CFRP-方鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱極限承載力性能研究

李恒林 張童 鄧誠 謝光檁

【摘要】本文在確定CFRP、混凝土和鋼材本構的基礎上，利用ABAQUS軟件建立CFRP-方鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱非線性有限元模型，并進行數值計算，與相關試驗結果進行對比，證明該分析模型的合理性。分析材料強度、截面尺寸等參數對CFRP-方鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱極限承載力的影響規律。結果表明：材料強度對極限承載力的影響較大，可為工程實際應用提供參考。

【關鍵詞】CFRP；鋼管鋼筋混凝土；極限承載力；短柱

碳纖維增強復合材料（即Carbon Fiber Reinforced Plastic，簡寫為CFRP）是由碳纖維材料與基體材料按比例混合而形成的一種高性能新型材料，它具有抗拉強度高、自重輕、抗腐蝕等優點在工程領域得到廣泛應用。鋼管混凝土被廣泛地應用在土木工程各類結構中。但因抗震、抗火等方面的不足，國內外一些研究學者提出在核心混凝土中配置縱向受力鋼筋形成鋼管鋼筋混凝土柱，而被廣泛應用在高層及超高層建筑中。然而隨著現代結構技術的發展，一些高層和超高層建筑的底層結構柱常常要承受更大的荷載，致使含鋼量或柱截面尺寸增大，從而導致工程造價的增加或使用面積的減少，因此將CFRP與鋼管鋼筋混凝土有效地結合在一起將有助于提高構件的整體承載能力和變形能力。故本文基于有限元軟件ABAQUS對CFRP-方鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱有限元模型進行數值計算，分析其在不同參數下極限承載力的變化規律，以期為工程實際提供參考。

一、有限元模型的建立

模型由CFRP、鋼管、混凝土、鋼筋四個部件組成，其中CFRP及鋼管采用SR4單元，混凝土采用C3D8R單元，鋼筋采用T3D2單元；混凝土及鋼材的本構模型采用文獻給出的本構關系式進行數值計算，CFRP本構模型采用文獻給出的本構關系式進行數值計算；CFRP與鋼管、混凝土與鋼管之間的切向接觸方式為Surface-to-surface contact接觸，CFRP與鋼管、鋼管與混凝土之間的法向接觸為硬接觸且摩擦系數取0.3，鋼筋與混凝土之間為Embedded region接觸；加載形式采用位移加載。有限元分析模型網格劃分如圖1。

二、結果驗證與分析

由于CFRP-方鋼管鋼筋混凝土是一種新型組合結構，故對其研究的文獻幾乎沒有，但為了驗證模型建立的合理性，故本文選取文獻中的CFRP-方鋼管混凝土軸壓短柱作為模型的驗證對象，試件部分參數如表1所示，表中L表示試件長度、B表示試件截面邊長，t表示外部鋼管壁厚、n表示外部CFRP布層數，fCFRP、fy、fck分別表示CFRP布單絲拉伸強度、鋼管屈服強度、核心混凝土軸心抗壓強度標準值，Nu、Nc分別表示試驗極限承載力值和計算極限承載力值。圖2給出了計算結果與試驗結果對比，從圖2中可以看出計算結果與試驗結果吻合較好。且從表1可看出Nc/Nu的比值情況，其平均值為0.988，方差為0.007，可見理論計算結果和試驗結果二者相差不大，故證明本模型建立較為合理，可用于理論分析。

四、結語

（1）本文利用ABAQUS有限元軟件對CFRP-方鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱進行了三維實體有限元分析，計算結果得到了相關試驗的驗證。

（2）進行參數分析，結果表明：在一定參數范圍內，核心混凝土強度及鋼管屈服強度對CFRP-方鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱的極限承載力影響較大；CFRP層數及CFRP單絲抗拉強度對其承載力影響不明顯。

（3）本模型的建立可為工程實際提供一定的參考。

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作者簡介：李恒林（1997—），本科，研究方向：土木工程；通訊作者：張童（1987—），助教，研究方向：鋼-混凝土組合結構。