軸壓比對(duì)碳纖維鋼骨—鋼管混凝土柱影響分析

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(jié)構(gòu)研究可以看出,其結(jié)構(gòu)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(yáng)了二者的長(zhǎng)處,是一種新的結(jié)構(gòu)形式。該柱的外圍根據(jù)需要可以設(shè)置鋼筋,也可不設(shè),在混凝土柱的中心部位設(shè)置鋼管,在鋼管的外側(cè)四角設(shè)置鋼骨,鋼骨通過鋼筋連接成整體,沈陽建筑大學(xué)部分學(xué)者對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了較為深入的研究,結(jié)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(diǎn),彌補(bǔ)鋼管混凝土組合柱的不足;碳纖維鋼骨—鋼管混凝土是對(duì)該課題的更深一步的研究,是對(duì)鋼骨—鋼管混凝土體系的擴(kuò)充。

盧亦焱教授提出了采用粘貼碳纖維和外包角鋼骨架復(fù)合加固的概念,其研究表明:采用復(fù)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(fù)合加固法進(jìn)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(jié)的本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,利用大型通用有限元分析軟件 ABAQUS對(duì)碳纖維鋼骨—鋼管混凝土柱進(jìn)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(shè)計(jì)尺寸

鋼管與角鋼均采用Q 235級(jí)鋼材;鋼管的直徑為 133 mm、壁厚 5mm;角鋼的型號(hào)為∠50×4,可通過焊接兩片鋼板來實(shí)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(cè)抹平。外側(cè)外包一層單向環(huán)向 CFRP;縱向鋼筋和箍筋均采用 HPB235級(jí)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(gòu)模型的選擇

表1 試件參數(shù)

為了進(jìn)行外包角鋼與碳纖維復(fù)合加固鋼管混凝土疊合柱的力學(xué)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(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系模型,試件參數(shù)見表1。

1)混凝土的本構(gòu)模型。a.鋼管內(nèi)的核心混凝土在受壓時(shí)考慮鋼管對(duì)混凝土的約束作用,核心混凝土的本構(gòu)模型采用韓林海教授研究的本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算,具體如圖 1所示;b.復(fù)合加固時(shí)對(duì)混凝土的約束,應(yīng)綜合考慮CFRP和角鋼綜合骨架的作用。盧亦焱教授提出了復(fù)合加固時(shí)混凝土的本構(gòu)關(guān)系,本文就采用此種本構(gòu)關(guān)系,具體如圖 2所示。

2)鋼材的本構(gòu)模型。目前應(yīng)用較廣的鋼筋本構(gòu)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(jié)果的處理,本文分析中采用理想彈塑性模型。鋼管單軸應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式為:當(dāng) ε≤εs,σs=Esεs;當(dāng) ε＞εs,σs=fy。

3)CFRP的本構(gòu)模型。碳纖維增強(qiáng)塑料考慮為線彈性,當(dāng)達(dá)到纖維的極限應(yīng)變 εf時(shí),纖維斷裂,認(rèn)為其不能再承受荷載,其具體表達(dá)式如下:當(dāng) ε≤εf,σf=Efε;當(dāng) 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(diǎn)線性減縮積分式單元,縱向鋼筋和水平箍筋采用 2節(jié)點(diǎn)線性減縮積分式三維桁架單元,采用 4節(jié)點(diǎn)膜單元(M 3D4)模擬纖維增強(qiáng)塑料。

1.4 荷載步設(shè)置

為了能夠使計(jì)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?jiǎng)澐?/h3>

在進(jìn)行有限元計(jì)算分析時(shí),網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到分析是否能夠順利、快速地完成,也關(guān)系到是否能得到高精度的分析。在反復(fù)的試驗(yàn)之后,筆者選擇了一種能夠在計(jì)算結(jié)果精度和花費(fèi)時(shí)間代價(jià)上達(dá)到平衡的一種劃分密度,使其達(dá)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(duì)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(duì)的位移。對(duì)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(jié)果分析

2.1 各構(gòu)件的變形圖及應(yīng)力圖

本文通過 ABAQUS有限元軟件分別分析了構(gòu)件在軸壓比為0.2,0.4和 0.6下的變形性能。構(gòu)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(cè)向施加水平荷載。由此得到了在不同軸壓比情況下構(gòu)件的變形大小,以下筆者僅以 n=0.4時(shí)為例,利用ABAQUS軟件分析得到的構(gòu)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(yīng)力云圖,并對(duì)其進(jìn)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(yīng)力云圖,從圖上清楚的看出核心混凝土受壓一側(cè)已經(jīng)達(dá)到了核心混凝土的抗壓屈服強(qiáng)度。圖 5為鋼管的應(yīng)力云圖,柱根部固定端的應(yīng)力最大,也即為構(gòu)件的破壞處。遠(yuǎn)離水平荷載一側(cè)鋼管受壓破壞,而水平荷載一側(cè)鋼管近固端約束處鋼管受拉破壞,達(dá)到了鋼管的屈服強(qiáng)度。圖 6為角鋼綴板應(yīng)力云圖,根部應(yīng)力較大。另外碳纖維的破壞并沒有在角部產(chǎn)生應(yīng)力集中,這說明復(fù)合加固的加固方式對(duì)方柱的應(yīng)力集中產(chǎn)生了很好的抑制作用。

2.2 試件的應(yīng)力—應(yīng)變分析

通過反復(fù)調(diào)試各試件軸壓的ABAQUS模擬最終實(shí)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(diǎn)的應(yīng)力—應(yīng)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(yīng)力—應(yīng)變曲線的峰值提高,即隨著軸壓比的增大,核心混凝土的應(yīng)力增大。外部混凝土和鋼管也有同樣的現(xiàn)象,不過應(yīng)力增加的幅度較小。

3 結(jié)語

本文利用ABAQUS有限元分析軟件,對(duì)碳纖維鋼骨—鋼管混凝土柱在不同軸壓比下的受力進(jìn)行了全過程計(jì)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(gòu)件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線,結(jié)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(yīng)力應(yīng)變曲線峰值提高,即應(yīng)力增大;相對(duì)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(jié)構(gòu)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

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

[3] 張宇博,徐亞豐.不同長(zhǎng)細(xì)比下L形鋼管混凝土芯柱軸壓力學(xué)性能有限元分析[J].第十屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì),工業(yè)建筑,2010(2):11-12.

[4] 韓林海,陶 忠,王文達(dá).現(xiàn)代組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)——試驗(yàn)、理論和方法[M].北京:科學(xué)出版社,2009.