趋势相似,且随着D/t降低,CFRP包裹带均匀脱空缺陷圆CFST短柱Nu不断增加。与D/t=66.66的构件相比,D/t为40.00、25.00的构件Nu分别提高11.67%、47.03%。

(6) CFRP抗拉强度。由图5f和表1可知,随着fp增加,CFRP包裹带均匀脱空缺陷圆CFST短柱Nu提升较小,然而其N-Δ曲线下降阶段随着fp提高逐渐平缓。与fp=3 500 MPa的构件相比,fp为4 500、5 500 MPa的构件Nu分别提高2.84%、3.01%。

(7) CFRP包裹层数。由图7a和表1可知,随着n增加,CFRP包裹带均匀脱空缺陷圆CFST短柱Nu有一定的提高。与n=3的构件相比,n为0、1的构件Nu分别下降25.65%、22.84%,n=5的构件Nu提高16.34%。

3.2 球冠形脱空

(1) 偏心率。由图6a和表2可知,随着e/r增加,CFRP包裹带球冠形脱空缺陷圆CFST短柱Nu不断降低。与e/r=0.3的构件相比,e/r为0.6、0.9的构件Nu分别降低37.17%、56.39%。

(2) 脱空比。由图6b和表2可知,随着d/D增加,CFRP加固效果后移,构件Nu降低较明显。与d/D=4/200的构件相比,d/D为8/200、12/200的构件Nu分别降低7.79%、29.61%。

(3) 钢材强度。由图6c和表2可知,不同fy下的N-Δ曲线发展趋势相似,随着fy增加,CFRP包裹带球冠形脱空缺陷圆CFST短柱Nu不断提高。与fy=345 MPa的构件相比,fy=235 MPa的构件Nu降低12.36%;fy=420 MPa的构件Nu提高8.01%。

(4) 混凝土强度。由图6d和表2可知,随着fcu增加,CFRP包裹带球冠形脱空缺陷圆CFST短柱Nu不断提高,各等级混凝土构件的N-Δ曲线下降阶段相互重合。与fcu=50 MPa的构件相比,fcu=30 MPa的构件Nu降低2.29%;fcu=60 MPa的构件Nu提高7.31%。

(5) 径厚比。由图6e和表2可知,不同D/t下的N-Δ曲线发展趋势相似,且随着D/t降低,CFRP包裹带球冠形脱空缺陷圆CFST短柱Nu不断增大。与D/t=66.66的构件相比,D/t为40、25的构件Nu分别提高34.75%、59.18%。

(6) CFRP抗拉强度。由图6f和表2可知,随着fp增加,CFRP包裹带球冠形脱空缺陷圆CFST短柱Nu提升较小,然而其N-Δ曲线下降阶段随着fp提高逐渐平缓。与fp=3 500 MPa的构件相比,fp为4 500、5 500 MPa的构件Nu分别提高8.03%、8.90%。

(7) CFRP包裹层数。由图7b和表2可知,随着n增加,CFRP包裹带球冠形脱空缺陷圆CFST短柱Nu有一定的提高。与n=3的构件相比,n为0、1的构件Nu分别下降31.99%、23.18%,n=5的构件Nu提高25.83%。

4 全过程非线性分析

4.1 荷载位移曲线

为研究CFRP包裹带均匀脱空缺陷及球冠形脱空缺陷的圆CFST短柱偏压性能,以均匀脱空比为1/200和球冠形脱空比为4/200的构件为例,对比分析2种脱空缺陷形式下典型N-Δ曲线。标准构件信息如下:D=200 mm,t=3 mm,L=720 mm,fy=345 MPa,fcu=50 MPa,e/r=0.3,fp=3 500 MPa,n=3。

(1) CFRP包裹均匀脱空比为1/200构件。偏压下CFRP包裹带均匀脱空缺陷CFST短柱的全过程分析如图8所示。

图8 偏压下CFRP包裹带均匀脱空缺陷构件全过程分析

(2) CFRP包裹球冠形脱空比为4/200构件。偏压下CFRP包裹带球冠形脱空缺陷CFST短柱的全过程分析如图9所示。

图9 偏压下CFRP包裹带球冠形脱空缺陷构件全过程分析

4.2 破坏模式

(1) 均匀脱空。以均匀脱空比1/200为例,CFRP包裹带均匀脱空缺陷构件在偏压荷载下的典型破坏模式如图10所示。

图10 偏压下CFRP包裹带均匀脱空缺陷CFST构件破坏模式

图11 偏压下CFRP包裹带球冠形脱空缺陷CFST构件破坏模式

5 结 论

(1) 本文建立了CFRP包裹带不同脱空缺陷形式圆CFST短柱在偏压荷载下的数值分析模型,通过文献[14-15]试验数据验证数值分析模型具有良好的准确性,可用于CFRP加固偏压下脱空缺陷钢管混凝土柱的计算与分析。

(2) 偏压荷载作用下CFPR包裹带均匀脱空缺陷CFST短柱的破坏模式主要包括CRFP断裂、钢管屈服以及混凝土压溃;偏压下CFPR包裹带球冠形脱空缺陷CFST短柱的破坏模式主要包括CRFP断裂、脱空侧钢管局部屈曲以及脱空侧混凝土局部压溃。

(3) 在构件变形不断增大的过程中,钢管与核心混凝土由原本的分离状态逐渐接触,并产生相互作用,此时钢管有一定的屈曲,CFRP的包裹作用加大了约束作用,限制钢管进一步向外变形,为核心混凝土提供了有效的支撑,同时对构件的延性也有一定程度的提升,直至环向拉力达到最大抗拉极限值时CFRP逐渐断裂,承载力开始下降。

(4) CFRP包裹带脱空缺陷CFST短柱的偏压极限承载力随着偏心率、脱空比和径厚比的增大而减小,随着钢材强度、混凝土强度的增大而增大,且CFRP强度的增大使得构件延性有所提升。