GFRP 管约束海水海砂再生混凝土短柱轴压有限元分析

2021-12-05徐焕林

广东建材 2021年11期

徐焕林

(广东省冶金建筑设计研究院有限公司)

当前，GFRP 管约束混凝土柱由于具有良好的力学性能而逐渐成为国内外学者的研究热点之一。在此基础上，通过利用海水海砂再生混凝土取代普通混凝土，组合成GFRP 管约束海水海砂再生混凝土柱这种新型结构，既能缓解当前我国所面临的资源短缺以及环境破坏问题，又能充分发挥GFRP 管轻质、高强、耐腐蚀等优良特性[1-3]。本研究将在已有试验研究的基础上[4]，对相关试验进行数值模拟，进一步为试验研究提供补充，也为更深入了解组合柱在轴压荷载作用下的受力机理提供参考。

1 研究对象

本研究选取了文献[4] 中的SSRAC-C30-R0、SSRAC-C40-R0、SSRAC-C40-R50、SSRAC-C40-R100 以及SSRAC-C50-R0 五个试件进行数值分析，所分析试件尺寸均为高600mm、内径200mm、GFRP 管壁厚4mm 的组合柱，而核心混凝土强度等级分别为C30、C40、C50，再生骨料取代率包括0、50%及100%。

2 材料本构关系的选取

鉴于文献[4]中试验研究的混凝土为海水海砂再生混凝土，与普通混凝土在力学性能存在一定差异[5-7]，为了更贴合实际试验，建立受约束海水海砂再生混凝土本构关系时，有关混凝土力学性能参数均依据文献[4]中对海水海砂再生混凝土材料性能的试验数据进行采用。

2.1 核心混凝土受压本构关系

由于组合柱在轴压后期GFRP 管能够对核心混凝土的横向变形提供环向约束，故选用无约束的混凝土应力-应变关系并不符合实际。相关研究表明，与试验拟合度较高的本构关系模型包括Ru..sch 模型以及Lam and Teng 模型[8-9]，Ru..sch 所提出的模型较为简单，主要包括上升段二次抛物线以及下降段水平直线，该模型的应力-应变关系表达式为：

对于受约束海水海砂再生混凝土的峰值应变、关系曲线两阶段分界点处海水海砂再生混凝土应变εt以及关系曲线第二阶段直线斜率E2，其表达式分别为：

式中：

Ef——GFRP 管环向弹性模量；

Esec——未约束海水海砂再生混凝土峰值点割线模量；

t——GFRP 管的管壁厚；

r——GFRP 管半径；

εf——GFRP 管断裂应变。

由于Ru..sch 模型在两段关系线分界点处所定义的应变过低，与实际试验结果相差较大，而Lam and Teng模型第一阶段关系与实际更为贴合。结合两种模型的优缺点，本研究提出在上升段采用Lam and Teng 关系模型，在下降段则采用Ru..sch 模型，以此作为受约束海水海砂再生混凝土受压状态下的本构关系。

2.2 GFRP 管本构关系

由于GFRP 管为线弹性材料，其本构关系将简化为弹性材料的应力-应变关系。

3 有限元分析模型建立与计算

3.1 部件建立及材料参数设置

根据组合柱实际尺寸建立起海水海砂再生混凝土、GFRP 管以及CFRP 布三个部件，并对三种材料属性进行定义。

对于海水海砂再生混凝土材料，通过弹性模量以及泊松比对其弹性常数进行定义；此外，海水海砂再生混凝土的非线性问题将采用混凝土损伤塑性模型进行描述。

对于GFRP 管，本研究考虑到GFRP 管的主要作用是为核心混凝土横向变形提供环向约束，所以对于GFRP管的模拟，将不考虑GFRP 管的强度参数以及在轴压后期的损伤，仅仅将GFRP 简化为环向弹性模量在整个轴压过程保持不变的各项异性复合材料。

而对于CFRP 布，则忽略其轴向受压，仅考虑环向受拉，建立模型时选用单层板，然后建立起膜截面，设置厚度后并分配截面完成材料属性的赋予。

创建完各个部件并赋予相应的材料属性后，将各个部件按实际情况组装起来。组装完成的模型可见图1。

图1 模型图

3.2 单元选择及网格划分

本研究对于海水海砂再生混凝土的模拟其单元选择八节点缩减积分实体单元(C3DR8)，而GFRP 管选择四节点缩减积分壳单元(SR4)，CFRP 布则选择4 节点缩减积分膜单元（M3D4R）。本次网格划分方法采用结构化网格划分技术，模型的网格划分可见图2。

图2 模型网格划分图

3.3 部件间的相互作用

由于核心混凝土、GFRP 管以及CFRP 布是相互独立的部件，建立模型时需要对各个部件的接触关系进行定义。对于核心混凝土与GFRP 管接触关系的定义，首先建立起两者之间的相互作用特性，其切向行为采用库伦摩擦模型，而法向行为则采用“硬”接触，然后选择GFRP 管作为主表面、核心混凝土作为从表面进而建立起两者间的相互作用关系。而对于CFRP 布与GFRP 管的接触关系则直接采用Tie 命令将两者绑定[10]。

3.4 边界条件及荷载施加

模型将根据实际试验情况合理添加约束条件，在组合柱底部添加固定约束，即对底部六个自由度进行约束。而对于组合柱顶部，则对除了Z 方向外其余五个自由度进行约束。

模型荷载施加将与试验同步，采用位移加载方式。先在组合柱顶部上方建立起参考点，进而对参考点与组合柱顶部混凝土以及GFRP 管表面进行耦合约束，最后荷载施加时直接将位移施加到参考点上，便实现了对模型的位移加载。由于本次模拟并没考虑GFRP 管的强度参数及损伤，故位移加载直至与试验柱相同位移时停止运算。

4 有限元分析结果与试验结果对比

分别建立了文献[4]中SSRAC-C30-R0、SSRAC-C40-R0、SSRAC-C40-R50、SSRAC-C40-R100、SSRAC-C50-R0 五个试件的数值模型并进行有限元分析，分析完毕后提取模拟变形图以及相应的荷载-位移曲线，与实际试验结果进行对比，并对模型的模拟效果作简单分析。在此基础上，通过对不同阶段海水海砂再生混凝土的应力云图进行分析，进一步对组合柱的受力机理进行探讨。

4.1 现象对比

现以试件SSRAC-C40-R0 为代表，将模型的模拟形态与实际试件试验形态进行对比，见图3。

从图3 可以看出，模拟形态与试验形态较为相似，试件两端变形较小，而中部区域变形则相对较大，组合柱中部有比较明显的向外膨胀，这与试验时组合柱由于GFRP 管中部区域纤维被拉断、管身产生爆裂而破坏的现象相符。

图3 模拟形态与试验形态对比

4.2 荷载-位移曲线对比

通过在参考点上设置场输出，模型运算完毕后，在visualization 模块中通过提取参考点上各个位移以及对应的荷载，进而绘制出相应的荷载-位移曲线，并与实际试验曲线进行对比，具体见图4。

图4 模拟曲线与试验曲线对比

通过对比试验以及模型得出的荷载-位移曲线，可以看出模拟曲线与试验曲线的走势大致相同，吻合度较高。同时，由于模型并没有考虑GFRP 管在轴压后期的损伤，使得曲线后期趋势呈现线弹性走向，模型柱的轴压后期刚度稍大于试验柱，两条曲线间存在一定的误差，但是总体来说，差别并不大。

4.3 应力云图

为了进一步对组合柱轴压过程受力机理的探讨，通过在荷载-位移曲线上标定3 个特征点，把整个轴压过程划分为三个阶段。同时，分别将不同阶段下海水海砂再生混凝土中部截面的纵向应力云图提取出来并进行对比分析。

本次分析以SSRAC-C40-R0 为代表，划分阶段特征点见图5，海水海砂再生混凝土中部截面纵向应力云图可见图6。

图5 特征点图

图6 海水海砂再生混凝土应力云图

在初期受压阶段，从A 点海水海砂再生混凝土的应力云图可以看出，纵向压应力分布均匀且纵向应力较低。这说明此时海水海砂再生混凝土横向变形较小，GFRP 管基本不发挥约束作用，GFRP 与海水海砂再生混凝土各自处于受压状态。

当组合柱进入弹塑性阶段后，从B 点的应力云图可以看出，海水海砂再生混凝土纵向应力有所加大，稍高于轴向抗压强度，且内部纵向压应力高于周边。这说明此时海水海砂再生混凝土在轴压荷载作用下并产生一定的裂缝，横向变形有所增大，GFRP 管开始提供环向约束。

在轴压后期阶段，从C 点应力云图可以发现，海水海砂再生混凝土的纵向压应力进一步增加，且相比于轴压抗压强度有较大幅度的提高；同时，纵向压应力分布并不均匀，从内到外纵向压应力依次降低。这表明此时海水海砂再生混凝土的横向变形持续增大，同时，与GFRP 管间的相互作用也进一步加强，GFRP 管的环向约束提高了海水海砂再生混凝土的极限压应力，从而使得组合柱具有更高的承载力。