于 洋，國慶波，吳紫陽

(1.東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田路橋工程有限責任公司第六工程處，黑龍江 大慶 163453；3.大慶油田有限責任公司第三采油廠，黑龍江 大慶 163113)

GFRP管-混凝土-鋼管組合柱是由GFRP外管、內(nèi)置鋼管和兩者之間的混凝土三部分組成的新型組合構件(GFRP tube-concrete-steel double-skin tubular column，簡稱DSTC)，兼具雙GFRP管混凝土組合柱、雙鋼管混凝土組合柱和GFRP管實心混凝土柱三者的優(yōu)點于一身.GFRP管通過約束核心混凝土來提高組合構件的承載力，同時能夠有效保護混凝土和鋼管，具有良好的延性和抗震性能[1-5].由于對GFRP管-混凝土-鋼管組合柱偏壓力學性能的研究較為匱乏，且考慮到實際工程中管柱大都在偏心受力狀態(tài)下工作，因此研究這種結(jié)構形式在偏心受壓下的力學性能是十分有意義的.

1 有限元模擬與驗證分析

1.1 模型基本假定

出于對GFRP管-混凝土-鋼管組合柱的組成和工作機理的考慮，同樣為了方便分析計算，也為了保證模擬結(jié)果與實際情況的吻合，進行如下假定[6]：GFRP管、混凝土、鋼管三者之間的黏結(jié)十分牢靠，不會產(chǎn)生相對滑移，且共同協(xié)調(diào)變形；只考慮GFRP管環(huán)向的約束力，軸向上不受力；假設混凝土在軸向上所受約束是均勻分布的.此外，當鋼管等效應力達到其設定的屈服強度，或者GFRP管等效應力達到其預設的環(huán)向抗拉強度時，認定試件破壞，計算停止.

1.2 有限元模型構建

選取文獻[7]中試驗的2根GFRP管-混凝土-鋼管組合柱構件，進行驗證工作，然后利用有限元軟件ANSYS，建立GFRP管-混凝土-鋼管組合柱構件的有限元模型，且各項參數(shù)與文獻的試驗參數(shù)一致，與已有的試驗數(shù)據(jù)進行對比.

為了使材料間更好的耦合，也考慮到單元與材料的匹配度及適用性，混凝土材料的單元采用SOLID65單元.在模擬時，對混凝土選用多線性等強硬化模型(MISO).GFRP管采用SOLID45單元，在ANSYS中，選取雙線性隨動強化模型(BKIN)[8]，并假定GFRP材料為線彈性材料[9]，且不考慮其各向異性的材料特性，僅考慮GFRP管在環(huán)向上對混凝土的約束作用.對鋼內(nèi)管選取與GFRP管相同的單元，即SOLID45單元，模擬時采用雙線性等向強化模型(BISO).

進入ANSYS，首先定義文件名和標題名，然后定義材料所選用的單元、本構關系、泊松比、彈性模量、構件直徑、厚度等一系列必要參數(shù)，完成準備工作后采用直接成體的建模方法建立組合柱的幾何模型，并對其進行網(wǎng)格化分.對試件底部混凝土、鋼管施加X、Y、Z三個方向的全約束，試件頂端為自由端.構件幾何模型如圖1所示，網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖1 DSTC幾何模型

圖2 DSTC網(wǎng)格劃分

1.3 荷載施加

為研究DSTC的偏心受壓性能，需要對構件施加偏心荷載.為了防止用集中荷載造成的構件頂面應力集中，使其及早的破壞情況產(chǎn)生，參照文獻[10]的方法，把偏心荷載等效為均勻分布力和彎矩.由于本研究的構件涉及到非線性，因此利用MPC184單元，在組合柱頂面的中心上方建立1個節(jié)點，然后與柱頂面的混凝土和鋼管的節(jié)點耦合分別形成多根剛性梁，那么此時就可以把需要的彎矩加到利用MPC184單元建立的節(jié)點上了，通過剛性梁形成的剛性面?zhèn)鬟f荷載.具體施加的過程如圖3所示.

圖3 剛性單元與荷載施加

1.4 數(shù)據(jù)對比

試件極限承載力與極限位移對比結(jié)果見表1.從表1中的數(shù)據(jù)對比可知，試驗所得數(shù)據(jù)與模擬所得數(shù)據(jù)有一定誤差，但誤差都在15%以下.這可能是由于試驗過程中操作產(chǎn)生的誤差，以及模擬過程中材料單元和材料本構關系的選取、網(wǎng)格的劃分等因素所導致的結(jié)果的差異性，但是可以接受.

表1 極限承載力與極限位移對比結(jié)果

1.5 荷載-位移曲線對比

荷載-位移曲線對比如圖4所示.由圖中可知，試驗所得曲線與模擬所得曲線的變化趨勢基本一致，因而所建模型可以較好地模擬構件的受力全過程，具有可行性，可用于接下來的研究工作.

圖4 模擬與文獻的荷載-位移曲線對比

2 力學性能分析

2.1 材料參數(shù)

在模擬GFRP管-混凝土-鋼管偏心受壓構件時，主要用到GFRP管、混凝土、鋼管這三種材料.它們的具體參數(shù)見表2、表3、表4.

表2 GFRP管材料參數(shù)

表3 混凝土材料參數(shù)

表4 鋼管材料參數(shù)

2.2 構件參數(shù)

對混凝土強度影響的研究，采用控制變量的方法，選取了C30、C45、C60這三種混凝土強度等級；通過增加GFRP管厚度和增大配鋼率，進行橫向?qū)Ρ?；GFRP管內(nèi)徑為300 mm.試件參數(shù)見表5(表中長徑比為組合柱長度與GFRP管內(nèi)徑的比值).通過分析不同混凝土強度情況下的荷載-位移曲線、極限承載力等，以總結(jié)混凝土強度對組合結(jié)構力學性能的影響規(guī)律.DSTC組合柱橫截面如圖5所示，偏心荷載施加如圖6所示.

圖5 DSTC組合柱橫截面示意圖

圖6 偏心荷載施加示意圖

構件分組構件編號強度等級偏心距/mm長徑比空心率GFRP管厚度/mm鋼管厚度/mm對比N組DSTC-1C303030.665DSTC-2C453030.665DSTC-3C603030.665參照組O組DSTC-4C303030.685DSTC-5C453030.685DSTC-6C603030.685增加GFRP管厚度P組DSTC-7C303030.666DSTC-8C453030.666DSTC-9C603030.666增大配鋼率

2.3 等效應力云圖分析

分別提取GFRP管、鋼管、混凝土的等效應力云圖，并進行對比，以分析受力情況與破壞趨勢.由于受力情況、破壞情況大體相似，故而以O組的DSTC-4為例.應力云圖如圖7所示，等效應力單位為MPa.

圖7 DSTC-4等效應力云圖

由圖7可以看出，GFRP外管、混凝土以及內(nèi)鋼管的最大等效應力不論是在靠近軸力一側(cè)，還是在相反的一側(cè)，都集中在其管體的中部偏下的區(qū)域，因此可以認為組合柱的破壞位置是在柱體的中部偏下區(qū)域.

2.4 荷載-位移曲線分析

2.4.1 組內(nèi)荷載-位移曲線對比

組內(nèi)荷載-位移曲線如圖8所示.構件的極限位移是組合柱頂面在偏心荷載作用下所產(chǎn)生側(cè)移的最大值.從圖8中可以看出：各圖中3條荷載-位移曲線的趨勢大體相似；加載初期，3條曲線基本重合；曲線的切線斜率較大，隨著荷載的加大，曲線的切線斜率逐漸變小且不再重合；混凝土等級低的曲線的切線斜率變小的速率較慢，最后曲線都趨于水平，甚至略有下降；在相同荷載作用下，混凝土等級低的構件產(chǎn)生的偏移較大；混凝土等級越高，構件的極限位移就越小.

圖8 組內(nèi)荷載-位移曲線

2.4.2 組間荷載-位移曲線對比

組間荷載-位移曲線如圖9所示.從圖9中可以看出：在混凝土等級相同時，荷載-位移曲線基本重合；加大GFRP管厚度和鋼管厚度都會加大組合柱的極限位移；在混凝土等級較低時，鋼管壁厚的加大，組合柱的極限位移提高明顯；隨著混凝土等級的不斷提高，加大GFRP管壁厚及鋼管厚度對組合柱極限位移的提高都不太明顯，但當混凝土等級較高時，加大GFRP管壁厚對于組合柱極限位移的提升效果要略好于加大鋼管厚度.

圖9 組間荷載-位移曲線

2.5 極限承載力分析

承載力代表組合柱所能承受的偏心荷載的能力，而極限承載力是組合柱所能承受的最大的偏心荷載.構件極限承載力情況見表6.由表6可知，當組合柱其他影響因素不變時，隨著混凝土強度等級的增大，3組試件的極限承載力隨之增大，其中N組的N2的極限承載力比N1提高了20.7%，N3的極限承載力比N2提高了14.7%.由此可見,隨著混凝土強度等級的不斷增大，構件極限承載力增長的幅度逐漸減小.O組和P組亦呈現(xiàn)出這樣的規(guī)律.

表6 極限承載力

圖10 混凝土強度-極限承載力曲線對比

混凝土強度-極限承載力曲線對比如圖10所示.由圖中可知：增大GFRP管壁厚以及增大內(nèi)鋼管厚度，對組合柱在偏心受壓狀態(tài)下的極限承載力都有著提升作用；在混凝土等級不超過C45時，增大GFRP管壁厚對組合柱承載力的提升有著更好的效果；當混凝土等級在C45左右時，加大內(nèi)外管的厚度對組合柱承載力的提升效果相差不大；一旦混凝土等級超過C45，加大鋼管厚度對組合柱承載力的提高較明顯，且提升效果隨混凝土等級提高越來越好.

原因分析：混凝土在受到壓力后，會發(fā)生橫向變形，此時GFRP管對其產(chǎn)生約束作用，且GFRP管的約束作用隨著混凝土的橫向變形的增長而不斷增大.因此，在相同荷載下，混凝土的等級越低，其橫向變形越大，GFRP管對其的約束效率越高.當混凝土等級較低時，加厚GFRP管厚度，會提高其約束效率，致使核心混凝土強度大幅提高，從而大幅提高承載力.隨著混凝土強度的提高，GFRP管對混凝土的約束作用逐漸變小，對構件承載力的影響變小.

3 結(jié)語

為研究混凝土強度對GFRP管-混凝土-鋼管組合柱偏心受壓下力學性能的影響規(guī)律，利用有限元軟件ANSYS建立了GFRP管-混凝土-鋼管組合柱在偏心受壓下的數(shù)值仿真模型，并與參考文獻中的數(shù)據(jù)進行全面的比對.研究結(jié)果表明誤差值在正常范圍內(nèi)，從而驗證了所建模型的合理性及正確性，為下一步的研究奠定了基礎.在此基礎上，設計9根GFRP管-混凝土-鋼管組合柱模型，通過對比分析組合柱在不同混凝土強度下的等效應力云圖、荷載-位移曲線和極限承載力等大量數(shù)據(jù)，進一步研究了混凝土強度對GFRP管-混凝土-鋼管組合柱偏心受壓下力學性能的影響規(guī)律.得出結(jié)論如下：

1)DSTC組合柱在整個偏心受壓過程中，荷載-位移曲線大致分為3個階段：直線段、平滑曲線段以及斜率近似為0的直線段.

2)根據(jù)等效應力云圖總結(jié)得出試件的GFRP管、混凝土以及鋼管的等效應力最大值都是集中在管體的中部偏下，因而組合柱的破壞位置是在管體的中部偏下.

3)隨混凝土強度的提高，極限承載力的提高幅度逐漸減小；GFRP管的約束效果隨混凝土強度的提高逐漸減弱.

4)混凝土強度的變化對組合柱承載力的影響最為顯著，即隨混凝土強度提高，承載力提高明顯，但延性表現(xiàn)差.在混凝土等級較低時，含鋼率對延性影響明顯.

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