新型 SCCC组合柱抗震性能的有限元分析

王 冬 刘永军 李竹岩

(沈阳建筑大学土木工程学院,沈阳 110168)

新型 SCCC组合柱抗震性能的有限元分析

王 冬 刘永军 李竹岩

(沈阳建筑大学土木工程学院,沈阳 110168)

针对一些学者近两年提出的新型圆截面钢管-混凝土-CFRP-混凝土实心组合柱(简称为 SCCC组合柱)还没有在抗震性能方面做过深入研究的现状,本文利用有限元软件 ABAQUS对轴向压力及低周往复荷载作用下 SCCC组合柱的抗震性能进行了数值模拟,研究了不同直径的CFRP管对组合柱抗震性能的影响。分析结果表明,随着 CFRP管直径的增大,组合柱的抗震性能有不同程度的提高。但是从结构耐火性能的角度出发,CFRP管直径过大,会使结构的耐火时间明显降低。因此,有必要确定一个合适的直径范围,使得组合柱能够充发挥其性能。同时,也能为实验提供有效的理论分析方法。

组合柱;CFRP;抗震性能;耐火性能;理论分析

1 引言

碳纤维(CFRP)复合材料以其抗拉强度高、质量轻、耐腐蚀性能好、绝缘性能优良等优点,在航空航天、桥梁等工程中得以广泛的应用。但是,CFRP材料的耐火性能很差,这就很大的局限了 CFRP在一些大型商场、宾馆等建筑结构中的发展。因此,如何解决其耐火性能就成了人们关注的焦点。刘永军等一些学者针对这一问题提出了一种新型的SCCC组合构件,这种构件利用环形混凝土的保护,很好的解决了 CFRP耐火性能差这一缺点,但是对于这种新型构件其他方面的力学性能研究还很少。本文从 SCCC组合柱抗震方面的性能入手对其进行研究,这对于推动新型 SCCC组合柱在土木工程中的应用具有重要意义。

2 新型 SCCC组合柱

目前,国内外的大多数学者主要是将 CFRP包裹在结构的外部对其进行研究的。其组合柱形式有 FRP管-混凝土柱、FRP管-混凝土-钢管双壁组合柱、FRP-钢管-混凝土柱等。

FRP管-混凝土柱(见图 1)是在 FRP管内浇筑混凝土而形成的组合柱,包括用包裹 FRP进行加固的钢筋混凝土柱也属此类构件。

图 1 FRP管-混凝土柱截面图

相对于钢筋混凝土柱,FRP约束钢筋混凝土柱不但极限承载力得到提高,而且表现出很好的延性和耗能性能。Nanni等[1]进行了 20个 FRP约束钢筋混凝土压弯构件和 6个钢筋混凝土构件的往复荷载试验,结果表明:当轴压比较小时,钢筋混凝土构件表现为斜向剪切破坏,当轴压比较大时表现为压弯破坏;所有 FRP约束的构件均表现为弯曲破坏,且破坏时均表现出一定的延性。

FRP管-混凝土-钢管双壁组合柱是由一个外层的 FRP管、一个内层的钢管和两个管之间的混凝土所组成(见图 2)。这种结构具有自重轻、抗弯刚度大等优点。Yu等[2]进行了圆 FRP-混凝土-钢管组合柱纯弯构件的试验,研究结果表明,所有试件均具有良好的延性。

图 2 FRP管-混凝土-钢管双壁组合柱截面图

FRP-钢管-混凝土柱是一种新型组合构件,是在钢管混凝土柱的表面缠绕 FRP而得到的,如图 3所示。这种组合柱可以较好地发挥 FRP约束混凝土和钢管混凝土的双重优点,构件在具有较高承载力的同时还具有较好的延性[3]。

图 3 FRP-钢管-混凝土柱截面图

以上 3种构件都是将 FRP置于构件的表面,由于 FRP材料的耐高温和耐火性能较差,使得前面几种组合柱的优越性难以充分发挥,阻碍了其在高层建筑、商场等建筑工程中的应用。因此,一些学者提出将 CFRP置于钢管混凝土内部,构成新型的钢管-混凝土-CFRP-混凝土组合柱(SCCC组合柱),如图 4所示。由于CFRP被环形混凝土包裹,使其升温速率得以延缓,从而有效弥补了 CFRP耐高温性能差这一缺点,对此,刘永军等进行了相关的研究。

图 4 SCCC组合柱截面图

SCCC组合柱的优点有,第一,施工方便,钢管和CFRP管都具有足够的刚度,能够起到模板的作用。第二,能够充分发挥钢材和 CFRP抗拉性能好、混凝土抗压性能好的特点。第三,CFRP管能够很好的约束核心混凝土,降低了环形混凝土对外部钢管的作用力,因而在相同承载力的情况下,能够节省钢材。第四,钢管的延性和 CFRP管的高强度相互补充,提高了极限承载力。在耐火性能方面,首先,混凝土属于热惰性材料,环形混凝土可以延缓CFRP管温度升高,延长柱子的耐火时间。其次,外层钢管可以阻止环形混凝土在火灾中因为爆裂而剥落,这样就使得环形混凝土对 CFRP管的防火保护作用十分可靠[4]。

3 SCCC组合柱的抗震性能分析

3.1 模型的建立

有限元模型的截面尺寸,钢管的外径 D=350mm,厚度 ts=2 mm;CFRP管的直径分别采用 d=200mm和 d=260mm两种,分别表示为 SCCC-200和 SCCC-260,普通的钢管混凝土柱用 SC表示,CFRP单层厚度 tcfrp=0.167mm,模型的高度H=1000mm,模型中的钢材采用 Q235钢,混凝土采用C30,具体材料参数见表 1。

表 1 材料参数

图 5 模型的网格图

3.2 单元的选取

模型中 CFRP管和钢管均采用壳单元 S4R模拟,混凝土采用三维实体 8节点减缩积分单元C3D8R模拟。划分单元后的模型如图 5所示。假设 CFRP和混凝土之间粘结良好,采用 tie命令将CFRP和混凝土粘结。

3.3 混凝土破坏准则

由于是在水平往复荷载作用下,需要考虑混凝土受拉开裂和压碎破坏两种失效机制。在ABAQUS中,采用混凝土模型 concrete da m aged plasticity来定义混凝土材料的塑性破坏准则。其中除了需要定义混凝土受压和受拉破坏的数据之外,还需要定义一些参数[5]才能更准确的模型中混凝土的行为。参数如下:

(1)p—q平面中高围压情况下的膨胀角 φ,其值在 15～56.3度之间,这里我们取 30度;

(2)塑性势能力方程的流动偏角 ζ,缺省值为0.1;

(4)拉子午线 q(TM)、压子午线 q(CM)上第二应力不变量的比值Kc,其缺省值为 2/3;

(5)粘塑性系统松弛时间的粘性系数 μ,在ABAQUS/Standard中,材料出现软化和刚度弱化时计算将难以收敛,在本构方程中采用粘塑性规则化可以部分解决这个问题。在 ABAQUS/Standard中,粘性系数 μ的缺省值为 0[6]。

3.4 加载方式和边界条件

本文中模型的底部设为固定约束,荷载有轴向荷载和水平荷载两种,加载方法为先轴向加载N=300KN,在柱顶水平方向采用位移加载,控制柱在水平方向的往复运动,加载方式如图 6所示。

图6 水平加载方式

4 有限元结果分析

4.1 应力云图

从ABAQUS分析的结果,我们可以得到以上三种组合柱的应力云图,分别如图 7、8、9所示。

由应力云图可以看出组合柱最大应力都出现在柱脚处,并随着柱脚处混凝土被压碎鼓出而宣告破坏。同时从图中可以看到,由于 CFRP管的存在,能够对核心混凝土起到束缚作用,在同等条件下,其变形要比普通钢管混凝土的小,并且随着 CFRP管直径的增大,变形逐渐减小。

4.2 恒定荷载下的位移

根据有限元软件模拟分析的结果,对比了在同 等条件下普通钢管混凝土柱和加入 CFRP的 SCCC组合柱的侧向位移,这里我们取 P=41KN。在此级荷载作用下,普通钢管混凝土柱顶的最大位移为4.235mm,组合柱 SCCC-200的位移为 3.434mm,减少了 18.9%,组合柱 SCCC-260的位移为 3mm,减少了 28.57%,抗变形能力有所提高。

4.3 骨架曲线

骨架曲线作为滞回曲线峰值点连成的包络曲线,能够较好的反应结构在往复荷载作用下的一些力学效果。模拟模型的骨架曲线如图 10所示。

图 10 骨架曲线

从骨架曲线可以看出,加入 CFRP的组合柱要比普通钢管混凝土柱的承载力高,抗变形能力有所也有所增加,从曲线中我们还可以知道,不同直径的CFRP对承载力也有所影响,随着 CFRP直径的增加,组合柱的延性和承载力都有所增加。如果从组合柱的耐火性角度出发,CFRP的直径太大,必定导致组合柱的耐火时间缩短,因此,有必要确定一个适合的直径,使得结构既能有良好的耐火性又能保证其达到最优的抗震性能。

4.4 位移延性

位移延性系数为极限位移与屈服位移之比[7],其值越大,表明构件的延性越好。模拟分析计算出的延性系数见表2。可以看出,加CFRP的组合柱比普通的钢管混凝土柱的延性系数要大,并且随着CFRP管直径的增加,延性系数也在提高。

表2 延性系数对比

5 结论

从以上分析的结果可以看出,与普通钢管混凝土相比,在低周往复荷载作用下,SCCC组合柱的承载能力和抗变形能力均有所提高。不同直径的 CFRP管提高的程度是不同的,从而在理论上验证了这种新型结构在抗震性能方面提高的有效性。

[1]NanniA,NorrisMS.FRP jacketed concrete under flexure and co mbined flexure— compression[J].Construction and Building Materials,1995,9(5):273-281.

[2]Yu T,Wong Y L,Teng JG,eta1.Structuralbehavior ofhybrid FRP— concrete— steel double— skin tubular columns.2004.

[3]王庆利,李宁,韩佛,等.CFRP-钢管混凝土轴压构件试验研究[J].沈阳建筑大学学报,2006,22(5):709-713.

[4]刘永军,唐元琳,王晴.新型圆截面-混凝土-CFRP-混凝土实心组合柱及其耐火性能[J].混凝土.2010,(1):37-39.

[5]H ibbitt,Karlson,Sorenson.ABAQUS Version 6.4:Theory manua,l users'manua,l verification manual and example problemsmanua.lH ibbitt,Karlson and Sorenson Inc,2003.

[6]尧国皇,黄用军,宋宝东,谭伟.采用塑性损伤模型分析钢-混凝土组合构件的静力性能.建筑钢结构进展.2009,11(3):12-18.

[7]魏洋.FRP约束混凝土矩形柱力学特性及其抗震性能研究[D].南京:东南大学,2007.

Finite Element Analysis of Seismic Behavior of New Hybrid SCCC Composite Columns

Wang Dong,Liu Yongjun,L iZhuyan

(Shenyang Jian zhu University Civil Engineering,Shenyang110168,China)

In view of status that the new circular hybrid Stee-l Concrete-CFRP-Concrete column(s imply called SCCC columns)whichwas proposed by some scholars nearly tow years,hasn'tm ade a deep research in seism ic perfo rmance.In this paper,using finite element software ABAQUS s imulate seism ic behaviors of SCCC composite columnswhich under the action of axial compressive force and low cycle reversed loading,studied the effect on seism ic perfor mance of composite columns in different diameter CFRP tubes.Analysis results show tha,t along w ith the increase of CFRP tube diameter,the seism ic perfor mance of composite colu mnshad different degrees of improvemen.t But see from the structure's fire behavior,the increse ofCFRP tube dia m eterw illmake fire resistance t ime decreased obviously.Therefore,it is necessary to determ ine a suitable diameter scope,makes the composite co-l umn can play its perfor m ance.At the same t ime,can provide effective theoretical analysism ethod for exper imenta.l

Composite Column;CFRP;Seism ic Behavior;Fire Behavior;TheoreticalAnalysis

TU392.3;TU375.3

A

1674-7461(2011)02-0011-05

刘永军(1966-),男,博士,教授。主要从事建筑结构抗火性能、桥梁抗风与抗震、新型组合结构、有限元软件开发、科学可视化等方面的研究;

王冬(1986-),男,在读硕士研究生。专业:结构工程。