鄒波 張麗 徐亞豐

0 引言

通過目前鋼骨混凝土和鋼管混凝土結構研究可以看出,其結構形式都存在一些不足。鋼骨—鋼管混凝土柱,在一定程度上克服了鋼骨混凝土和鋼管混凝土柱的不足,發(fā)揚了二者的長處,是一種新的結構形式。該柱的外圍根據(jù)需要可以設置鋼筋,也可不設,在混凝土柱的中心部位設置鋼管,在鋼管的外側四角設置鋼骨,鋼骨通過鋼筋連接成整體,沈陽建筑大學部分學者對其力學性能進行了較為深入的研究,結果表明鋼管—鋼骨混凝土柱能夠利用空腹式鋼骨混凝土柱的優(yōu)點,彌補鋼管混凝土組合柱的不足;碳纖維鋼骨—鋼管混凝土是對該課題的更深一步的研究,是對鋼骨—鋼管混凝土體系的擴充。

盧亦焱教授提出了采用粘貼碳纖維和外包角鋼骨架復合加固的概念,其研究表明:采用復合加固的鋼筋混凝土柱,不但能夠提高鋼筋混凝土柱的承載力,且能有效提高柱的變形能力。受此影響,在鋼管混凝土組合柱的加固研究中,擬采用碳纖維和外包剛復合加固法進行加固處理,從而形成了碳纖維鋼骨—鋼管混凝土柱。

綜上所述,筆者在前人總結的本構模型的基礎上,利用大型通用有限元分析軟件 ABAQUS對碳纖維鋼骨—鋼管混凝土柱進行水平荷載保持不變,不同軸壓比作用下的全過程有限元分析。

1 非線性有限元分析模型的建立

1.1 模型的設計尺寸

鋼管與角鋼均采用Q 235級鋼材;鋼管的直徑為 133 mm、壁厚 5mm;角鋼的型號為∠50×4,可通過焊接兩片鋼板來實現(xiàn),綴板高 30mm、厚 4mm,以間距 95或 90沿柱縱向放置;用混凝土將角鋼外側抹平。外側外包一層單向環(huán)向 CFRP;縱向鋼筋和箍筋均采用 HPB235級鋼筋。其中,縱向鋼筋為 4φ10,水平箍筋直徑8mm,間距 100mm。

1.2 材料本構模型的選擇

表1 試件參數(shù)

為了進行外包角鋼與碳纖維復合加固鋼管混凝土疊合柱的力學性能和承載力的研究,必須首先確定鋼管、外包角鋼、核心混凝土、外圍混凝土以及鋼筋的應力—應變關系模型,試件參數(shù)見表1。

1)混凝土的本構模型。a.鋼管內(nèi)的核心混凝土在受壓時考慮鋼管對混凝土的約束作用,核心混凝土的本構模型采用韓林海教授研究的本構模型進行計算,具體如圖 1所示;b.復合加固時對混凝土的約束,應綜合考慮CFRP和角鋼綜合骨架的作用。盧亦焱教授提出了復合加固時混凝土的本構關系,本文就采用此種本構關系,具體如圖 2所示。

2)鋼材的本構模型。目前應用較廣的鋼筋本構模型有:理想彈塑性模型、三折線模型、全曲線模型和雙線性模型。在有限元分析中,一般采用理想彈塑性模型或雙線性模型。為了便于結果的處理,本文分析中采用理想彈塑性模型。鋼管單軸應力狀態(tài)下應力—應變關系數(shù)學表達式為:當 ε≤εs,σs=Esεs;當 ε＞εs,σs=fy。

3)CFRP的本構模型。碳纖維增強塑料考慮為線彈性,當達到纖維的極限應變 εf時,纖維斷裂,認為其不能再承受荷載,其具體表達式如下:當 ε≤εf,σf=Efε;當 ε＞εf,σf=0。

1.3 單元類型的選擇

鋼管、角鋼、綴板、核心混凝土和外圍混凝土采用 8節(jié)點線性減縮積分式單元,縱向鋼筋和水平箍筋采用 2節(jié)點線性減縮積分式三維桁架單元,采用 4節(jié)點膜單元(M 3D4)模擬纖維增強塑料。

1.4 荷載步設置

為了能夠使計算收斂,本分析中的Time period為 0.1;Nlgeom為 on;Maximum number of increments為 100;Initial為 0.001;Minimum為 1E-006;Maximum為 0.1。

1.5 單元劃分

在進行有限元計算分析時,網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接關系到分析是否能夠順利、快速地完成,也關系到是否能得到高精度的分析。在反復的試驗之后,筆者選擇了一種能夠在計算結果精度和花費時間代價上達到平衡的一種劃分密度,使其達到合理劃分的目的。

1.6 不同材料界面的處理

模擬中不采用各種材料之間的相對滑移,用*tie考慮各接觸面之間的相互作用,這樣各接觸面上只有力的傳遞,而沒有相對的位移。對于鋼筋則采用嵌入的方式置入到混凝土的內(nèi)部。

2 有限元模擬結果分析

2.1 各構件的變形圖及應力圖

本文通過 ABAQUS有限元軟件分別分析了構件在軸壓比為0.2,0.4和 0.6下的變形性能。構件下端為固定端,上端為自由端,在柱的頂部施加軸力,在柱端側向施加水平荷載。由此得到了在不同軸壓比情況下構件的變形大小,以下筆者僅以 n=0.4時為例,利用ABAQUS軟件分析得到的構件的最終變形圖以及組成碳纖維鋼骨—鋼管混凝土柱各部分材料的應力云圖,并對其進行深入的探討。圖 3和圖 4分別為核心混凝土和外圍混凝土的應力云圖,從圖上清楚的看出核心混凝土受壓一側已經(jīng)達到了核心混凝土的抗壓屈服強度。圖 5為鋼管的應力云圖,柱根部固定端的應力最大,也即為構件的破壞處。遠離水平荷載一側鋼管受壓破壞,而水平荷載一側鋼管近固端約束處鋼管受拉破壞,達到了鋼管的屈服強度。圖 6為角鋼綴板應力云圖,根部應力較大。另外碳纖維的破壞并沒有在角部產(chǎn)生應力集中,這說明復合加固的加固方式對方柱的應力集中產(chǎn)生了很好的抑制作用。

2.2 試件的應力—應變分析

通過反復調(diào)試各試件軸壓的ABAQUS模擬最終實現(xiàn)了收斂。在加載水平位移為 10mm條件下,提取了各部件在不同軸壓比作用下近根部點的應力—應變曲線,從圖中可以看出,在水平荷載不變的情況下,隨著軸壓比的增大,核心混凝土的應力—應變曲線的峰值提高,即隨著軸壓比的增大,核心混凝土的應力增大。外部混凝土和鋼管也有同樣的現(xiàn)象,不過應力增加的幅度較小。

3 結語

本文利用ABAQUS有限元分析軟件,對碳纖維鋼骨—鋼管混凝土柱在不同軸壓比下的受力進行了全過程計算,主要分析了在水平荷載保持不變,軸壓比不同的情況下各構件的應力—應變曲線,結果表明隨著軸壓比的增大,核心混凝土、外部混凝土以及鋼管的應力應變曲線峰值提高,即應力增大;相對于核心混凝土,外部混凝土和鋼管的變化幅度較小。

[1] 徐亞豐,賈連光.鋼骨—鋼管混凝土結構技術[M].北京:科學出版社,2009.

[2] 盧亦焱,童光兵,趙國藩,等.外包角鋼與碳纖維布復合加固鋼筋混凝土偏壓柱承載力計算分析[J].土木工程學報,2006,39(8):19-26.

[3] 張宇博,徐亞豐.不同長細比下L形鋼管混凝土芯柱軸壓力學性能有限元分析[J].第十屆全國現(xiàn)代結構工程學術研討會,工業(yè)建筑,2010(2):11-12.

[4] 韓林海,陶 忠,王文達.現(xiàn)代組合結構和混合結構——試驗、理論和方法[M].北京:科學出版社,2009.