李 檀, 周 樂(lè)

(沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

GFRP管鋼骨高強(qiáng)混凝土柱是由3種不同材料組合而成,即由GFRP管-高強(qiáng)混凝土-工字形型鋼組合形成的軸壓受力試件。該組合試件在鋼骨高強(qiáng)混凝土試件的基礎(chǔ)上增加了按照特定角度纏繞的GFRP管,通過(guò)GFRP管對(duì)混凝土的約束作用進(jìn)一步提升了原試件結(jié)構(gòu)的承載力。GFRP作為一種新型材料,因其強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、可塑性強(qiáng)的特點(diǎn)作為傳統(tǒng)建材的一個(gè)重要補(bǔ)充,被賦予了較高期望[1]。但目前我國(guó)對(duì)于這種新型組合試件的理論研究還需完善,因此用有限元模擬對(duì)試件進(jìn)行力學(xué)性能模擬是必要的。

ABAQUS有限元分析作為建筑物安全性評(píng)估的重要手段,可根據(jù)擬建工程與相鄰建筑物信息、相互關(guān)系、圍巖條件及附加載荷,結(jié)合定性分析進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算,并可根據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形和內(nèi)力變化情況,定量分析擬建工程對(duì)相鄰建筑物的安全性影響[2]。本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果,通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件還原建立了GFRP管鋼骨高強(qiáng)混凝土的軸向承載力有限元模型,并與已有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,證明模擬分析的正確性。

1 有限元模型的建立

本文模擬的試件外徑為200 mm,柱高為600 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C70,鋼骨采用I10號(hào)工字鋼,各試驗(yàn)柱主要參數(shù)見表1,模型如圖1所示。其中工字鋼和混凝土建立為實(shí)體拉伸模型并嵌套裝配,組合前對(duì)混凝土模型進(jìn)行切削拉伸處理。GFRP管建立為殼體拉伸模型并與實(shí)體模型嵌套裝配,采用殼體類型的好處是方便對(duì)比修改模型中GFRP試件的厚度。

1.1 材料本構(gòu)關(guān)系

在有限元軟件模擬步驟中,建立材料本構(gòu)關(guān)系模型是整個(gè)環(huán)節(jié)的核心步驟,需要建立準(zhǔn)確且適合所要模擬分析的對(duì)象,充分了解分析材料的性能、試件本身的特性、有限元方法基礎(chǔ)以及軟件本身的計(jì)算方法等[3]。本文數(shù)值模擬計(jì)算中所使用的混凝土本構(gòu)關(guān)系模型采用了文獻(xiàn)[4]試驗(yàn)測(cè)得的C70混凝土材料性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)與Kent-Park三階段混凝土塑性損傷模型(壓縮損傷)[5],這是一種足夠成熟的用來(lái)分析混凝土結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷下的分析模型,能夠滿足本次模擬的需要,模型數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。工字鋼彈塑性為各向同性,選用了與原有材性試驗(yàn)接近的Q355高強(qiáng)鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)減少試驗(yàn)誤差。GFRP殼體的本構(gòu)關(guān)系尚難有足夠成熟完善的模型,本文參照了文獻(xiàn)[6-9]提出的FRP約束混凝土圓柱體的強(qiáng)度計(jì)算簡(jiǎn)化模型,模擬結(jié)果和已有試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,GFRP材料性能如表2所示。

1.2 接觸模型的建立

本文討論的接觸關(guān)系主要是GFRP纖維、混凝土及工字鋼之間的接觸關(guān)系,其黏結(jié)滑移對(duì)模擬結(jié)果影響不大,故本文在組合框架的有限元建模過(guò)程中不考慮GFRP纖維、鋼骨與混凝土之間的黏結(jié)滑移[10]。采用平截面基本假定,在允許的范圍內(nèi)采用了比較簡(jiǎn)化的接觸關(guān)系。GFRP管殼體與混凝土之間的接觸關(guān)系有切向與法向,切向選用了摩擦系數(shù)為0.2的各向同性的摩擦接觸,法向選用了允許接觸后分離的硬接觸,其余選項(xiàng)皆為軟件默認(rèn)值,鋼骨與混凝土之間的接觸關(guān)系采用嵌入處理。

1.3 單元選取

模擬中混凝土和工字鋼均采用8節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的線性六面體單元,即C3D8R實(shí)體單元,其中“C”代表應(yīng)力-位移實(shí)體單元,“3D”代表實(shí)體單元是三維維數(shù),“8”代表單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)目,“R”代表減縮積分,當(dāng)單元具有規(guī)則形狀時(shí),所使用的Gauss積分點(diǎn)的數(shù)目足以對(duì)單元?jiǎng)偠染仃囍械亩囗?xiàng)式進(jìn)行精確積分[11]。外層GFRP管采用4節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的符合材料殼單元,即S4R殼單元,這種單元的特點(diǎn)是允許橫向剪切變形,是通用殼單元的一種。

1.4 網(wǎng)格劃分

在有限元模型的建立中,網(wǎng)格的劃分尤為重要,本文模擬的網(wǎng)格劃分考慮到混凝土內(nèi)置工字鋼的影響,選用了自由網(wǎng)格劃分,自由網(wǎng)格劃分具有更大的靈活性,且對(duì)劃分時(shí)結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀要求不高[12],具體劃分如圖3所示。

2 有限元模型驗(yàn)證

圖4為試件GSC1的有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果,從圖中可以看出,無(wú)論在彈性階段還是彈塑性階段,二者的承載力變化曲線吻合良好。

圖5～圖8為試件應(yīng)力云圖,從圖中可以看出,各材料之間保持著較好的協(xié)同關(guān)系,試件的最終破壞模式為端部局部屈曲破壞[4],且破壞時(shí)試件均未坍塌,證明了有限元模型的正確性。

3 參數(shù)分析

通過(guò)圖5～圖7的對(duì)比可以看出,在3個(gè)試件中鋼骨的破壞形態(tài)最為相近,鋼骨的形變直觀地反映了載荷的增加。而混凝土破壞形態(tài)的差異反映了參數(shù)改變對(duì)模擬模型破壞結(jié)果的影響, GFRP管對(duì)于混凝土形變有一定約束作用。

3.1 GFRP管壁厚度

從模擬試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,壁厚為5 mm的試件GSC2極限承載力大于壁厚為3 mm的試件GSC3的極限承載力,即隨著GFRP管壁厚度增加,試件的極限承載力和軸向極限應(yīng)變都有所提高,即代表GFRP管提供的側(cè)向約束更強(qiáng)[13]。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一假設(shè),將管壁厚度為7 mm、其余參數(shù)與GSC2、GSC3相同的試件GSC4的數(shù)據(jù)輸入模型中,得到的承載力與試件GSC2、GSC3承載力變化曲線如圖9所示。在試件加載的彈性階段模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,但在屈服階段,試件GSC4的極限承載力明顯大于GSC1和GSC2的極限承載力,且3組數(shù)據(jù)之間極限承載力提升幅度符合線性分布,證明了管壁厚度對(duì)試件核心承載力提高具有積極的影響。

圖10 試件GSC1與GSC3承載力變化曲線

3.2 GFRP管纖維纏繞角度

模擬不同纖維纏繞角度主要依靠改變GFRP殼體Hashin損傷模型中不同方向的纖維強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn),在此操作下得到的試件GSC1和GSC3承載力變化曲線如圖10所示。從圖中可以看出,初始階段纏繞角度較小的試件GSC1與試件GSC3相差不大,但試件GSC1的極限承載力卻高于試件GSC3。這是因?yàn)樵谑┘虞d荷的初期,GFRP管的約束作用表現(xiàn)并不明顯,直到進(jìn)入彈塑性階段,GFRP管的約束能力才開始發(fā)揮作用。由此可知,纏繞角度較小,即越接近環(huán)向纏繞的試件環(huán)向緊箍力越強(qiáng),對(duì)混凝土有著更好的約束能力。

3.3 模型破壞形態(tài)

通過(guò)對(duì)圖4、圖5模型破壞形態(tài)與承載力變化曲線的分析可知,GFRP管的破壞出現(xiàn)在載荷達(dá)到極限載荷的60%左右,而直至載荷達(dá)到極限載荷的80%左右,模型的承載力才進(jìn)入屈服階段,這說(shuō)明在此期間GFRP管通過(guò)約束作用對(duì)混凝土施加了環(huán)向的緊箍力,從而使混凝土處于三向受力狀態(tài),提高了模型的承載力。

4 結(jié) 論

1) 有限元模擬結(jié)果與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,證明了GFRP管鋼骨高強(qiáng)混凝土軸壓模型的正確性。

2) GFRP管鋼骨高強(qiáng)混凝土軸心受壓試件的承載力隨著GFRP管壁厚度的增大而增大,隨纏繞角度的增大而減小。

3) 通過(guò)對(duì)模型破壞形態(tài)和數(shù)據(jù)曲線的分析可知,GFRP管通過(guò)約束作用使混凝土處于三向受力狀態(tài),抑制了混凝土的形變,達(dá)到提高承載力的效果。