长细比对CFRP约束钢管混凝土柱偏心受压力学性能的影响研究

于 洋， 刘占宇， 梅宝瑞， 张云峰

（东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆 163318）

钢管混凝土的使用早在19世纪80年代就已经出现，由于三向受压机理，钢管对其有可靠的紧箍作用，从而使其纵向抗压承载力相比较普通素混凝土柱而言有了大幅度的提高. 同时，钢管混凝土柱具有耐久性、耐腐蚀性及施工简便等优点，使其在实际工程中得到了广泛应用［1-6］. 由于它优于其他柱的力学性能，更高的承载力、更好的延性、更久的使用寿命，已然成为我们对于钢管混凝土柱提出的新要求. CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）约束钢管混凝土柱即是在这样的背景下产生的，其构造为在钢管约束混凝土柱基础上外包一层CFRP布，不仅可提高对构件的约束作用，还可以增强其延性、耐久性以及耐腐蚀性，将CFRP布与钢管混凝土柱的优点完美地结合起来，高效实用［7］.

国内外研究FRP的应用及受力性能的相关文献有很多，比如FRP加固混凝土梁、柱；爆炸荷载下钢筋混凝土结构动力响应；FRP加固钢筋混凝土梁的抗剪性能［8］等，但CFRP钢管混凝土方向的相关研究相对较少.国外近年研究中，Sundarraja等［9］通过实验分析单向CFRP在弯曲处的方形钢管混凝土截面外部加固适用性，研究了CFRP对钢管混凝土截面弯曲性能的影响. Alam等［10］为研究合适的强化技术，以最小化车辆与结构柱碰撞引起的伤亡和经济损失，评估汽车CFRP加强全尺寸钢管混凝土（CFST）柱在车辆撞击下的影响. 国内研究中，2013年吕仲亮［11］对钢筋FRP管混凝土偏心受压构件进行模拟分析，分析了初始偏心距、混凝土强度、配筋率、长细比对偏心受压混凝土组合构件性能的影响，得出偏心受压组合柱的破坏部位均发生在其中下部，组合柱所承受荷载的初始偏心距越大，FRP管的约束越弱；组合柱的核心混凝土强度越大，FRP管的约束作用越弱；组合柱的纵筋配筋率越大，FRP管的约束作用越不明显；长细比越大，FRP管的约束作用越强.孔令鹏［12］通过24个CFRP管约束混凝土柱的轴心受压试验，以纤维布铺设角度、管壁厚度、混凝土强度等级为试验参数. 并对试验构件进行数值分析，对承载力计算公式进行修正.

目前，CFRP组合柱方向的研究多集中为对轴心受力构件的研究［13-14］，而偏心受压的情况更符合组合柱实际受力状态. 本文即是研究偏心压力作用下长细比对CFRP约束钢管混凝土柱的受力性能的影响. 通过控制钢管约束效应系数、偏心率、CFRP 约束效应系数和混凝土强度等参数保持不变的情况下，对长细比进行调整，分析研究长细比变化对偏心受压CFRP约束钢管混凝土柱的应力分布，荷载-位移曲线变化及极限承载力产生的影响，为同类研究和工程实际应用提供数据参考.

1 模型验证

为保证数值模型的准确性和普适性，对文献［15］试验中的4组工况进行了模拟，模拟分析各工况破坏模态、荷载挠度曲线等. 并与试验结果进行了对比分析，对所建立模型的正确性进行验证.

1.1 构件本构关系

CFRP 为各向异性材料，在组合柱中主要起套箍作用，对于环向CFRP，通常只承受纤维方向拉应力，本构关系采用如图1（a）所示正比线性关系. 钢筋的本构关系如图1（b）所示，屈服准则采用Von Mises 屈服准则［16-17］. 混凝土的本构，在ABAQUS中有三种，第一种是脆性开裂模型（Brittle cracking）、第二种是弥散开裂模型（Smeared crack）、第三种是塑性损伤模型（Plasticity damage），而在国内的几种代表性曲线中［14，18］，鉴于本文的情况，选用余志武、丁发兴的本构关系进行分析，见图1.

图1 各构件的应力-应变关系Fig.1 Stress-strain relationship of each component

1.2 模型建立及边界条件设置

借鉴徐亚丰［19］钢骨-圆钢管高强混凝土柱偏心受压分析建立组合柱分析模型，在柱上下底面分别施加两个刚性垫板，并与柱通过加载线耦合，如图2（a）所示. 对柱顶参考点约束x、y方向位移，在参考点上施加z方向位移荷载，对柱底参考点约束x、y、z三个方向位移，如图2（b）、（c）所示.

图2 各构件边界条件Fig.2 Boundary conditions of each component

1.3 网格划分

在网格划分过程中，考虑到网格划分过于稀疏，导致计算结果模糊，不精确；同时，如果网格划分过密，则浪费时间，还有可能导致不收敛. 通过不断调整网格尺寸，取两次分析结果相差较小网格大小，对组合柱和刚性端头进行网格划分，设置全局单元尺寸为0.1，各部件网格划分如图3所示.

1.4 模型验证

1.4.1 破坏模态对比分析破坏模态对比分析，图4（a）为试验CFRP 约束钢管混凝土柱的典型破坏模态，图4（b）为模拟破坏模态，通过对比可知其破坏模态基本一致.

1.4.2 荷载-挠度曲线对比分析 由试验工况［20］，对数值模型CFRP 约束钢管混凝土柱进行偏心受压计算，绘制荷载-柱中挠度曲线，与试验荷载-挠度曲线对比如图5 所示，两条曲线趋势基本一致，数值分析结果与试验结果吻合较好.

图3 各构件网格划分Fig.3 Meshing of each component

图4 CFRP约束钢管混凝土柱破坏模态对比Fig.4 Comparison of failure modes of CFRP-confined concrete-filled steel tubular columns

图5 荷载-柱中挠度曲线对比Fig.5 Load-column deflection curves comparison

2 长细比对组合柱力学性能影响分析

2.1 构件设计分组

分析构件分为D、E、F、G 共计4组，各组内钢管约束效应系数、偏心率、CFRP 约束效应系数和混凝土强度等参数保持不变，组内对长细比进行调整，分别为22.4、28 和36；保持其他参数不变，D、E、F、G各组试件钢管约束效应系数εs不同，分别为0.59、0.8、1.01 和1.23.各组试件具体参数，如表1所示.

2.2 应力云图分析

对各组试件进行应力分析，不同加载阶段，四组试件呈现相似的应力分布变化规律，以D组试件达到极限承载应力云图为例进行阐述说明，如图6所示.

表1 构件分组Tab.1 Component grouping

图6 D组试件各组成部分应力云图Fig.6 Stress cloud diagram of each component of group D test piece

CFRP最大等效应力出现在柱中受压一侧，达到最大应力强度，长细比对CFRP最大应力影响不大. 对于钢管，柱中受压一侧压应力整体较大，均达到屈服强度，进入屈服阶段. CSCC-1、CSCC-5、CSCC-9三个试件中钢管的最大等效应力值分别为339、331、327 MPa. 随着长细比的增加，钢管的最大等效应力值降低，即随着长细比的提高钢管的套箍作用减弱. 混凝土最大轴向应力值集中出现在轴向压力较近一侧柱中位置，分别为88.2、74.4、65.0 MPa，随着试件长细比的增加，承载能力有所降低. 主要原因为随着长细比的增加，钢管套箍作用较弱，稳定临界力也有所下降.

2.3 荷载-位移曲线分析

D、E、F、G组轴向荷载-挠度曲线见图7，可知，不同钢管约束效应系数情况，荷载-挠度曲线形式基本一致. 现以D组试件，εs=0.59 为例，如图7（a）所示，长细比为22.4、28、36的试件达到极限承载力时对应的挠度分别为24.41、28.11、37.33，试件刚度值随长细比增加逐渐降低，随长细比增加，挠度增长较快，稳定性变差，最终破坏变形较大.

图7 不同长细比荷载-挠度曲线对比图Fig.7 Comparison of different slenderness ratio load-deflection curves

2.4 极限承载力分析

随长细比增加，各组试件极限承载能力变化情况，见表2. 在钢管约束效应系数εs、偏心率、CFRP约束效应系数εcf、混凝土强度相同条件下，仅随长细比增加，极限承载力下降，CSCC-5的极限承载力比CSCC-1降低了10.7%，CSCC-9的极限承载力比CSCC-5降低了11.5%，承载力降低幅度略有所下降，D、E、F、G组的降低幅度大致相同. 图8 为长细比与极限承载力对应关系图，可以看出随长细比增加，曲线斜率绝对值变小，即在试件设计参数范围内，随长细比增加承载能力降低，但降低幅度减小. 为更好反映极限承载力与钢管约束效应系数及长细比参数之间的关系，绘制三维关系，如图9所示.

表2 各组试件极限承载能力变化情况统计表Tab.2 Statistical table of changes in ultimate bearing capacity of each group of test pieces

图8 长细比λ-极限承载力N对应关系Fig.8 Correspondence relationship between slenderness ratio λ-ultimate bearing capacity N

3 结论

利用ABAQUS软件数值模拟12根CFRP约束钢管混凝土组合柱，在钢管约束效应系数εs、CFRP约束效应系数、偏心率等相同条件下，研究不同长细比对组合柱偏心受压力学性能的影响，研究结果表明：

1）长细比对CFRP最大应力影响不大. 对于钢管，柱中受压一侧压应力整体较大，均达到屈服强度，进入屈服阶段. 随着长细比的增加，钢管的最大等效应力值降低，钢管套箍作用减弱. 混凝土最大轴向应力值集中出现在轴向压力较近一侧柱中位置，随着试件长细比的增加，构件承载能力有所降低.

2）由各组试件轴向荷载-挠度曲线关系可知，不同钢管约束效应系数情况下，荷载-挠度曲线形式基本一致. 试件刚度值随长细比增加逐渐降低，随长细比增加，挠度增长较快，稳定性变差，最终破坏变形较大.

3）在其他有可能影响组合柱性能的条件不变的前提下，随长细比增加，组合柱极限承载力下降，但降低幅度逐渐变缓，趋势也是基本一致的，柱子在偏心受力的过程中，截面的应力分布始终是不均匀的，紧箍力也是不均匀的，CFRP约束了钢管的塑性流动，延缓了截面塑性区的发展，增加了构件刚度，对构件的承载力具有提高作用.