GFRP管混凝土鋼管組合柱軸壓性能*

李 文， 楊思雨， 那 昱

(1. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318； 2. 上海送變電工程公司 變電(土建)分公司， 上海 200235)

建筑工程

李 文1， 楊思雨1， 那 昱2

(1. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318； 2. 上海送變電工程公司 變電(土建)分公司， 上海 200235)

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

表1 試件參數(shù)

把攪拌好的混凝土澆筑在鋼管和GFRP管中間，待試件與鋼管和GFRP管充分粘結(jié)并凝固后方能進(jìn)行試驗(yàn).制作試件截面圖如圖1所示.

圖1 試件截面示意圖

1.2 測點(diǎn)布置

GFRP管在布置測點(diǎn)時(shí)，在管體中部、上部和下部均布置了測點(diǎn)，即將GFRP管管體進(jìn)行四等分，沿3個(gè)等分線的軸向和環(huán)向各布置4個(gè)測點(diǎn)，共布置24個(gè)測點(diǎn).試件受壓時(shí)，在試件底部放置兩個(gè)百分表用于測定軸向位移.

1.3 加載方案

加載設(shè)備為吉林省金力試驗(yàn)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YAW-5000微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)最大量程為5 000 kN.試驗(yàn)加載方式為力控制加載，具體加載方案為：采用分級(jí)加載方式，在預(yù)估極限承載力的70%之前，每一級(jí)荷載按照其預(yù)估極限承載力的10%加載，之后依次累加，當(dāng)達(dá)到極限承載力的70%之后，按照預(yù)估值的20%進(jìn)行加載，每一級(jí)荷載都持荷約90 s，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)試件破壞時(shí)，即GFRP管斷裂視為破壞，停止數(shù)據(jù)記錄，立即停止試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 現(xiàn)象分析

由于試驗(yàn)現(xiàn)象趨勢大體相似，因此以試件I-1為例，詳細(xì)說明試驗(yàn)現(xiàn)象.試驗(yàn)開始時(shí)，先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，以保證試驗(yàn)機(jī)上下承壓板與試件緊密接觸.待荷載穩(wěn)定后，進(jìn)行正式加載.在進(jìn)行正式加載的前5級(jí)荷載時(shí)，試件上只是發(fā)出了輕微聲響，其原因是試件表面受壓所致，觀察應(yīng)變電阻箱和百分表，應(yīng)變和軸向位移穩(wěn)步增長，壓力試驗(yàn)機(jī)顯示荷載增長速率穩(wěn)定，無明顯波動(dòng)，說明此時(shí)試件處于正常的工作狀態(tài)當(dāng)中.加載逐漸增加后，試件出現(xiàn)響聲，F(xiàn)RP管上應(yīng)變片讀數(shù)從上至下逐漸消失；但加載超過一定數(shù)值后，電阻應(yīng)變箱以及百分表都無法穩(wěn)定地讀取數(shù)據(jù)，撤去百分表繼續(xù)加載，在試件持續(xù)加載的過程中，試件不斷發(fā)出響聲，試件外部FRP管體中部開始出現(xiàn)輕微泛白，并且隨著荷載的進(jìn)一步增加，泛白面積逐漸增大，外管發(fā)生撕裂，試件破壞，停止試驗(yàn).

最終，試件破壞模式為中部FRP管發(fā)生外向泛白撕裂破壞，破壞征兆明顯，觀察鋼管內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)鋼管未發(fā)生屈曲，試件破壞如圖2所示.

圖2 試件破壞

圖3 荷載位移曲線

3 有限元模型分析

3.1 有限元模型建立

3.2 模型驗(yàn)證

表2為DSTC模型承載力對(duì)比.根據(jù)表2可以看出，本文建立的模型是符合實(shí)際情況的.但是本文在建立數(shù)值模型時(shí)簡化了一些因素，諸如不考慮混凝土、FRP管和鋼管之間的相對(duì)滑移，采用的材料本構(gòu)關(guān)系存在一定誤差等這些因素均有可能造成誤差的存在.

表2 數(shù)值模型承載力對(duì)比

3.3 有限元分析

3.3.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)不同試件尺寸和混凝土強(qiáng)度等級(jí)，在滿足幾何相似性的基礎(chǔ)上，試件高徑比(h/b)為3∶1，共設(shè)計(jì)了8個(gè)試件，試件的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示.

表3 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3.2 應(yīng)力云圖分析

以B組試件的等效應(yīng)力云圖為例，其應(yīng)力分布如圖5所示.根據(jù)圖5可以看出，F(xiàn)RP管的應(yīng)力隨著試件尺寸的增加也存在較為明顯的差異性，具體表現(xiàn)為在極限承載力的狀態(tài)下，隨著試件尺寸的增加，應(yīng)力變化逐漸向試件中部靠攏，說明FRP管的受力狀態(tài)也受到了試件尺寸變化的影響.由于試件的應(yīng)力變化基本趨于一致，均是在試件中部產(chǎn)生最大的應(yīng)力，說明在試件的中部受力最大，發(fā)生的變形也最大，則兩組試件在受到軸向荷載作用時(shí)，試件的受力機(jī)理和破壞模式一致，并未受到尺寸效應(yīng)的影響.

圖5 B組試件應(yīng)力分布

3.3.3 極限應(yīng)力變化曲線

圖6為B、C組試件極限應(yīng)力變化曲線.由圖6可知，B、C組試件的極限應(yīng)力值明顯降低，曲線呈現(xiàn)非線性變化趨勢，說明較小尺寸試件的承載力與較大尺寸試件的承載力之間并不是成倍數(shù)的變化關(guān)系，并沒有因試件尺寸的增大而提高到相應(yīng)的程度.

圖6 B、C組試件極限應(yīng)力變化曲線

圖7 B、C組試件荷載應(yīng)變曲線

3.3.5 承載力對(duì)比分析

承載力對(duì)比分析如表4所示.由表4可知，試件尺寸及其他參數(shù)相同，混凝土強(qiáng)度不同時(shí)，試件的極限承載力C1>B1，C2>B2，C3>B3，C4>B4，說明提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，DSTC的力學(xué)性能得到了顯著提高；極限承載力B4>B3>B2>B1，C4>C3>C2>C1，并且隨著試件尺寸增加，DSTC極限承載力提高了約4倍，極限應(yīng)力降低到約60%，并且呈現(xiàn)非線性變化的降低趨勢，說明不能根據(jù)小尺寸試件承載力去遞推相應(yīng)大尺寸試件的承載力，在這一點(diǎn)上DSTC表現(xiàn)出了明顯的尺寸效應(yīng).在尺寸效應(yīng)的影響上，C45混凝土較大，C60混凝土較小.

表4 承載力提高對(duì)比

4 結(jié) 論

1) 兩個(gè)DSTC試件的破壞模式相同，均是在試件中部受力最大，并最終在試件的中部發(fā)生破壞，未受到試件尺寸變化的影響.DSTC在整個(gè)受壓過程中分為三個(gè)階段：彈性階段、彈塑性階段、塑性階段.

2) DSTC的力學(xué)性能隨著混凝土強(qiáng)度提高而得到了顯著提高，但隨著試件尺寸的增大，尺寸效應(yīng)對(duì)不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)的DSTC力學(xué)性能的影響程度不同，C45混凝土較大，C60混凝土較小.

3) 根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)高徑比一定(3∶1)時(shí)，隨著試件截面尺寸的增大，DSTC極限承載力提高了約4倍，極限應(yīng)力降低約60%，并且呈現(xiàn)出非線性變化的降低趨勢.

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(責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Axial compression performance of GFRP-concrete-steel tubular composite column

LI Wen1, YANG Si-yu1, NA Yu2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2. Power Transformation and Civil Engineering Branch Company, Shanghai Power Transmission and Transformation Engineering Company, Shanghai 200235, China)

In order to study the mechanical properties of components under different concrete strength and specimen size, the experimental study for two axial compression components of GFRP-concrete-steel tubular composite column (DSTC) was carried out. On the basis of establishing the analysis model, the load-strain curves and the change trend of bearing capacity for 8 axial compression components were simulated and analyzed with the nonlinear finite element analysis software ANSYS. The results show that when the strength grade of concrete gets improved, the mechanical properties of DSTC were significantly enhanced. When the size of specimens is different, the size effect has a certain influence on the mechanical properties of DSTC with different strength grades.

glass fiber; static test; finite element analysis; concrete strength; specimen size; bearing capacity; stress nephogram; load-strain curve

2016-11-21.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308028)； 黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(12543023).

李 文(1969-)，男，河北唐山人，教授，碩士，主要從事組合結(jié)構(gòu)等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.03.19

TU 398.9

A

1000-1646(2017)03-0346-06

*本文已于2017-05-08 20∶25在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170508.2025.006.html