轴压比对碳纤维钢骨—钢管混凝土柱影响分析

邹波 张丽 徐亚丰

0 引言

通过目前钢骨混凝土和钢管混凝土结构研究可以看出,其结构形式都存在一些不足。钢骨—钢管混凝土柱,在一定程度上克服了钢骨混凝土和钢管混凝土柱的不足,发扬了二者的长处,是一种新的结构形式。该柱的外围根据需要可以设置钢筋,也可不设,在混凝土柱的中心部位设置钢管,在钢管的外侧四角设置钢骨,钢骨通过钢筋连接成整体,沈阳建筑大学部分学者对其力学性能进行了较为深入的研究,结果表明钢管—钢骨混凝土柱能够利用空腹式钢骨混凝土柱的优点,弥补钢管混凝土组合柱的不足;碳纤维钢骨—钢管混凝土是对该课题的更深一步的研究,是对钢骨—钢管混凝土体系的扩充。

卢亦焱教授提出了采用粘贴碳纤维和外包角钢骨架复合加固的概念,其研究表明:采用复合加固的钢筋混凝土柱,不但能够提高钢筋混凝土柱的承载力,且能有效提高柱的变形能力。受此影响,在钢管混凝土组合柱的加固研究中,拟采用碳纤维和外包刚复合加固法进行加固处理,从而形成了碳纤维钢骨—钢管混凝土柱。

综上所述,笔者在前人总结的本构模型的基础上,利用大型通用有限元分析软件 ABAQUS对碳纤维钢骨—钢管混凝土柱进行水平荷载保持不变,不同轴压比作用下的全过程有限元分析。

1 非线性有限元分析模型的建立

1.1 模型的设计尺寸

钢管与角钢均采用Q 235级钢材;钢管的直径为 133 mm、壁厚 5mm;角钢的型号为∠50×4,可通过焊接两片钢板来实现,缀板高 30mm、厚 4mm,以间距 95或 90沿柱纵向放置;用混凝土将角钢外侧抹平。外侧外包一层单向环向 CFRP;纵向钢筋和箍筋均采用 HPB235级钢筋。其中,纵向钢筋为 4φ10,水平箍筋直径8mm,间距 100mm。

1.2 材料本构模型的选择

表1 试件参数

为了进行外包角钢与碳纤维复合加固钢管混凝土叠合柱的力学性能和承载力的研究,必须首先确定钢管、外包角钢、核心混凝土、外围混凝土以及钢筋的应力—应变关系模型,试件参数见表1。

1)混凝土的本构模型。a.钢管内的核心混凝土在受压时考虑钢管对混凝土的约束作用,核心混凝土的本构模型采用韩林海教授研究的本构模型进行计算,具体如图 1所示;b.复合加固时对混凝土的约束,应综合考虑CFRP和角钢综合骨架的作用。卢亦焱教授提出了复合加固时混凝土的本构关系,本文就采用此种本构关系,具体如图 2所示。

2)钢材的本构模型。目前应用较广的钢筋本构模型有:理想弹塑性模型、三折线模型、全曲线模型和双线性模型。在有限元分析中,一般采用理想弹塑性模型或双线性模型。为了便于结果的处理,本文分析中采用理想弹塑性模型。钢管单轴应力状态下应力—应变关系数学表达式为:当 ε≤εs,σs=Esεs;当 ε＞εs,σs=fy。

3)CFRP的本构模型。碳纤维增强塑料考虑为线弹性,当达到纤维的极限应变 εf时,纤维断裂,认为其不能再承受荷载,其具体表达式如下:当 ε≤εf,σf=Efε;当 ε＞εf,σf=0。

1.3 单元类型的选择

钢管、角钢、缀板、核心混凝土和外围混凝土采用 8节点线性减缩积分式单元,纵向钢筋和水平箍筋采用 2节点线性减缩积分式三维桁架单元,采用 4节点膜单元(M 3D4)模拟纤维增强塑料。

1.4 荷载步设置

为了能够使计算收敛,本分析中的Time period为 0.1;Nlgeom为 on;Maximum number of increments为 100;Initial为 0.001;Minimum为 1E-006;Maximum为 0.1。

1.5 单元划分

在进行有限元计算分析时,网格质量的好坏直接关系到分析是否能够顺利、快速地完成,也关系到是否能得到高精度的分析。在反复的试验之后,笔者选择了一种能够在计算结果精度和花费时间代价上达到平衡的一种划分密度,使其达到合理划分的目的。

1.6 不同材料界面的处理

模拟中不采用各种材料之间的相对滑移,用*tie考虑各接触面之间的相互作用,这样各接触面上只有力的传递,而没有相对的位移。对于钢筋则采用嵌入的方式置入到混凝土的内部。

2 有限元模拟结果分析

2.1 各构件的变形图及应力图

本文通过 ABAQUS有限元软件分别分析了构件在轴压比为0.2,0.4和 0.6下的变形性能。构件下端为固定端,上端为自由端,在柱的顶部施加轴力,在柱端侧向施加水平荷载。由此得到了在不同轴压比情况下构件的变形大小,以下笔者仅以 n=0.4时为例,利用ABAQUS软件分析得到的构件的最终变形图以及组成碳纤维钢骨—钢管混凝土柱各部分材料的应力云图,并对其进行深入的探讨。图 3和图 4分别为核心混凝土和外围混凝土的应力云图,从图上清楚的看出核心混凝土受压一侧已经达到了核心混凝土的抗压屈服强度。图 5为钢管的应力云图,柱根部固定端的应力最大,也即为构件的破坏处。远离水平荷载一侧钢管受压破坏,而水平荷载一侧钢管近固端约束处钢管受拉破坏,达到了钢管的屈服强度。图 6为角钢缀板应力云图,根部应力较大。另外碳纤维的破坏并没有在角部产生应力集中,这说明复合加固的加固方式对方柱的应力集中产生了很好的抑制作用。

2.2 试件的应力—应变分析

通过反复调试各试件轴压的ABAQUS模拟最终实现了收敛。在加载水平位移为 10mm条件下,提取了各部件在不同轴压比作用下近根部点的应力—应变曲线,从图中可以看出,在水平荷载不变的情况下,随着轴压比的增大,核心混凝土的应力—应变曲线的峰值提高,即随着轴压比的增大,核心混凝土的应力增大。外部混凝土和钢管也有同样的现象,不过应力增加的幅度较小。

3 结语

本文利用ABAQUS有限元分析软件,对碳纤维钢骨—钢管混凝土柱在不同轴压比下的受力进行了全过程计算,主要分析了在水平荷载保持不变,轴压比不同的情况下各构件的应力—应变曲线,结果表明随着轴压比的增大,核心混凝土、外部混凝土以及钢管的应力应变曲线峰值提高,即应力增大;相对于核心混凝土,外部混凝土和钢管的变化幅度较小。

[1] 徐亚丰,贾连光.钢骨—钢管混凝土结构技术[M].北京:科学出版社,2009.

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