长细比对CFRP-铝合金管混凝土柱轴压性能影响研究

刘 军

(江苏省南京工程高等职业学校，南京 211101)

1 概述

海洋强国战略的持续推进，对海岛基础设施的耐腐蚀性能和建设速度提出了更高要求。防腐手段之一就是使用耐腐蚀材料对结构进行保护，隔绝氯离子的侵蚀，其中就包括铝合金。铝合金作为一种轻质、高强且耐腐蚀材料被广泛应用于建筑工程中[1-2]。

目前，部分学者对铝合金管混凝土(CFAT)柱的力学性能开展了研究。例如，刘玉强[3]对5个铝合金混凝土短柱进行了轴压试验和有限元分析，结果表明，铝合金管混凝土短柱具有较高的强度、极限承载力及良好的延性性能，同时铝合金管约束效应系数、试件含铝率和核心混凝土强度等级等参数对试件承载力大小有影响。ZHOU等[4]对铝合金方管混凝土柱进行了轴压试验，结果表明，铝合金方管对混凝土的约束性较差，并提出了相应的承载力计算方法。

然而部分研究表明，铝合金的弹性模量约为碳钢的1/3，导致铝合金管对混凝土的约束能力较差，不适用于某些重载结构，限制了其发展[5]。因此，有些学者提出了采用轻质高强的碳纤维增强材料(CFRP)增强铝管的约束。CHEN等[6]对18根CFRP铝合金复合管约束海砂海水混凝土柱进行了轴压试验，杨虓宇等[7]对9根CFRP铝合金管混凝土柱进行了轴压试验，结果均表明，CFRP能大幅提高铝合金管对核心混凝土的约束。

对于CFRP-铝合金管混凝土柱的研究仍然较少且集中于短柱试验，长细比对于柱的影响较大，较大的长细比会导致柱发生失稳。因此，为进一步推进该种组合柱的研究和应用，使用ABAQUS有限元软件进行不同长细比、铝合金管强度和CFRP层数的参数分析，旨为科学研究及工程应用提供参考。

2 试验概况

选取文献[7]中4根不同CFRP层数的试件进行有限元建模分析，所有试件高度L均为390 mm，铝合金管直径D为130 mm，厚度为3 mm，CFRP厚度n分别为0、1、2、3层。由于铝合金材料应力-应变曲线不同于普通碳钢，没有明显屈服平台，因此选取其非比例极限强度作为其名义屈服强度fy，fy=264.2 MPa，极限强度fu=272.2 MPa，弹性模量E=677 842 MPa；所用C50混凝土立方体抗压强度为55.2 MPa；CFRP抗拉强度ftk=3 121 MPa。

3 有限元模型

3.1 材料属性

1)混凝土

本文采用2020版ABAQUS中的混凝土塑性损伤模型(CDP)[8]，混凝土单元采用精度较高的三维八节点六面体C3D8R实体单元，本构关系取用GB50010《混凝土结构设计规范》[9]中所提出的单轴受压应力—应变关系曲线：

(1)

(2)

式中：

fc、εc——分别为混凝土极限压应力、应变；

αa、αd——分别为上升段、下降段参数，按规范[9]取用。

2)铝合金

以往研究表明，铝合金材料性能与普通碳素钢相比，在应力—应变曲线上无屈服阶段，因此选取RambergOsgood提出的铝合金本构方程[6，10-14]。

3)CFRP

CFRP采用渐进损伤Hashin-Damage本构模型[15-17]。全局网格采用10 mm，以保证较高的计算精度及计算效率，模型建立完成如图1所示。

a 混凝土 b CFRP

c 铝合金管 d 模型建立完成图1 各部件模型及网格示意

3.2 相互作用

铝合金管与混凝土之间采用“面-面接触”，法向采用“硬”接触，切向采用“罚”函数，摩擦系数取0.3[6]。为便于计算收敛，在试件上下表面通过“tie”各约束一块钢板，在下钢板表面设置参考点RP-1，并将参考点RP-1与钢板进行“couple”，便于设置轴向荷载与边界条件。

3.3 边界条件及加载方式

根据文献[7]中试验加载的装置，约束试件下部3个方向的位移及转动，模拟试件下部完全固定状态，并在耦合参考点RP-1处施加与试验一致的轴向位移。

3.4 模型验证

有限元模拟与文献[7]中试验的荷载—位移曲线对比如图2所示。由图2可见，有限元模拟得到的荷载-位移与试验基本吻合，承载力在CFRP断裂后达到峰值，随后快速下降。试件的破坏模式与模拟结果对比如图3所示，通过Hashin-Damage损伤云图观测CFRP的断裂，发现模型良好地还原CFRP断裂，与试验结果吻合较好。模拟及试验曲线的弹性极限点、峰值点的荷载对比见表1所示，由表1可见，特征点的荷载误差基本在5%以内，试验极限承载力与有限元模拟值之比为1.035。说明建立的有限元模型能够较好反映CFRP-铝合金管混凝土柱轴压性能。

a 试验结果

b 损伤云图图3 破坏形态对比示意

表1 模拟与试验特征点对比

4 应力分析及拓展研究

4.1 应力分析

图4为混凝土、铝合金管、CFRP在峰值荷载时应力云图。由图4可见，在峰值荷载时，混凝土上端头部分的mises应力达到了71.7 MPa，远大于所输入的本构应力，说明CFRP-铝合金管为核心混凝土提供了较强的约束。对于铝合金管，除了端头部分因应力集中而导致应力过大外，最大应力主要出现在上端部，与混凝土应力最大处位置一致，此时应力为85.8 MPa，表明此时铝合金尚未屈服。对于CFRP，在峰值荷载时发生了断裂，表明CFRP-铝合金管混凝土柱的破坏特征是CFRP的断裂导致，在CFRP断裂的一瞬间铝合金管发生屈服，对核心混凝土产生二次约束，避免了脆性破坏，即荷载-位移曲线的残余段为铝合金发挥作用。

c CFRP应力云图图4 各部件峰值荷载时的应力云图

4.2 参数分析

选取荷载-位移曲线及破坏形态吻合程度较高的试件C50D130-1作为基准模型，建立12个试件，分别讨论铝合金管强度fy，试件高度L和CFRP层数n对CFRP铝合金管混凝土柱抗震性能的影响。各模型参数及结果见表2所示，表中长细比λ=L/D。

图5为各试件荷载—位移(P～Δ)曲线对比。通过对比不同变化参数可见，随着铝合金管强度的增大，荷载—位移曲线逐渐向上方移动，表明铝合金管强度对轴压强度的贡献较大；而随着长细比的增大，曲线斜率和承载力逐渐减小，这是因为长细比增大使二阶效应明显，故试件出现整体失稳。在较大长细比下，提高CFRP层数可以明显提高CFRP-铝合金混凝土柱的轴压刚度和极限承载力。

a 铝合金管强度的影响

b 长细比的影响

c CFRP层数的影响图5 荷载—位移曲线示意

表2给出所有试件的极限承载力，通过对比不同变化参数可得到如下结论：

1)随着铝合金管强度的增大，试件的极限承载力呈逐渐增大，与fy=264 MPa的试件相比，fy为300 MPa、350 MPa、400 MPa、450 MPa的试件的极限承载力分别增大4.9%、8.2%、12.7%、17.1%。整体上看，fy每增大50 MPa，试件的极限承载力增大3%～5%，且在更高强度时提升更明显，根据内部应力云图的观察发现，这是因为铝合金管强度的增大能提高对核心混凝土的约束性，弥补弹性模量较小的缺点，从而提高承载力。

2)随着长细比的增大，试件的极限承载力逐渐降低，与λ=3的试件相比，λ为6、9、12、15的试件的极限承载力分别降低2.1%、4.1%、6.3%、8.9%，说明长细比是影响CFRP-铝合金管混凝土柱轴压稳定性的关键因素。这主要是因为，长细比的增大会导致试件出现附加弯矩，整体出现失稳破坏，因此有必要进行一个量化分析。规范中[8]，对于柱轴压承载力计算的方法中，稳定系数φ是一个削弱系数，与长细比λ有直接关系，φ为不同长细比试件极限承载力与短柱试件极限承载力的比值。通过Origin进行最小二乘法拟合出两者关系，拟合结果与试验结果对比见图6，φ=-0.007 2λ+1.02，相关系数R2=0.995，说明拟合结果吻合较好。

图6 稳定系数φ与长细比λ的关系示意

3)随着CFRP层数的增大，CFRP-铝合金混凝土柱的极限承载力逐渐增大，相较于CFRP层数为1层的试件，CFRP层数为2、3、4层试件的极限承载力分别提高了10.1%、15.2%、19.1%。说明CFRP层数的提高对CFRP-铝合金柱的轴压性能有显著提升，其中在1～3层时提升较为明显。

5 结语

1)对混凝土、铝合金管、CFRP进行应力分析发现，该种组合柱的破坏特征为CFRP的断裂，在CFRP断裂之前铝合金管尚未屈服，达到峰值点后铝合金发挥约束作用，其塑性避免了组合柱的脆性破坏。

2)在试验范围内，随着铝合金管强度增大，试件的极限承载力提高范围在20%内，铝合金管强度的增大提高了对核心混凝土的约束性，弥补了弹性模量较小的缺点。

3)试验范围内，长细比的增大导致试件出现整体失稳，轴压刚度降低明显，极限承载力退化在10%以内。长细比为3～15之间时，通过最小二乘法拟合出稳定系数与长细比的计算关系，相关系数R2=0.995。

4)随着CFRP层数的提高，试件的轴压承载力逐渐增大，最大提高了19.1%，CFRP层数在1～3层时承载力提升较明显。