偏心受压下混凝土强度对GFRP管-混凝土-钢管组合柱力学性能的影响

于 洋，国庆波，吴紫阳

(1.东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.大庆油田路桥工程有限责任公司第六工程处，黑龙江 大庆 163453；3.大庆油田有限责任公司第三采油厂，黑龙江 大庆 163113)

GFRP管-混凝土-钢管组合柱是由GFRP外管、内置钢管和两者之间的混凝土三部分组成的新型组合构件(GFRP tube-concrete-steel double-skin tubular column，简称DSTC)，兼具双GFRP管混凝土组合柱、双钢管混凝土组合柱和GFRP管实心混凝土柱三者的优点于一身.GFRP管通过约束核心混凝土来提高组合构件的承载力，同时能够有效保护混凝土和钢管，具有良好的延性和抗震性能[1-5].由于对GFRP管-混凝土-钢管组合柱偏压力学性能的研究较为匮乏，且考虑到实际工程中管柱大都在偏心受力状态下工作，因此研究这种结构形式在偏心受压下的力学性能是十分有意义的.

1 有限元模拟与验证分析

1.1 模型基本假定

出于对GFRP管-混凝土-钢管组合柱的组成和工作机理的考虑，同样为了方便分析计算，也为了保证模拟结果与实际情况的吻合，进行如下假定[6]：GFRP管、混凝土、钢管三者之间的黏结十分牢靠，不会产生相对滑移，且共同协调变形；只考虑GFRP管环向的约束力，轴向上不受力；假设混凝土在轴向上所受约束是均匀分布的.此外，当钢管等效应力达到其设定的屈服强度，或者GFRP管等效应力达到其预设的环向抗拉强度时，认定试件破坏，计算停止.

1.2 有限元模型构建

选取文献[7]中试验的2根GFRP管-混凝土-钢管组合柱构件，进行验证工作，然后利用有限元软件ANSYS，建立GFRP管-混凝土-钢管组合柱构件的有限元模型，且各项参数与文献的试验参数一致，与已有的试验数据进行对比.

为了使材料间更好的耦合，也考虑到单元与材料的匹配度及适用性，混凝土材料的单元采用SOLID65单元.在模拟时，对混凝土选用多线性等强硬化模型(MISO).GFRP管采用SOLID45单元，在ANSYS中，选取双线性随动强化模型(BKIN)[8]，并假定GFRP材料为线弹性材料[9]，且不考虑其各向异性的材料特性，仅考虑GFRP管在环向上对混凝土的约束作用.对钢内管选取与GFRP管相同的单元，即SOLID45单元，模拟时采用双线性等向强化模型(BISO).

进入ANSYS，首先定义文件名和标题名，然后定义材料所选用的单元、本构关系、泊松比、弹性模量、构件直径、厚度等一系列必要参数，完成准备工作后采用直接成体的建模方法建立组合柱的几何模型，并对其进行网格化分.对试件底部混凝土、钢管施加X、Y、Z三个方向的全约束，试件顶端为自由端.构件几何模型如图1所示，网格划分如图2所示.

图1 DSTC几何模型

图2 DSTC网格划分

1.3 荷载施加

为研究DSTC的偏心受压性能，需要对构件施加偏心荷载.为了防止用集中荷载造成的构件顶面应力集中，使其及早的破坏情况产生，参照文献[10]的方法，把偏心荷载等效为均匀分布力和弯矩.由于本研究的构件涉及到非线性，因此利用MPC184单元，在组合柱顶面的中心上方建立1个节点，然后与柱顶面的混凝土和钢管的节点耦合分别形成多根刚性梁，那么此时就可以把需要的弯矩加到利用MPC184单元建立的节点上了，通过刚性梁形成的刚性面传递荷载.具体施加的过程如图3所示.

图3 刚性单元与荷载施加

1.4 数据对比

试件极限承载力与极限位移对比结果见表1.从表1中的数据对比可知，试验所得数据与模拟所得数据有一定误差，但误差都在15%以下.这可能是由于试验过程中操作产生的误差，以及模拟过程中材料单元和材料本构关系的选取、网格的划分等因素所导致的结果的差异性，但是可以接受.

表1 极限承载力与极限位移对比结果

1.5 荷载-位移曲线对比

荷载-位移曲线对比如图4所示.由图中可知，试验所得曲线与模拟所得曲线的变化趋势基本一致，因而所建模型可以较好地模拟构件的受力全过程，具有可行性，可用于接下来的研究工作.

图4 模拟与文献的荷载-位移曲线对比

2 力学性能分析

2.1 材料参数

在模拟GFRP管-混凝土-钢管偏心受压构件时，主要用到GFRP管、混凝土、钢管这三种材料.它们的具体参数见表2、表3、表4.

表2 GFRP管材料参数

表3 混凝土材料参数

表4 钢管材料参数

2.2 构件参数

对混凝土强度影响的研究，采用控制变量的方法，选取了C30、C45、C60这三种混凝土强度等级；通过增加GFRP管厚度和增大配钢率，进行横向对比；GFRP管内径为300 mm.试件参数见表5(表中长径比为组合柱长度与GFRP管内径的比值).通过分析不同混凝土强度情况下的荷载-位移曲线、极限承载力等，以总结混凝土强度对组合结构力学性能的影响规律.DSTC组合柱横截面如图5所示，偏心荷载施加如图6所示.

图5 DSTC组合柱横截面示意图

图6 偏心荷载施加示意图

构件分组构件编号强度等级偏心距/mm长径比空心率GFRP管厚度/mm钢管厚度/mm对比N组DSTC-1C303030.665DSTC-2C453030.665DSTC-3C603030.665参照组O组DSTC-4C303030.685DSTC-5C453030.685DSTC-6C603030.685增加GFRP管厚度P组DSTC-7C303030.666DSTC-8C453030.666DSTC-9C603030.666增大配钢率

2.3 等效应力云图分析

分别提取GFRP管、钢管、混凝土的等效应力云图，并进行对比，以分析受力情况与破坏趋势.由于受力情况、破坏情况大体相似，故而以O组的DSTC-4为例.应力云图如图7所示，等效应力单位为MPa.

图7 DSTC-4等效应力云图

由图7可以看出，GFRP外管、混凝土以及内钢管的最大等效应力不论是在靠近轴力一侧，还是在相反的一侧，都集中在其管体的中部偏下的区域，因此可以认为组合柱的破坏位置是在柱体的中部偏下区域.

2.4 荷载-位移曲线分析

2.4.1 组内荷载-位移曲线对比

组内荷载-位移曲线如图8所示.构件的极限位移是组合柱顶面在偏心荷载作用下所产生侧移的最大值.从图8中可以看出：各图中3条荷载-位移曲线的趋势大体相似；加载初期，3条曲线基本重合；曲线的切线斜率较大，随着荷载的加大，曲线的切线斜率逐渐变小且不再重合；混凝土等级低的曲线的切线斜率变小的速率较慢，最后曲线都趋于水平，甚至略有下降；在相同荷载作用下，混凝土等级低的构件产生的偏移较大；混凝土等级越高，构件的极限位移就越小.

图8 组内荷载-位移曲线

2.4.2 组间荷载-位移曲线对比

组间荷载-位移曲线如图9所示.从图9中可以看出：在混凝土等级相同时，荷载-位移曲线基本重合；加大GFRP管厚度和钢管厚度都会加大组合柱的极限位移；在混凝土等级较低时，钢管壁厚的加大，组合柱的极限位移提高明显；随着混凝土等级的不断提高，加大GFRP管壁厚及钢管厚度对组合柱极限位移的提高都不太明显，但当混凝土等级较高时，加大GFRP管壁厚对于组合柱极限位移的提升效果要略好于加大钢管厚度.

图9 组间荷载-位移曲线

2.5 极限承载力分析

承载力代表组合柱所能承受的偏心荷载的能力，而极限承载力是组合柱所能承受的最大的偏心荷载.构件极限承载力情况见表6.由表6可知，当组合柱其他影响因素不变时，随着混凝土强度等级的增大，3组试件的极限承载力随之增大，其中N组的N2的极限承载力比N1提高了20.7%，N3的极限承载力比N2提高了14.7%.由此可见,随着混凝土强度等级的不断增大，构件极限承载力增长的幅度逐渐减小.O组和P组亦呈现出这样的规律.

表6 极限承载力

图10 混凝土强度-极限承载力曲线对比

混凝土强度-极限承载力曲线对比如图10所示.由图中可知：增大GFRP管壁厚以及增大内钢管厚度，对组合柱在偏心受压状态下的极限承载力都有着提升作用；在混凝土等级不超过C45时，增大GFRP管壁厚对组合柱承载力的提升有着更好的效果；当混凝土等级在C45左右时，加大内外管的厚度对组合柱承载力的提升效果相差不大；一旦混凝土等级超过C45，加大钢管厚度对组合柱承载力的提高较明显，且提升效果随混凝土等级提高越来越好.

原因分析：混凝土在受到压力后，会发生横向变形，此时GFRP管对其产生约束作用，且GFRP管的约束作用随着混凝土的横向变形的增长而不断增大.因此，在相同荷载下，混凝土的等级越低，其横向变形越大，GFRP管对其的约束效率越高.当混凝土等级较低时，加厚GFRP管厚度，会提高其约束效率，致使核心混凝土强度大幅提高，从而大幅提高承载力.随着混凝土强度的提高，GFRP管对混凝土的约束作用逐渐变小，对构件承载力的影响变小.

3 结语

为研究混凝土强度对GFRP管-混凝土-钢管组合柱偏心受压下力学性能的影响规律，利用有限元软件ANSYS建立了GFRP管-混凝土-钢管组合柱在偏心受压下的数值仿真模型，并与参考文献中的数据进行全面的比对.研究结果表明误差值在正常范围内，从而验证了所建模型的合理性及正确性，为下一步的研究奠定了基础.在此基础上，设计9根GFRP管-混凝土-钢管组合柱模型，通过对比分析组合柱在不同混凝土强度下的等效应力云图、荷载-位移曲线和极限承载力等大量数据，进一步研究了混凝土强度对GFRP管-混凝土-钢管组合柱偏心受压下力学性能的影响规律.得出结论如下：

1)DSTC组合柱在整个偏心受压过程中，荷载-位移曲线大致分为3个阶段：直线段、平滑曲线段以及斜率近似为0的直线段.

2)根据等效应力云图总结得出试件的GFRP管、混凝土以及钢管的等效应力最大值都是集中在管体的中部偏下，因而组合柱的破坏位置是在管体的中部偏下.

3)随混凝土强度的提高，极限承载力的提高幅度逐渐减小；GFRP管的约束效果随混凝土强度的提高逐渐减弱.

4)混凝土强度的变化对组合柱承载力的影响最为显著，即随混凝土强度提高，承载力提高明显，但延性表现差.在混凝土等级较低时，含钢率对延性影响明显.

参考文献：

[1] 滕锦光,余涛,黄玉龙,等.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):1-7.

[2] TENG J G,YU T,WONG Y L,et al.Hybrid FRP-concrete-steel tubular columns:concept and behavior[J].Construction and Building Materials,2007,21(4):846-854.

[3] YU T,TENG J G,WONG Y L,et al.Hybrid FRP concrete steel double-skin tubular columns:an overview of existing research[J].Sessions at the ACI Spring Convention,2008.

[4] WONG Y L,YU T,TENG J G,et al.Behavior of FRP-confined concrete in annular section columns[J].Composites Part B Engineering,2008,39(3):451-466.

[5] 滕锦光,余涛,黄玉龙,等.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):1-7.

[6] 那昱.中空GFRP管-混凝土-钢管组合柱轴压尺寸效应研究[D].大庆:东北石油大学,2016.

[7] 卢哲刚.FRP-混凝土-钢双管柱的设计方法研究[D].杭州:浙江大学,2012.

[8] 管海伟.中空GFRP管钢筋混凝土柱力学性能研究[D].大庆:东北石油大学，2014.

[9] 许平.FRP管-混凝土-钢管组合柱承载力的试验研究[D].杭州:浙江大学,2013.

[10] 吕仲亮.钢筋FRP管混凝土偏心受压构件力学性能的研究[D].大庆:东北石油大学,2013.