FRP 筒- 混凝土- 鋼管復合柱受力性能有限元分析

楊奔

（北海職業學院）

0 前言

隨著科學技術的不斷發展，FRP 等新型建筑材料在建筑工程中的應用越來越多，常見的FRP 新型建筑材料主要有FRP 片材、FRP 筒材、FRP 棒材、FRP 格狀材等。FRP 片材主要用于加固梁、板等混凝土結構表面，FRP 筒材主要用于加固柱狀混凝土結構表面，FRP 棒材（例如FRP 筋）主要用于加固梁、板等混凝土結構內部。常見的FRP 筒材主要有CFRP 筒材、GFRP 筒材等。在建筑工程實踐中，采用有限元方法對FRP 筒材加固柱狀混凝土結構表面進行模擬仿真是一種可行的研究方法。本文以FRP筒-混凝土-鋼管復合柱為例，主要對FRP 筒材加固柱狀混凝土結構進行有限元分析。

1 FRP 筒- 混凝土- 鋼管復合柱有限元模型的建立

1.1 FRP 筒- 混凝土- 鋼管復合柱有限元模型相關參數的設定

采用相關有限元軟件，建立一個如圖1 所示的FRP筒-混凝土-鋼管復合柱的有限元模型。其中，混凝土方柱的邊長為500mm，高度為2000mm，混凝土方柱中的混凝土的抗壓強度fc為2.4×107N/m2，抗拉強度ft為2.4×106N/㎡，楊氏模量E 為32500MPa，泊松比為0.2，混凝土材料采用混凝土塑性損傷模型。鋼管內嵌于混凝土方柱內部，主要起到增強混凝土方柱整體剛度、防傾覆等作用，其楊氏模量E 為190000MPa，泊松比為0.3。FRP 筒外接于混凝土方柱并與混凝土方柱粘結，筒壁厚為20mm。

圖1 FRP 筒- 混凝土- 鋼管復合柱有限元模型

1.2 FRP 筒的模擬

參照相關FRP 研究資料，FRP 筒采用實體單元進行建模。FRP 筒的材料屬性為線彈性，FRP 的彈性模量為237000MPa，泊松比為0.2。

1.3 FRP- 混凝土界面的模擬

參照相關FRP 研究資料，FRP 筒-混凝土-鋼管復合柱的有限元模型中，FRP 筒與混凝土柱之間的界面粘結單元用Spring2 單元進行模擬，Spring2 單元的剛度取值自FRP-混凝土界面粘結-滑移關系曲線的一階導數：

1.4 荷載的施加及網格的劃分

FRP 筒-混凝土-鋼管復合柱的有限元模型采用壓強控制施加荷載。

進行FRP 筒-混凝土-鋼管復合柱的有限元模型網格劃分時，網格單元形狀為六面體，網格近似全局尺寸為20mm。

2 FRP筒- 混凝土- 鋼管復合柱有限元模型受力性能的分析

FRP 筒-混凝土-鋼管復合柱有限元模型受力性能分析圖如圖2 所示。

圖2 FRP 筒- 混凝土- 鋼管復合柱有限元受力性能分析圖

經過對FRP 筒-混凝土-鋼管復合柱有限元模型受力性能進行分析，可以得出以下分析結果：

⑴FRP 筒能在一定程度上增強混凝土方柱的抗壓性能等受力性能。

⑵混凝土方柱單軸受壓后，向側壁方向“膨脹”，因為FRP 筒的約束而受到FRP 筒所施加的側向力。

⑶FRP 筒的不同部位受力不同，FRP 筒中間部位的受力比其直角部位的受力略高。

3 結語

本文主要從FRP 筒-混凝土-鋼管復合柱有限元模型的建立、受力性能分析等方面，對FRP 筒材加固柱狀混凝土結構進行了有限元分析，為相關人員提供一定的參考。