雷婷 LEI Ting;杨云 YANG Yun
(宁夏大学新华学院,银川 750021)
随着社会发展近些年大型、高层建筑物的不断涌现,不断提出对建筑物承重柱的更高性能要求。GFRP管-钢管混凝土组合柱作为近年来衍生的新型组合构件之一,极大地提升了核心混凝土约束作用力,与钢筋混凝土柱的承载力。通过研究表示,多数研究依然以组合柱构件力学性能为主,在线性分析方面研究成果相对匮乏。本研究将结合现有研究试验论证结果,建立组合柱纤维模型,对GFRP管-钢筋混凝土组合柱的轴压力学性能进行分析。
采用C40自密实混凝土,以《普通混凝土力学性能试验方法标准》为测试依据,取3个混凝土试件计算平均值结果作为强度标准值。制作一组φ150mm×300mm标准圆柱体试块,同样养护后取3个试件计算平均值结果作为轴心抗压强度。
选取同批钢管切取加工3个钢材试样,屈服强度为310MPa,极限抗拉强度为480MPa,弹性模量为206GPa,泊松比为0.263,屈服比为1.55。
本试验所用GFRP管的纤维环向弹性模量为50GPa,抗拉强度为2503MPa,极限抗拉应变为0.0312。
本次试验加载设计为两阶段,第一阶段为力控制加载阶段,设定2kN/s加载速度,在达到10000kN荷载作用力下,自动转化位移控制,加载速度0.5mm/min,记录各荷载阶段变形值,直至下降至峰值荷载60%停机。需要注意预加载力控制,在加载停机时检查TDS-530数据采集仪的运行是否正常,位移计与应变片读数是否正常,在一切正常前提下进行加载试验。
试验加载中钢管混凝土柱基本存在均匀变形,具体现象是柱的中心沿截面的圆周凸出。这证明柱子的中央有严重的压曲,柱子的边缘也稍微凸起,但中央的凸起并不明显。在复合柱试件装载过程中,内侧GFRP管损坏前,只有钢管稍微膨胀变形,之后GFRP管突然损坏,发出巨大声响,钢管逐渐明显膨胀。以及纵向位移的不断增加,鼓起部位随之增加,鼓起变形随之加大。
在本次试验中,选取了9根组合柱试件与1根素钢管混凝土柱展开试验。试验荷载-纵向位移具体表现划分为三阶段:弹性阶段因为钢管泊松比大于混凝土,而钢管及核心混凝土通常单独受力,之后钢管进入弹塑性阶段;进入弹塑性阶段之后,所受纵向荷载影响,核心混凝土的外表面微裂纹逐渐扩展,形成横向变形,此时的泊松比远超钢材,两者之间形成相互作用力。混凝土所受钢管环向约束作用力,且随着此约束力的不断增加,开始进入钢管屈服阶段;在强化阶段,荷载作用力在钢管变形增长随之成缓慢上升,承载力与延性有明显提升,虽然中间有一段下降期,可是整体下降幅度并不明显,所以可以忽略此阶段影响;在破坏阶段,试件所在破坏阶段承载力波动并不明显,基本在256.8kN~541.3kN下降范围内,试件在破坏阶段,承载力表现出较大的下降波动,基本在628.2kN~1619.6kN之间,这是由于后四个试件的GFRP管直径厚度较大,这一情况在后面直径厚度试验中详细分析。
2.3.1 GFRP管厚度对承载力的影响
此试验预设为将试验片分成三组:GFRP管的纤维环向弹性模量为50GPa,抗拉强度为2503MPa,极限抗拉应变为0.0312的基础上,以不同GFPR管直径划分三组,其中直径100mm为一组包括试件B1、B2、B3,组成各直径150mm为二组包括试件B4、B5、B6,组成直径200mm为三组包括试件B7、B8、B9,将三组试验片的载荷-位移曲线与常规钢管混凝土试片(B0)进行比较(如图1)。发现所有GFRP管-钢管混凝土复合柱的承载力最高极值普遍较高,可见管壁厚度与同一GFRP管直径的承载力和延展性具有正相关性。这也表明在GFRP管道的相同直径下,GFRP管-钢管混凝土复合柱的承载力和延展性,会跟随管道壁厚的增加而增加。GFRP管-钢管混凝土复合柱达到承载力极值后,这一极值后面的支撑力,仍高于普通混凝土试片的支撑力。因此,GFRP管道的管厚度,与组合柱的承载力价值,以及极值后的支撑力密切相关。
图1 GFRP管直径变化对荷载-位移曲线影响
2.3.2 GFRP管直径对承载力的影响
此试验预设为将试验片分成三组:GFRP管的纤维环向弹性模量为50GPa,抗拉强度为2503MPa,极限抗拉应变为0.0312的基础上,以不同GFPR厚度划分三组,其中厚度2mm为一组包括试件B1、B4、B7,厚度3mm为二组包括试件B2、B5、B8,厚度4mm为三组包括试件B3、B6、B9,将三组试验片的载荷-位移曲线与常规钢管混凝土试片(B0号)进行比较。发现所有GFRP管-钢管混凝土复合柱的承载力最高极值普遍较高,可见管直径与同一GFRP管直径的承载力和延展性具有正相关性(如图2)。这也表明在GFRP管道的相同厚度下,GFRP管道-钢管混凝土复合柱的承载力和延展性,会跟随管道直径的增加而增加。GFRP管-钢管混凝土复合柱达到承载力极值后,这一极值后面的支撑力,仍高于普通混凝土试片的支撑力。因此,GFRP管道的直径,与组合柱的承载力价值,以及极值后的支撑力密切相关。
图2 GFRP管直径变化对荷载-位移曲线影响
GFRP管-钢管混凝土组合柱假设应力-应变二者关系为理想弹塑性(图3),那么在荷载作用力极值下,GFRP钢管的纵向、环向应力分别如下:
图3 钢管应力-应变模型
式中:屈服条件下钢管环向、纵向应力分别用σsθ、σsz表示;参考以往文献σu与βuc分别取值-0.19,0.89。钢材处于极限状态下的两种应力,均服从VonMises屈服准则,公式如下:
式中:钢管屈服应力用σsy表示。
根据上述试验结果能够发现,GFRP管-钢管混凝土组合柱的试件,在达到承载力极值之后,就会出现一小段下降幅度,之后持续平缓的回升。本文选取组合柱在破坏阶段的荷载-应变关系进行模拟回归分析,建立GFRP管-钢管混凝土组合柱在破坏阶段峰值后承载力公式:
假设GFRP管-钢管混凝土组合柱的承载力达到极值之后,经过几个阶段下降后的承载力Np,假设在破坏阶段的组合柱位移值△εm为1%,此阶段的荷载-应变模型如下:
根据上述构建GFRP管-钢管混凝土组合柱的荷载-应变纤维模型,进一步确定GFRP管直径、厚度等参数,对组合柱轴压力学性能的影响,根据公式(4)展开变参数研究(表1)。
表1 GFRP管-钢管混凝土组合柱变参数研究
根据表1,M1、M3、M6作为一组;M2、M3、M4、M5作为二组,M6、M7、M8、M9作为三组,分别讨论D/d、D/t1、d/t2变化,对GFRP管-钢管混凝土组合柱的影响。结果发现,GFRP管-钢管混凝土组合柱的承载力,与D/d存在显著负相关,随着D/d的不断减小,承载力反而增加,但是延性则正相关于D/d。GFRP管-钢管混凝土组合柱延性、承载力与D/t1为负相关,但是在D/t1不断减小时,组合柱延性增加变化并不明显,而GFRP管-钢管混凝土组合柱与d/t2之间,具体表现为随着d/t2不断减小而增加的显著关系。通过上述变参数结果能够发现,D/d、D/t1、d/t2的减小,GFRP管-钢管混凝土组合柱的承载力就能得到明显提高,但在D/d减小情况下,延性会有所降低,D/t1减小时延性增大并不明显,而d/t2减小则会使得组合柱延性明显增加,所以增加GFRP管-钢管混凝土组合柱的承载力与延性,可以通过采用较小的d/t2值得以实现。
通过本文研究,得出以下结论:①在GFRP管同样厚度条件下,组合柱的承载力及延性与直径正相关;GFRP管同样直径条件下,组合柱的承载力及延性与厚度正相关;GFRP管直径对组合柱轴压力学性能影响,与内管厚度关系显著。②提出适用本次试验分析的组合柱纤维模型,进行GFRP管-钢筋混凝土组合柱的变参数研究,发现随着管的径厚比的减小,组合柱的承载力与延性有显著提升;③想要增加GFRP管-钢管混凝土组合柱的承载力与延性,可以通过采用较小的d/t2值得以实现。