钢筋混凝土偏心受压构件受力性能模拟研究

罗冠鑫，盛　昌，刘智武



钢筋混凝土偏心受压构件受力性能模拟研究

罗冠鑫，盛昌，刘智武

（金华职业技术学院，浙江金华 321000）

本文利用通用有限元软件ANSYS，针对GFRP约束钢筋混凝土构件的力学性能，结合试验，建立了三维有限元数值分析模型，得到了GFRP约束钢筋混凝土构件的极限承载力值以及其荷载－跨中挠度关系曲线，对比的有限元模型的计算数据与实验所得数据，两者间的数据吻合度高，证明本文所构建的有限元三维数值模型的合理性，能够比较精确地分析GFRP约束钢筋混凝土构件的非线性力学性能。同时发现曲线有着明显的三个工作阶段：弹性工作阶段、弹塑性工作阶段以及破坏阶段。GFRP约束钢筋混凝土构件充分利用了混凝土良好的受压性能与GFRP管的受拉性能。

GFRP；约束混凝土；非线性有限元分析

纤维增强复合材料，作为一种可以在相当程度上取代钢材的新型材料，被逐步使用到了建筑行业里。纤维增强复合的材料中的纤维材料主要有聚丙烯、聚醋纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、丙烯酸系纤维、碳纤维、聚乙烯、芳纶纤维等等。在这么多各有特点的纤维材料里，芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维的性质，比较适合用来生产纤维增强复合材料。而由芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维三种纤维添加树脂基体材料而组成的纤维增强复合材料分别称为芳纶纤维增强复合材料（简称AFRP），碳纤维增强复合材料（简称CFRP）、玻璃纤维增强复合材料（简称GFRP）。本文选择分析的玻璃纤维GFRP约束钢筋混凝土构件，是指在玻璃纤维增强复合材料管内布置受力钢筋以及箍筋，接着向管内浇注混凝土组合而形成的一种新型构件。它利用玻璃纤维增强复合材料来对混凝土产生约束，使得混凝土处于三向受压状态。这种构件除了具有高效、施工便利及耐腐蚀性能好等优点以外，还能够提高混凝土的极限承载能力；而因为混凝土材料的作用，缓解了GFRP管这种薄壁构件的屈曲现象。

1 试验方案

本文采用两根FRP约束钢筋混凝土构件作为研究对象，构件均以/RRP为约束构建的钢筋混凝土柱。

2 有限元数值分析模型

根据试验状况，建立了玻璃纤维约束钢筋混凝土偏心受压构件的ANSYS三维有限元数值分析模型，这种组合结构由GFRP管、混凝土、受力筋和箍筋等4个不同的部分组合而成。

3 结果与分析

3.1 GFRP约束钢筋混凝土构件有限元模拟计算

非线性分析具有几何、材料、状态等非线性分析组成。其中，几何非线性主要有旋转软化、大位移、大应变、应力刚化等特性；材料非线性主要有蠕变、塑性、超弹性等特性；状态非线性问题为当结构中存在两种材料或多种材料间的接触等问题。本文建立的GFRP约束钢筋混凝土构件模型主要考虑材料非线性和几何非线性问题。

3.2模型验证

根据文献[1]试件CRC2、CRC3的实际情况建立的相对应的三维有限元仿真模型，并对其进行受力全过程的非线性数值计算，通过计算得到了CRC2、CRC3两根试件的荷载－跨中位移（）曲线，与试验得到的数据进行对比分析。图中为跨中位移，为构件承受的荷值。

表1 极限承载力计算值与试验值比较

表1为CRC1、CRC2两根试件的分别通过的有限元模拟计算得到的极限承载力值与试验值的对比。由表可知，偏心受压承载力的计算值与试验值大小比较接近，在允许误差之内。

实验中发现当CRC1达到材料的极限承载力的80%时，GFRP管表面出现了白色条纹，接着发出了折掉的声音。表明该试件应变、挠度增长变快，且体现了挠曲变形；极限承载力达到100%时，听到了比较响的声音，试件表面开始沿纤维方向撕裂，试件最终破坏。表1表明，计算数据与实验数据吻合度高。证明本文所构建的GFRP管钢筋混凝土偏心受压构件三维有限元数值分析模型是合理的。

3.3 受力机理分析

本文以CRC2试件为例，GFRP管钢筋混凝土偏心受压构件的受力变化阶段可以分为以下三种情况，即：弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、塑性变形阶段。

（2）弹塑性工作阶段。随着荷载的不断增加，GFRP管钢筋混凝土偏心受压构件的挠度增长速度不断加快，曲线呈现典型的非线性规律，此时GFRP管钢筋混凝土偏心受压构件进入了弹塑性工作阶段。

（3）破坏阶段。当荷载接近构件的极限承载力时，GFRP管钢筋混凝土偏心受压构件表现为受拉区GFRP管受拉达到抗拉极限强度，而受压区混凝土受压达到抗压极限强度，混凝土被压碎。

4 结论

针对GFRP约束钢筋混凝土构件的受力性能，运用数值模拟方法，对GFRP约束钢筋混凝土构件受力全过程进行了非线性数值计算，对GFRP约束钢筋混凝土构件的承载能力、破坏机理进行了数值仿真模拟，主要结果如下：

（1）使用通用有限元分析软件ANSYS，建立了GFRP约束钢筋混凝土构件三维非线性数值分析模型，对试验全过程进行了模拟，得到了GFRP约束钢筋混凝土构件的极限承载力值以及其荷载－跨中挠度关系（）曲线。对比的有限元模型的计算数据与实验所得数据，两者间的数据吻合度高，证明本文所构建的有限元三维数值模型的合理性，能够比较精确地分析GFRP约束钢筋混凝土构件的非线性力学性能。

（2）GFRP约束钢筋混凝土构件偏心受压力学性能分析中，曲线有着明显的三个工作阶段：弹性工作阶段、弹塑性工作阶段以及破坏阶段。GFRP约束钢筋混凝土构件充分利用了混凝土良好的受压性能与GFRP管的受拉性能。

[1]秦国鹏.GFRP管钢筋混凝土构件力学性能研究 [D].东北大学，2009.

[2]Mei H, Kiousis PD. Confinement effeets on high一strength conerete[J].ACI Structural Journal, 2001,98(4):548-55

Simulation study on mechanical behavior of reinforced concrete eccentric compression members

(Jinhua Polytechnic, Jinhua Zhejiang 321000)

The general finite element software ANSYS. According to the mechanical properties of GFRP confined reinforced concrete members, according to the test established three-dimensional finite element numerical analysis model, GFRP confined reinforced concrete members limit bearing capacity value and the load mid span deflection relationship curve, contrast to the finite element model of the calculated data with the experimental data, the data between the two coincide degree is high. It is proved that the construction of three-dimensional finite element numerical model of rationality, can accurately analyze the GFRP confined reinforced concrete nonlinear mechanical properties. At the same time that curves are three obvious Working stage: flexible working stage, elastic plastic stage and failure stage.GFRP confined reinforced concrete members take full advantage of the good compression performance of concrete and the tensile properties of GFRP pipe.

GFRP; Confined concrete; Nonlinear finite element analysis

（责任编辑：张时玮）

TU375

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.06.005

1672–7304(2016)06–0011–02

罗冠鑫（1984-），男，湖南怀化人，讲师，研究方向：混凝土力学性能。