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      GFRP管混凝土組合構(gòu)件偏心受壓力學(xué)性能數(shù)值分析*

      2019-03-22 12:10:38宋志剛
      關(guān)鍵詞:鋼骨偏壓偏心

      樊 成, 宋志剛, 宋 力

      (大連大學(xué) 材料破壞力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)研究中心, 遼寧 大連 116622)

      FRP材料作為新興材料在土木工程的應(yīng)用中越來越廣[1-4],GFRP管混凝土組合構(gòu)件的軸心受力狀態(tài)是其最理想狀態(tài),但是在實(shí)際應(yīng)用中由于荷載作用位置的不確定性、施工誤差、混凝土的不均勻性等設(shè)計(jì)、施工的不利因素影響,使得GFRP管混凝土組合構(gòu)件處于偏心受壓狀態(tài),而目前對GFRP管混凝土組合結(jié)構(gòu)的偏壓研究主要集中在試驗(yàn)研究[5-7],數(shù)值模擬相對比較少,本文利用ABAQUS對大量試件進(jìn)行數(shù)值分析,研究不同因素對構(gòu)件偏心受力狀態(tài)的影響,并對GFRP管鋼骨混凝土偏心受壓承載力公式進(jìn)行簡化.

      1 本構(gòu)模型選擇

      1.1 混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系

      本文選用與試驗(yàn)吻合度較好的Lam和Teng拋物線加直線本構(gòu)模型[8],即

      (1)

      σc=fc0+E2εc(εt<εc≤εcc)

      (2)

      (3)

      (4)

      (5)

      (6)

      1.2 混凝土受拉本構(gòu)關(guān)系

      Gf=10-3a(fc/10)0.7

      (7)

      式中,Gf為混凝土的斷裂能,其物理意義是每單位面積的混凝土產(chǎn)生一條連續(xù)裂縫所需要的能量.混凝土受拉軟化模型如圖1所示,其中,各變量含義見文獻(xiàn)[8].

      1.3 型鋼本構(gòu)模型

      (8)

      圖1 混凝土受拉軟化模型Fig.1 Tensile softening model for concrete

      1.4 GFRP管本構(gòu)模型

      GFRP管采用ABAQUS中的單層板模型來模擬其力學(xué)性能,ABAQUS定義復(fù)合材料的損傷采用Hashin破壞準(zhǔn)則[9],用來近似模擬復(fù)合材料的損傷演化過程,單層板的相關(guān)參數(shù)利用復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)中的分析方法,由文獻(xiàn)[10]中提供的材料參數(shù)計(jì)算,并對GFRP管進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì),鋪層設(shè)計(jì)以3 mm厚角度為80°的GFRP管為例,鋪層方式及情況如圖2和表1所示,從而完成對GFRP管的定義.

      圖2 GFRP管鋪層方式Fig.2 Layer mode of GFRP tube

      單層角度(°)單層厚度mm800.5單層角度(°)單層厚度mm-800.5

      2 數(shù)值模型的建立與計(jì)算

      2.1 有限元模型建立

      混凝土和GFRP管之間的接觸在切向部分采用ABAQUS中自帶的庫倫摩擦模型,GFRP管與核心混凝土通過粘結(jié)作用使得它們之間的相對運(yùn)動為零,只有兩者之間的剪應(yīng)力達(dá)到臨界值τcrit時(shí),才產(chǎn)生相對位移,臨界剪應(yīng)力的計(jì)算公式為

      τcrit=μp

      (9)

      式中:μ=0.6為摩擦系數(shù);p為GFRP管與核心混凝土之間的接觸壓力.

      混凝土和墊塊采用八節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元(C3D8R),型鋼和GFRP管采用四節(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元(S4R),厚度方向均采用5個(gè)積分點(diǎn)的泊松積分.對鋼骨使用Embed命令實(shí)現(xiàn)與核心混凝土的作用,GFRP管與端板采用shell to solid coupling命令接觸,用tie命令將混凝土與端板進(jìn)行綁定,端板按照實(shí)際偏心距切割加載線,上端板加載線耦合參考點(diǎn),并在參考點(diǎn)處施加位移荷載,下端板加載線處施加鉸接邊界條件,網(wǎng)格劃分及邊界條件如圖3所示.

      2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

      為了驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性,通過ABAQUS模擬GFRP管中長柱偏壓的荷載撓度曲線,本文采用文獻(xiàn)[5]中試驗(yàn)數(shù)據(jù),詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示(變量含義見文獻(xiàn)[5]).

      圖3 網(wǎng)格劃分及邊界條件Fig.3 Mesh generation and boundary conditions

      編號高度Lmm直徑Dmm混凝土強(qiáng)度等級纖維纏繞角度/(°)管壁厚度tmm長細(xì)比偏心距NexpkNNcalkNNexpNcalGSPY1800200C708051620249325840.965GSPY2800200C708031620220323230.948GSPY3800200C706051640170017890.950GSPY71450200C708032920204523080.886

      通過數(shù)值模擬GFRP管約束混凝土偏壓柱受力過程,將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算的荷載N-撓度u曲線進(jìn)行對比,結(jié)果如圖4所示,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,數(shù)值模型的準(zhǔn)確度可以保證.

      圖4 試驗(yàn)與數(shù)值模擬N-u曲線對比Fig.4 Comparison in N-u curves between experiment and numerical simulation

      3 N-u曲線影響因素分析

      GFRP管約束混凝土組合構(gòu)件偏壓力學(xué)性能的影響因素有:GFRP管管壁厚度、混凝土強(qiáng)度等級、配骨指標(biāo)、長細(xì)比、偏心距等.為了得到各參數(shù)對偏壓構(gòu)件力學(xué)行為的影響,設(shè)計(jì)試件,分別改變各參數(shù),在驗(yàn)證有限元模擬準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上,模擬以上各參數(shù)對N-u曲線產(chǎn)生的影響,結(jié)果如圖5所示.

      1) 混凝土強(qiáng)度的影響.由圖5a可知,由于在初始階段,混凝土未受到GFRP管的約束,組合構(gòu)件的荷載和撓度呈直線關(guān)系,高強(qiáng)混凝土具有抗壓強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)的特點(diǎn),隨著荷載增加,高強(qiáng)混凝土N-u曲線的斜率趨于平緩,GFRP管的環(huán)向約束作用顯現(xiàn),混凝土側(cè)向撓度受到限制,曲線表明,高強(qiáng)混凝土具有較高承載力.

      2) 偏心距的影響.由圖5b可知,偏心距在荷載作用初期對撓度變形的影響較小,隨著偏心距的增大,組合構(gòu)件穩(wěn)定性降低,GFRP管對混凝土的約束作用下降,偏心距較大構(gòu)件的二階效應(yīng)增大,撓度增長使其承載力降低.

      3) 長細(xì)比的影響.由圖5c可知,長細(xì)比對組合柱的N-u曲線具有顯著影響,隨著長細(xì)比的增大,試件穩(wěn)定性減小,構(gòu)件曲線的彈性階段變短,剛度逐漸喪失;當(dāng)長細(xì)比較大時(shí),組合柱的撓度隨荷載的增加而增長較快,組合柱由于失穩(wěn)承載力下降.

      4) 加載方向的影響.由圖5d可知,在強(qiáng)軸方向加載時(shí),工字鋼受壓側(cè)受力面積比弱軸加載時(shí)大,當(dāng)試件偏心距較小時(shí),軸位置距離GFRP管邊緣較近,鋼骨上下翼緣和GFRP管對混凝土具有較強(qiáng)的雙重約束作用;而弱軸方向加載時(shí),由于鋼骨的位置與試件形心軸靠近,型鋼腹板相比強(qiáng)軸加載時(shí),只有一半?yún)f(xié)同GFRP管對混凝土起約束作用,此時(shí)承載力比強(qiáng)軸加載時(shí)下降明顯.

      5) 鋼骨截面形式的影響.由圖5e可知,隨著鋼骨型號改變,鋼骨截面積增大,N-u曲線總體趨勢相同,隨著鋼骨截面積增加,構(gòu)件含鋼率增加,增大了構(gòu)件初期剛度,改善了構(gòu)件延性,使得組合結(jié)構(gòu)的承載力得到提高.

      6) 鋼骨強(qiáng)度的影響.由圖5f可知,在受力初期,核心混凝土承載,鋼骨和GFRP管未參與工作,此時(shí)的N-u曲線完全重合,混凝土彈性段過后,鋼骨的強(qiáng)度作用開始顯現(xiàn),強(qiáng)度高鋼骨承受較高荷載.

      圖5 數(shù)值模擬N-u曲線Fig.5 N-u curves under numerical simulation

      7) 纖維纏繞角度的影響.由圖5g可知,在荷載作用初期,由于混凝土受力后側(cè)向膨脹較小,GFRP管的套箍作用不明顯,構(gòu)件變形相差不大,隨著撓度增大,較低纖維纏繞角度的環(huán)向與混凝土之間的夾角變小,其提供的環(huán)向抗拉約束作用降低導(dǎo)致承載力下降.

      8) 管壁厚度的影響.由圖5h可知,GFRP管在彈性階段不發(fā)揮環(huán)向約束作用,此時(shí)承載力曲線基本一致,隨著彈塑性階段側(cè)向裂紋的擴(kuò)展,較厚的GFRP管能夠?qū)诵幕炷疗鸬捷^強(qiáng)的約束作用,有利于承載力提高.

      4 偏壓柱承載力簡化計(jì)算

      4.1 公式建立

      文獻(xiàn)[11]基于鋼管混凝土的統(tǒng)一理論,給出GFRP管混凝土組合構(gòu)件偏壓承載力計(jì)算公式,本文結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于折減系數(shù)的定義,考慮試件長細(xì)比影響的承載力簡化計(jì)算公式為

      (10)

      本文基于規(guī)范選取λ=16為短柱和長柱的界限值,由于當(dāng)λ<16時(shí),構(gòu)件的承載力主要由材料本身強(qiáng)度決定,故本文主要計(jì)算受長細(xì)比影響較大的λ>16構(gòu)件,改變構(gòu)件長細(xì)比,承載力與長細(xì)比(N-λ)關(guān)系曲線如圖6所示.

      圖6 柱的偏壓N-λ曲線Fig.6 N-λ curve of column undereccentric compression

      由圖6可知,偏壓柱的承載力隨長細(xì)比的增加而下降,構(gòu)件由強(qiáng)度破壞逐漸向失穩(wěn)破壞轉(zhuǎn)變,當(dāng)16<λ<21時(shí),承載力變化較快,此時(shí)構(gòu)件主要發(fā)生強(qiáng)度破壞,隨著長細(xì)比逐漸增大,構(gòu)件極限承載力降低,為此二階效應(yīng)的作用也逐漸降低,承載力變化減慢.對有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理,得到柱承載力與長細(xì)比有關(guān)的折減系數(shù)公式為

      (11)

      式中:L為梁的計(jì)算跨度;D為梁的外徑.

      4.2 公式驗(yàn)證

      為了驗(yàn)證公式的準(zhǔn)確性,將文獻(xiàn)[5,12]中的試驗(yàn)值與計(jì)算值進(jìn)行對比,結(jié)果如表3所示.

      表3 計(jì)算值與試驗(yàn)值對比Tab.3 Comparison between calculated and experimental values

      由表3可知,公式計(jì)算值與試驗(yàn)值之比的平均值為1,均方差為0.069,試驗(yàn)結(jié)果與公式吻合良好,說明公式的建立是合理的,但是由于試驗(yàn)的局限性,公式的準(zhǔn)確度需要進(jìn)一步驗(yàn)證.

      5 結(jié) 論

      通過對影響組合柱偏壓承載力的因素進(jìn)行分析,采用偏心距、混凝土強(qiáng)度等級以及纖維纏繞角度等因素對GFRP組合構(gòu)件在偏心荷載下的承載力進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),承載力隨著配骨指標(biāo)、套箍系數(shù)、混凝土強(qiáng)度等級的增加呈線性增加,隨纖維纏繞角度的增加而增長,而長細(xì)比、偏心距的增加導(dǎo)致承載力下降.

      本文考慮長細(xì)比對承載力的影響,對已有承載力公式進(jìn)行修正,并通過與試驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證了公式計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.

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