圆CFRP钢管混凝土外加强环节点有限元分析*

魏　华， 许　博

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

圆CFRP钢管混凝土外加强环节点有限元分析*

魏华， 许博

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

为了深入研究圆CFRP钢管混凝土外加强环节点的力学性能，使用有限元软件ABAQUS分析了混凝土强度、钢材强度、轴压比、加强环板的厚度和加固形式对节点力学性能的影响.对节点模型进行了低周往复荷载下数值模拟.结果表明，当混凝土和钢材强度不变时，随着轴压比的增加，外加强环节点的承载力保持不变；加强环板厚度对节点承载力影响较大，随着加强环板厚度的增加，节点的承载力明显增加，当厚度增加到一个限值时，承载力基本保持不变；加强板和加强筋加固形式可以显著提高节点的刚度，使钢梁先于柱屈服，实现强节点弱构件的抗震目标.

钢管混凝土； 外加强环节点； 有限元； 钢材强度； 混凝土强度； 轴压比； 承载力； 强节点弱构件

近年来，钢管混凝土结构在土木工程领域应用越来越广泛，特别是高层建筑结构，而钢管混凝土梁柱节点性能是影响钢管混凝土结构整体性能的关键，其中钢管混凝土外加强环式节点应用比较广泛，具有刚度大、塑性性能好、传力明确和承载力高等优点[1].圆CFRP钢管混凝土结构是在圆钢管混凝土柱外围缠绕碳纤维布而组成的结构形式，与圆钢管混凝土结构相比，可以充分发挥混凝土的三向受压性能，提高混凝土的抗压承载力，同时可以避免钢管发生屈曲破坏，具有承载力高和耐久性好等优点[2].

1.1混凝土

当εcl≤ε0时，

(1)

当ε0<εcl<εcu且ξs≥1.12时，

(2)

当ε0<εcl<εcu且ξs<1.12时，

(3)

当εcl≥εcu时，

(4)

式中：σcl为混凝土纵向应力；σ0为混凝土极限压应力；εcl为混凝土纵向压应变；ε0为混凝土极限压应变；εcu为CFRP断裂时的εcl值；ξs为钢管的约束效应系数；ξ为钢管和CFRP管总的约束效应系数；β为CFRP断裂前与ξ相关的系数；βs为与ξs相关的变量；q、G、D为系数，其表达式为

(5)

G=ξ′(2.231-4.611ξ′)

(6)

D=ξ′(1.545-1.238ξ′)

(7)

其中，ξ′为约束效应系数比.

在有限元软件ABAQUS中，混凝土采用塑性损伤模型，在低周往复荷载作用下，混凝土的弹性刚度将会损伤，因此，考虑核心混凝土在受压时的压损伤因子dc，以及受拉时的拉损伤因子dt，其计算公式为

(8)

(9)

1.2钢材

(10)

式中：Es为钢材弹性模量；fy为钢材抗拉强度值；ε为钢材应变；εe=0.8fy/Es；εe1=1.5εe；εe2=10εe1；εe3=100εe1；A、B、C为系数，其表达式为

(11)

B=2Aεe1

(12)

(13)

1.3碳纤维布

σcf=Ecfεcf

(14)

式中：σcf为碳纤维布的应力；Ecf为碳纤维布的弹性模量；εcf为碳纤维布的应变.

2　有限元计算模型

对于有限元模型各构件的接触问题，钢管与混凝土界面采用法向硬接触，切向采用库伦摩擦.本文假设钢管与CFRP之间没有相对滑动，即钢管与CFRP采用绑定接触.对于有限元模型的边界条件，柱底采用全约束，柱顶铰接，梁端释放上下和绕平面内转动的自由度，其余自由度约束.柱顶采用截面耦合下的集中力加载，梁端采用位移加载.

图1　加强筋加固节点有限元模型

3　参数分析

3.1模型验证

对本文建立的有限元模型进行验证，建立与文献[10]试验相同的模型，将梁端在低周往复荷载作用下所得的数值模拟结果与试验结果进行对比.

图2　数值模拟与试验结果滞回曲线对比

3.2混凝土强度的影响

图3　不同混凝土强度的梁端荷载位移曲线

3.3钢材强度的影响

图4　不同钢材强度的梁端荷载位移曲线

3.4轴压比的影响

图5　不同轴压比的节点弯矩转角曲线

3.5加固形式的影响

图6　不同加固形式的梁端荷载位移曲线

图7　不同加固形式的节点弯矩转角曲线

3.6加强环板厚度的影响

图8　不同加强环板厚度的梁端荷载位移曲线

Fig.8Load-displacementcurvesforbeamendofreinforcedringplatewithdifferentthicknesses

图9　不同加强环板厚度的节点弯矩转角曲线

Fig.9Bendingmoment-rotationanglecurvesforjointofreinforcedringplatewithdifferentthicknesses

4　结　论

1) 混凝土强度对节点承载能力大小的影响不是很明显，而钢材强度对节点模型在低周往复荷载作用下承载能力大小的影响较为显著.随着钢材强度的提高，承载能力逐渐增大，因此，钢材强度等级是控制承载能力的主要因素之一，选择适当的混凝土强度，在满足承载力的情况下可降低经济成本.

3) 加强筋对节点的加固与加强板对节点的加固对提高节点的弯矩承载能力大小的影响不是很明显，只是提高了节点的刚度，使节点承受更大的弯矩，防止节点先于构件破坏.

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(责任编辑：钟媛英文审校：尹淑英)

FiniteelementanalysisofjointwithoutsidereinforcedringofconcretefilledcircularCFRPsteeltube

WEIHua,XUBo

(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110870,China)

InordertofurtherstudythemechanicalpropertiesofjointwithoutsidereinforcedringofconcretefilledcircularCFRPsteeltube,theeffectofconcretestrength,steelstrength,axialcompressionratio,thicknessofreinforcedringplateandreinforcementformsonthemechanicalpropertiesofjointwasanalyzedwiththefiniteelementsoftwareABAQUS.Thenumericalsimulationforthejointmodelwasperformedundertheactionoflow-cyclerepeatedloads.Theresultsshowthatwhentheconcretestrengthandsteelstrengthareconstant,thebearingcapacityofjointwithoutsidereinforcedringkeepsunchangedwithincreasingtheaxialcompressionratio.Theeffectofthicknessofreinforcedringplateonthebearingcapacityofjointislarge.Withincreasingthethicknessofreinforcedringplate,thebearingcapacityofjointobviouslyincreases.However,whenthethicknessofreinforcedringplateincreasestoacertainlimitvalue,thebearingcapacitykeepsbasicallyunchanged.Thereinforcementformswithreinforcedplateandribcanobviouslyimprovethestiffnessofjoint,andmakethefailureofsteelbeamaheadofthatofjoint,whichcanrealizetheseismictargetofstrongjointandweekmember.

concretefilledsteeltube;jointwithoutsideenforcedring;finiteelement;steelstrength;concretestrength;axialcompressionratio;bearingcapacity;strongjointandweekmember

2015-09-21.

沈阳市科技计划项目(F13-316-1-43).

魏华(1973-)，女，山西交城人，副教授，博士，主要从事结构工程等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.03.21

TU398.9

A

1000-1646(2016)03-0355-06

*本文已于2016-03-02 16∶42在中国知网优先数字出版. 网络出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1642.010.html