李運(yùn)凱 王晨

（煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005）

鋼結(jié)構(gòu)有著強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，然而鋼結(jié)構(gòu)在受壓狀態(tài)下易發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞如圖1 所示，通常出現(xiàn)較突然且造成較嚴(yán)重的損失，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。近年來(lái)，纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料(FRP)在土木工程領(lǐng)域得到了應(yīng)用和發(fā)展[1-5]，F(xiàn)RP 可以良好的約束住鋼構(gòu)件，使長(zhǎng)細(xì)比較大鋼構(gòu)件在受壓情況下仍具有較高的穩(wěn)定性能。錢(qián)鵬[6]等針對(duì)細(xì)長(zhǎng)CFRP 一鋁合金復(fù)合管進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)研究，分析了其基本受力性能和破壞模式，基于試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析得到了該組合管的屈曲荷載計(jì)算公式。錢(qián)拓[7]對(duì)CFRP 加固圓鋼管柱在軸心荷載作用下的穩(wěn)定性能進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元分析研究。發(fā)現(xiàn)CFRP 可以很好的提高圓鋼管的軸壓下的極限承載力，并通過(guò)模擬分析提出了CFRP 加固軸壓圓鋼管柱的極限承載力修正公式。魯效堯[8]采用ABAQUS 有限元軟件對(duì)未加固框架節(jié)點(diǎn)、碳纖維加固框架節(jié)點(diǎn)、碳纖維與角鋼組合加固框架節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果顯示碳纖維與角鋼進(jìn)行組合加固是最為有效的，承載能力得到了較大提高，同時(shí)隨著碳纖維布纏繞層數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)承載能力逐漸增加。陳家旺,完海鷹[9]通過(guò)CFRP 加固方鋼管柱與未加固方鋼管柱分別進(jìn)行軸心受壓加載試驗(yàn)研究，分析了纖維復(fù)合材料鋪層厚度與角度對(duì)試件受壓破壞的影響從而提出了復(fù)合材料加固方鋼管柱穩(wěn)定承載力計(jì)算公式的修正系數(shù)，并通過(guò)有限元軟件進(jìn)行了分析對(duì)比得出較為合理的修正系數(shù)。馮鵬,林旭川[10]等對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分別對(duì)圓管截面和方管截面的鋁合金進(jìn)行了纏繞約束，增強(qiáng)的組合構(gòu)件分別進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)、長(zhǎng)管軸壓穩(wěn)定試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)，通過(guò)這些試驗(yàn)研究進(jìn)行了理論分析提出了軸心受壓下的組合構(gòu)件的承載離計(jì)算公式和組合構(gòu)件的局部屈曲承載力計(jì)算公式。呂海波[11]采用GFRP 管對(duì)軸心受壓角鋼構(gòu)件進(jìn)行抗屈曲加固，加固后角鋼構(gòu)件的極限承載力提、延性得到一定程度的提高；采用GFRP 管加固對(duì)長(zhǎng)細(xì)比較大的構(gòu)件效果較明顯?，F(xiàn)有研究中多進(jìn)行了FRP 與鋼構(gòu)件的組合結(jié)構(gòu)軸壓性能試驗(yàn)研究，然而實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)很難做到僅軸心受壓。這是由于構(gòu)件存在著材料缺陷、幾何缺陷等，故對(duì)FRP約束鋼構(gòu)件有必要進(jìn)行進(jìn)一步性能研究。本文采用有限元軟件ABAQUS 模擬了GFRP 約束圓鋼管軸壓與偏壓不同狀態(tài)下屈曲性能。GFRP 約束圓鋼管組合構(gòu)件示意圖如圖2 所示，外側(cè)采用玻璃纖維（GFRP）環(huán)向纏繞圓鋼管即纖維方向平行于圓鋼管截面方向。玻璃纖維對(duì)圓鋼管全長(zhǎng)約束，L 為約束長(zhǎng)度。其中D 為組合構(gòu)件外直徑、Ds 為圓鋼管外直徑、t 為玻璃纖維約束厚度、ts 為圓鋼管壁厚。e 代表了加載點(diǎn)距組合構(gòu)件軸心距離，e=0 代表了軸心受壓、e≠0 代表了偏心受壓。本文主要研究纖維厚度與加載偏心距對(duì)GFRP 約束圓鋼管的屈曲性能的影響，L×Ds×ts（900mm×61mm×1.5mm）取定值。試件分組編號(hào)及模擬結(jié)果如表1，編號(hào)采用字母數(shù)字組合方式以T3E5 為例表示了該組合構(gòu)件纖維約束厚度為3mm,加載點(diǎn)距軸心距離為5mm。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)破壞

圖2 組合構(gòu)件示意圖

表1 試件分組編號(hào)及模擬結(jié)果

1 有限元模擬

1.1 模型建立

利用商業(yè)有限元軟件ABAQUS 建立了GFRP 約束圓鋼管組合構(gòu)件的有限元模型如圖3 所示。其中每層GFRP 布厚度為1mm，GFRP 纏繞鋪層在有限元軟件的實(shí)現(xiàn)如圖4 所示。采用八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元和簡(jiǎn)化積分沙漏控制(C3D8R)模擬圓鋼管，對(duì)于GFRP 采用殼單元(S4R)進(jìn)行模擬。選擇10 毫米的平均網(wǎng)格尺寸是因?yàn)樗诮Y(jié)果的精度和計(jì)算時(shí)間的合理性。圓鋼管的界面和GFRP 界面使用有限元模型中的“tie”接觸。在ABAQUS 中的組合構(gòu)件頂部和底部分別設(shè)置一個(gè)參考點(diǎn),分別為頂部和底部參考點(diǎn),使其構(gòu)件頂部和底部與參考點(diǎn)耦合起來(lái)。對(duì)組合構(gòu)件底部參考點(diǎn)的X 向、Y 向、Z 向的平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)全部約束起來(lái)，頂部參考點(diǎn)的X 向、Y 向平動(dòng)及X 向、Z 向轉(zhuǎn)到需約束起來(lái)。通過(guò)改變頂部參考點(diǎn)X 向距組合構(gòu)件中心點(diǎn)的距離實(shí)現(xiàn)偏心受壓。為了觸發(fā)初始不規(guī)則性，導(dǎo)致試件在壓縮載荷下不穩(wěn)定，將初始缺陷應(yīng)用于有限元模型。在計(jì)算載荷條件的影響之前，首先對(duì)所建立的模型進(jìn)行特征值屈曲分析。在有限元模型中引入了一階屈曲模態(tài)的形狀作為初始缺陷，該模態(tài)的變形相當(dāng)于總長(zhǎng)度的1/1000。在ABAQUS 中打開(kāi)“Nlgeom”函數(shù)，以考慮大位移的非線性效應(yīng)。

圖3 組合構(gòu)件的有限元模型

圖4 組合構(gòu)件的GFRP 鋪層模型

1.2 材料屬性

該模型中對(duì)圓鋼管采用雙線性應(yīng)力應(yīng)變模型。該模型采用各向異性彈性材料來(lái)反映GFRP 材料性能，不同方向的材料特性使用ABAQUS 中的工程常數(shù)定義。建立圓柱坐標(biāo)系以限定玻璃纖維的材料方向，玻璃纖維的方向平行與圓鋼管截面。在有限元軟件ABAQUS 中定義了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的Hashin 失效準(zhǔn)則來(lái)模擬玻璃纖維的失效。圓鋼管與玻璃纖維材料屬性見(jiàn)表2。

表2 材料屬性

2 結(jié)果分析

有限元模擬GFRP 約束圓鋼管的壓曲峰值荷載見(jiàn)表1，其中T0E0 代表了單獨(dú)圓鋼管軸壓狀態(tài)，峰值荷載為63.5kN。采用GFRP 約束圓鋼管可以有效的提高該試件的壓曲峰值荷載，由表1 可知只有T1E10 試件的峰值荷載略小于圓鋼管軸壓峰值荷載，其主要原因?yàn)榇嗽嚰腉FRP 約束厚度較低且受壓偏心距較大，從而降低了約束效果；其它試件的峰值荷載均高于圓鋼管軸壓峰值荷載，體現(xiàn)了GFRP 可以較好的為圓鋼管試件提供約束性能從而提高組合時(shí)間的壓曲峰值荷載。GFRP 約束圓鋼管的壓曲峰值荷載變化曲線如圖5，分別為GFRP 纏繞厚度一定情況下偏心距對(duì)峰值荷載的影響，偏心距一定情況下GFRP 纏繞厚度對(duì)峰值荷載的影響。當(dāng)GFRP 約束厚度為1mm 時(shí)，受壓偏心距5mm 相對(duì)軸心受壓降低了15.3%，受壓偏心距10mm 相對(duì)軸心受壓降低了23.1%；當(dāng)GFRP 約束厚度為2mm 時(shí)，受壓偏心距5mm 相對(duì)軸心受壓降低了23.3%，受壓偏心距10mm 相對(duì)軸心受壓降低了29.2%；當(dāng)GFRP 約束厚度為3mm 時(shí)，受壓偏心距5mm 相對(duì)軸心受壓降低了32.5%，受壓偏心距10mm 相對(duì)軸心受壓降低了36.9%。當(dāng)試件受壓偏心距為0mm 時(shí)，GFRP約束厚度2mm、3mm 相比與約束厚度1mm 分別增加了17.3%、41.65%；當(dāng)試件受壓偏心距為5mm 時(shí)，GFRP 約束厚度2mm、3mm 相比與約束厚度1mm 分別增加了6.2%、12.9%；當(dāng)試件受壓偏心距為10mm 時(shí)，GFRP 約束厚度2mm、3mm 相比與約束厚度1mm 分別增加了8.0%、16.1%。

圖5 峰值荷載變化曲線

3 結(jié)論

通過(guò)有限元軟件ABAQUS 對(duì)GFRP 約束圓鋼管試件進(jìn)行了軸壓與偏壓狀態(tài)的模擬分析得到了GFRP 纏繞厚度、偏心距大小對(duì)該試件壓曲峰值荷載的影響。主要結(jié)論如下：

3.1 GFRP 可以有效的為圓鋼管提供約束，從而提高試件的抗壓曲性能。

3.2 當(dāng)GFRP 約束厚度一定時(shí)，隨著偏心距的增加，試件的受壓峰值荷載呈非線性遞減趨勢(shì)，且GFRP 約束厚度越大受偏心距影響越大。

3.3 當(dāng)試件受壓偏心距一定時(shí)，隨著GFRP 約束厚度的增加，試件的受壓峰值荷載呈非線性遞增趨勢(shì)。當(dāng)偏心距為零時(shí)，試件的受壓峰值荷載遞增效果最為明顯。