混凝土强度对GFRP-型钢-混凝土组合柱尺寸效应的影响

张云峰，徐珍，陈佳楠

(1.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318; 2.河北拓为工程设计有限公司，河北 廊坊 065000)



混凝土强度对GFRP-型钢-混凝土组合柱尺寸效应的影响

张云峰1，徐珍1，陈佳楠2

(1.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318; 2.河北拓为工程设计有限公司，河北 廊坊 065000)

运用静力试验方法考察4根GFRP-型钢-混凝土组合柱在C30和C40混凝土强度下的受压能力，验证 Ansys软件所建模型的正确性.建立2种混凝土强度的有限元模型，对10个构件进行有限元分析.结果表明：混凝土强度对试件的尺寸效应存在影响，在试件尺寸相同的情况下，混凝土强度越高，结构的承载力越强，而延性越差；在混凝土强度较低的情况下，混凝土强度对结构的尺寸效应影响更为显著.

GFRP-型钢-混凝土组合柱；混凝土强度；试件尺寸；承载力

0 引言

纤维增强复合材料GFRP(Glassfiber Reinforced Plastic)是近年来在土木工程结构中开始应用的一种新型高性能工程结构材料,具有轻质、高强、耐腐蚀、施工成型方便等优点,已成为混凝土、钢材等传统结构材料的重要补充[1].GFRP可作为结构材料用于承受荷载，可作为功能材料发挥其独特的作用，其在土木工程中的应用成为近年来研究的热点[2].

然而，GFRP材料在工程结构中的应用中存在着以下几个问题:结构初期投入费用大、刚度低和强度利用率低等缺点.为了充分发挥GFRP材料的优势，克服纯GFRP结构的劣势，结合混凝土材料的良好受压的力学性能及价格低廉的优势，GFRP-型钢-混凝土组合结构应运而生[3].GFRP-型钢-混凝土组合柱是香港理工大学滕锦光教授提出的一种新型FRP组合结构，这种组合柱由GFRP外管、钢材内管以及两者之间填充的混凝土三部分组成[4].通过GFRP套管对混凝土的环向约束，使核心混凝土处于三向受力状态，提高混凝土强度，进而提高构件的承载力.

本文中基于已有的理论研究基础，将试验和有限元模拟相结合，研究分析混凝土强度及试件尺寸对GFRP-型钢-混凝土组合柱极限承载力的影响.

1 试验过程

1.1 试件设计 本文中考虑混凝土强度的影响，设计4根GFRP-型钢-混凝土组合柱.试件参数包括构件的尺寸、混凝土强度、GFRP管壁厚度等，如表1所示.试件的截面如图1所示.

表1 试件参数

图1 试件截面

1.2 测点布置 在每个GFRP管的上、中、下部截面处均布置4个相互呈90°直角关系的测点，即每个GFRP管有12个测点，测点处分别粘贴环向和轴向的电阻应变片，测量GFRP管的环向应变和轴向应变[5].

1.3 加载方案 本次试验中主要以核心混凝土受压的方式进行加载，采用计算机控制，加载方便，试验结果精确度高[6-7].试验前预先估算组合柱的极限承载力，以构件估算承载力的70%为分界点,采用分级加载模式，具体试验过程如下：

1) 预加载：每个构件加载前，先对试件进行预加载，最大预加载值为组合柱预估极限荷载值的10%，调整组合柱构件，使其与上下承压板充分接触，并保证几何对中精度.检查位移计和电阻应变仪的各点读数是否正常，若显示不正常，查明原因改正，直到各仪器正常工作.

2) 正式加载：正式加载采用的控制方式是力控制.以预估极限荷载的70%为分界线，在预估极限荷载的70%之前，分级荷载为预估极限荷载的1/12，在预估极限荷载的70%之后，分级荷载为预估极限荷载的1/25.每级荷载保持时间为2 min，接近极限荷载时，加载速度较小，持续加载，记录每级荷载及所对应的GFRP管和型钢的应变值，直至试件破坏，即GFRP管断裂，试验停止.

2 试验分析

2.1 试验现象 试件在加载的最初阶段，没有明显的试验现象，加载到预估极限荷载30%左右时，首次听到构件发出啪啪的响声；随着荷载的持续增加，听到构件陆续产生一些稍大的噼啪响声，当荷载加载到预估极限荷载70%左右时，构件上下端部混凝土有被压碎的现象，能看到构件上部的混凝土有压碎掉渣的现象，GFRP管上出现白纹现象；当荷载加载到预估极限荷载80%左右的时候，GFRP管发出连续不断的噼啪响声，中上部出现泛白和剥丝的现象，位移计读数迅速增大；随着荷载接近预估极限荷载时，GFRP管中上部发生开裂，最后，中上部大面积发生连续的断裂、剥离，随后响声增大，直至破坏.试件A1破坏前后对比图如图2所示.

图2 试件A1加载前后对比图

2.2 荷载-应变曲线分析 由试验现象可知，破坏主要发生在中部，因此取中部的荷载-应变曲线进行分析.图3为试件A1、A2、B1、B2在轴压下GFRP管中部荷载-应变曲线图，包括轴向荷载-应变和环向荷载-应变.

由图3可见荷载-应变曲线分为3部分，初始阶段随荷载增加，应变缓慢增长，随后进入弹塑性曲线阶段，最后阶段随荷载增加，应变增长速率明显加快.初始阶段轴向应变增长速度快于环向应变增长速度，由于此时GFRP管的作用还不够强，主要由混凝土和型钢共同承受竖向荷载，较为符合客观情况.最终破环时，管中部的环向应变比轴向应变大，也符合管中部附近破坏的实际情况.

图3 GFRP管中部荷载-应变曲线图

图4 不同混凝土强度下轴向荷载-应变曲线图

图4为不同混凝土强度轴向荷载-应变曲线对比图.观察图4，可以发现A1与B1、A2与B2的变化趋势十分接近，均可近似看成由3部分组成，第一部分为斜率较大的直线段，此阶段，虽然混凝土强度不同，但是应变的增长速率相差不大；第二部分为曲线段；第三部分为斜率较小的直线段，此阶段随着荷载的增加，C30组(试件A1、A2)应变的增长速率逐渐快于C40组(试件B1、B2)的增长速率，说明混凝土强度越高，变形越小，延性越低，主要由于混凝土的横向变形能力小，导致GFRP 管的约束能力相对降低.

2.3 荷载-位移曲线分析 根据不同的混凝土强度试件的试验结果，分别绘制A1、B1试件和A2、B2试件的荷载-位移对比曲线，如图5和图6所示.

图5 不同混凝土强度下轴向荷载-位移曲线对比

图6 不同混凝土强度下环向荷载-位移曲线对比

由图5和图6可以看出，A1、B1试件和A2、B2试件的轴向荷载-位移曲线较为接近，最终C30组(试件A1、A2)的位移略大于C40组(试件B1、B2)的位移.观察荷载-环向位移曲线，可以看出初始阶段两种混凝土强度情况下几乎一致，随着荷载增加，C30组(试件A1、A2)的位移逐渐大于C40组(试件B1、B2)的位移，最终C40的极限荷载值高于C30的极限荷载值.

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立 本文中应用Ansys有限元分析软件，混凝土采用Solid65单元，型钢采用Solid45实体单元[8-9]，GFRP管采用Solid45实体单元,并确定好材料的本构关系、泊松比、弹性模量、密度等.GFRP-型钢-混凝土组合柱模型的建立如图7所示.

图7 GFRP-型钢-混凝土组合柱模型

图8 B1荷载-位移曲线对比图

3.2 模型验证 将B1试件的试验荷载-位移曲线和有限元荷载-位移曲线进行对比,如图8所示.由于模拟试件采用的相关力学参数由计算平均得来，与试验实际浇筑的试件存在一定差值，因此试验和模拟的曲线斜率存在一定误差，但模拟曲线和试验曲线逐渐趋近，最后吻合良好.由此可以说明有限元分析方法对该类型问题分析的精确性和可靠性，有限元模型可应用于进一步分析.

3.3 有限元分析

3.3.1模拟构件设计 为研究混凝土强度以及试件尺寸对荷载影响的变化规律，本文中设计10个壁厚和配筋率均相同的试件，且每组试件满足几何相似的特点，具体构件设计参数如表2所示.

3.3.2 荷载-应变曲线对比分析 由Ansys软件计算分析，绘制不同混凝土强度下GFRP管中部轴向和环向的荷载-应变曲线，如图9和图10所示.

由图9和图10可以看出，无论是轴向荷载-应变曲线还是环向荷载-应变曲线，均可以近似看为3个阶段，即直线段、曲线段，斜率较小直线段.对比曲线发现，a1,b1试件的荷载-应变曲线整体变化小，随试件尺寸增加，结构的应变变化愈发明显；相同荷载时，小尺寸试件应变更大.

表2 模拟构件的设计参数

图9 C45混凝土荷载-应变曲线

图10 C60混凝土荷载-应变曲线

由Ansys软件计算分析，绘制不同混凝土强度、不同尺寸试件破坏应变，如图11所示.

从图11可以看出，破坏应变随试件尺寸增大而逐渐减小，随着试件尺寸增大，结构的延性逐渐降低，GFRP管约束逐渐减弱，且试件尺寸较小时，减小的幅度大，尺寸较大时，减小的幅度则较小.两种混凝土强度不同也导致试件峰值应变的幅度和速率存在差异，在C45情况下，无论是轴向应变还是环向应变，从小尺寸到大尺寸试件的变化幅度和变化速率均较大，C60则变化幅度和速率均较小，说明在混凝土强度较低的情况下，混凝土强度对结构延性的尺寸效应影响更为显著.

图11 不同尺寸试件破坏应变曲线

3.3.3 构件极限荷载对比分析 通过表3和图12可以发现，随着试件尺寸增大，极限应力逐渐减小，在试件尺寸相同的情况下极限应力值C60 > C45，即混凝土强度越高，结构的承载能力越强；两种混凝土强度下，极限应力随试件尺寸变化的速率不相同，C45的变化快，C60的变化较慢，说明混凝土强度较低情况下，混凝土强度对结构承载力的尺寸效应影响更为显著.由表3中误差百分比和图13可以看出，相同尺寸试件为C45的影响因子及误差百分比均较大，C60的较小，说明混凝土强度越大，实际值与理论值愈发接近，还说明混凝土强度较低情况下，混凝土强度对结构的尺寸效应影响更为显著.

表3 不同尺寸构件的极限荷载及影响因子

图12 不同尺寸试件极限应力曲线

图13 不同尺寸试件影响因子曲线

4 结论

本文中对GFRP管-型钢-混凝土组合柱进行轴心受压下的试验及数值仿真研究，根据试验和数值分析结果，研究混凝土强度对组合柱尺寸效应的影响，结论为：1) 混凝土强度对试件的尺寸效应存在影响，在试件尺寸相同的情况下，混凝土强度越高，结构的承载能力越强，但延性越差；2) 随着混凝土强度的增加，试件极限应力的降低幅度减小，即混凝土强度增加会削弱承载能力尺寸效应的影响；3) 随着混凝土强度的增加，试件破坏应变的降低幅度也有所减小，进一步说明混凝土强度增加会削弱延性尺寸效应影响这一观点.同时，混凝土强度对延性方面的影响相对于承载能力的影响程度较轻.

[1] Akogbe R K, Wu Z M, Lianf M. Size effect of axial compressive strength of CFRP confined concrete cylinders[J]. International Journal of Concrete Structures and Materials, 2011, 5(1): 41-47.

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[3] 顾祥林, 李玉鹏, 张伟平, 等. 碳纤维约束素混凝土单轴受压时的应力-应变关系[J]. 结构工程师, 2006, 22(2): 50-56.

[4] 滕锦光, 余涛. FRP管-混凝土-钢管组合柱力学性能的试验研究和理论分析[J]. 建筑钢结构进展, 2006, 8(5): l-7.

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[6] 宋功河, 张海昆. BFRP约束素混凝土圆柱强度及尺寸效应的试验研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2009(4): 3-5.

[7] 齐建林. 玄武岩纤维布约束混凝土圆柱轴心抗压性能试验研究[D]. 广州: 广东工业大学, 2011.

[8] 郭星. FRP管-混凝土-钢管组合短柱轴压性能有限元分析[D].大连：大连理工大学，2015.

[9] 陆新征, 冯鹏, 叶列平. FRP布约束棍凝土方柱轴心受压性能的有限元分析[J], 土木工程学报, 2003,36(2):46-51.

(责任编辑 郭定和)

The influence of concrete strength on the size effect of GFRP- steel-concrete composite columns

ZHANG Yunfeng1, XU Zhen1, CHEN Jia′nan2

(1.College of Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;2.Hebei Extension for Engineering Design Co. Ltd, Langfang 065000, China)

The static capacity test of four GFRP-type steel-concrete composite columns under C30 and C40 concrete strength was carried out to validate the correctness of the model built by Ansys software. Two kinds of finite element models of concrete strength were established, and ten members were analyzed by finite element method. The results show that the strength of concrete affects the size effect of the specimen.When the specimen size is the same, the higher the concrete strength is, the stronger the bearing capacity is, and the worse the ductility is. When the concrete strength is low, the effect of concrete strength on the size effect of the structure is more significant.

GFRP- steel concrete composite columns；concrete strength；specimen size；bearing capacity

2016-11-14

国家自然科学基金(51308028)资助

张云峰(1966-)，男，博士,教授，E-mail：ziyang497001589@163.com；徐珍，通信作者，硕士生，E-mail:18945953059@163.com

1000-2375(2017)04-0385-07

TU398.9

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.04.010