新型 SCCC組合柱抗震性能的有限元分析

王 冬 劉永軍 李竹巖

(沈陽建筑大學土木工程學院,沈陽 110168)

新型 SCCC組合柱抗震性能的有限元分析

王 冬 劉永軍 李竹巖

(沈陽建筑大學土木工程學院,沈陽 110168)

針對一些學者近兩年提出的新型圓截面鋼管-混凝土-CFRP-混凝土實心組合柱(簡稱為 SCCC組合柱)還沒有在抗震性能方面做過深入研究的現狀,本文利用有限元軟件 ABAQUS對軸向壓力及低周往復荷載作用下 SCCC組合柱的抗震性能進行了數值模擬,研究了不同直徑的CFRP管對組合柱抗震性能的影響。分析結果表明,隨著 CFRP管直徑的增大,組合柱的抗震性能有不同程度的提高。但是從結構耐火性能的角度出發,CFRP管直徑過大,會使結構的耐火時間明顯降低。因此,有必要確定一個合適的直徑范圍,使得組合柱能夠充發揮其性能。同時,也能為實驗提供有效的理論分析方法。

組合柱;CFRP;抗震性能;耐火性能;理論分析

1 引言

碳纖維(CFRP)復合材料以其抗拉強度高、質量輕、耐腐蝕性能好、絕緣性能優良等優點,在航空航天、橋梁等工程中得以廣泛的應用。但是,CFRP材料的耐火性能很差,這就很大的局限了 CFRP在一些大型商場、賓館等建筑結構中的發展。因此,如何解決其耐火性能就成了人們關注的焦點。劉永軍等一些學者針對這一問題提出了一種新型的SCCC組合構件,這種構件利用環形混凝土的保護,很好的解決了 CFRP耐火性能差這一缺點,但是對于這種新型構件其他方面的力學性能研究還很少。本文從 SCCC組合柱抗震方面的性能入手對其進行研究,這對于推動新型 SCCC組合柱在土木工程中的應用具有重要意義。

2 新型 SCCC組合柱

目前,國內外的大多數學者主要是將 CFRP包裹在結構的外部對其進行研究的。其組合柱形式有 FRP管-混凝土柱、FRP管-混凝土-鋼管雙壁組合柱、FRP-鋼管-混凝土柱等。

FRP管-混凝土柱(見圖 1)是在 FRP管內澆筑混凝土而形成的組合柱,包括用包裹 FRP進行加固的鋼筋混凝土柱也屬此類構件。

圖 1 FRP管-混凝土柱截面圖

相對于鋼筋混凝土柱,FRP約束鋼筋混凝土柱不但極限承載力得到提高,而且表現出很好的延性和耗能性能。Nanni等[1]進行了 20個 FRP約束鋼筋混凝土壓彎構件和 6個鋼筋混凝土構件的往復荷載試驗,結果表明:當軸壓比較小時,鋼筋混凝土構件表現為斜向剪切破壞,當軸壓比較大時表現為壓彎破壞;所有 FRP約束的構件均表現為彎曲破壞,且破壞時均表現出一定的延性。

FRP管-混凝土-鋼管雙壁組合柱是由一個外層的 FRP管、一個內層的鋼管和兩個管之間的混凝土所組成(見圖 2)。這種結構具有自重輕、抗彎剛度大等優點。Yu等[2]進行了圓 FRP-混凝土-鋼管組合柱純彎構件的試驗,研究結果表明,所有試件均具有良好的延性。

圖 2 FRP管-混凝土-鋼管雙壁組合柱截面圖

FRP-鋼管-混凝土柱是一種新型組合構件,是在鋼管混凝土柱的表面纏繞 FRP而得到的,如圖 3所示。這種組合柱可以較好地發揮 FRP約束混凝土和鋼管混凝土的雙重優點,構件在具有較高承載力的同時還具有較好的延性[3]。

圖 3 FRP-鋼管-混凝土柱截面圖

以上 3種構件都是將 FRP置于構件的表面,由于 FRP材料的耐高溫和耐火性能較差,使得前面幾種組合柱的優越性難以充分發揮,阻礙了其在高層建筑、商場等建筑工程中的應用。因此,一些學者提出將 CFRP置于鋼管混凝土內部,構成新型的鋼管-混凝土-CFRP-混凝土組合柱(SCCC組合柱),如圖 4所示。由于CFRP被環形混凝土包裹,使其升溫速率得以延緩,從而有效彌補了 CFRP耐高溫性能差這一缺點,對此,劉永軍等進行了相關的研究。

圖 4 SCCC組合柱截面圖

SCCC組合柱的優點有,第一,施工方便,鋼管和CFRP管都具有足夠的剛度,能夠起到模板的作用。第二,能夠充分發揮鋼材和 CFRP抗拉性能好、混凝土抗壓性能好的特點。第三,CFRP管能夠很好的約束核心混凝土,降低了環形混凝土對外部鋼管的作用力,因而在相同承載力的情況下,能夠節省鋼材。第四,鋼管的延性和 CFRP管的高強度相互補充,提高了極限承載力。在耐火性能方面,首先,混凝土屬于熱惰性材料,環形混凝土可以延緩CFRP管溫度升高,延長柱子的耐火時間。其次,外層鋼管可以阻止環形混凝土在火災中因為爆裂而剝落,這樣就使得環形混凝土對 CFRP管的防火保護作用十分可靠[4]。

3 SCCC組合柱的抗震性能分析

3.1 模型的建立

有限元模型的截面尺寸,鋼管的外徑 D=350mm,厚度 ts=2 mm;CFRP管的直徑分別采用 d=200mm和 d=260mm兩種,分別表示為 SCCC-200和 SCCC-260,普通的鋼管混凝土柱用 SC表示,CFRP單層厚度 tcfrp=0.167mm,模型的高度H=1000mm,模型中的鋼材采用 Q235鋼,混凝土采用C30,具體材料參數見表 1。

表 1 材料參數

圖 5 模型的網格圖

3.2 單元的選取

模型中 CFRP管和鋼管均采用殼單元 S4R模擬,混凝土采用三維實體 8節點減縮積分單元C3D8R模擬。劃分單元后的模型如圖 5所示。假設 CFRP和混凝土之間粘結良好,采用 tie命令將CFRP和混凝土粘結。

3.3 混凝土破壞準則

由于是在水平往復荷載作用下,需要考慮混凝土受拉開裂和壓碎破壞兩種失效機制。在ABAQUS中,采用混凝土模型 concrete da m aged plasticity來定義混凝土材料的塑性破壞準則。其中除了需要定義混凝土受壓和受拉破壞的數據之外,還需要定義一些參數[5]才能更準確的模型中混凝土的行為。參數如下:

(1)p—q平面中高圍壓情況下的膨脹角 φ,其值在 15～56.3度之間,這里我們取 30度;

(2)塑性勢能力方程的流動偏角 ζ,缺省值為0.1;

(4)拉子午線 q(TM)、壓子午線 q(CM)上第二應力不變量的比值Kc,其缺省值為 2/3;

(5)粘塑性系統松弛時間的粘性系數 μ,在ABAQUS/Standard中,材料出現軟化和剛度弱化時計算將難以收斂,在本構方程中采用粘塑性規則化可以部分解決這個問題。在 ABAQUS/Standard中,粘性系數 μ的缺省值為 0[6]。

3.4 加載方式和邊界條件

本文中模型的底部設為固定約束,荷載有軸向荷載和水平荷載兩種,加載方法為先軸向加載N=300KN,在柱頂水平方向采用位移加載,控制柱在水平方向的往復運動,加載方式如圖 6所示。

圖6 水平加載方式

4 有限元結果分析

4.1 應力云圖

從ABAQUS分析的結果,我們可以得到以上三種組合柱的應力云圖,分別如圖 7、8、9所示。

由應力云圖可以看出組合柱最大應力都出現在柱腳處,并隨著柱腳處混凝土被壓碎鼓出而宣告破壞。同時從圖中可以看到,由于 CFRP管的存在,能夠對核心混凝土起到束縛作用,在同等條件下,其變形要比普通鋼管混凝土的小,并且隨著 CFRP管直徑的增大,變形逐漸減小。

4.2 恒定荷載下的位移

根據有限元軟件模擬分析的結果,對比了在同 等條件下普通鋼管混凝土柱和加入 CFRP的 SCCC組合柱的側向位移,這里我們取 P=41KN。在此級荷載作用下,普通鋼管混凝土柱頂的最大位移為4.235mm,組合柱 SCCC-200的位移為 3.434mm,減少了 18.9%,組合柱 SCCC-260的位移為 3mm,減少了 28.57%,抗變形能力有所提高。

4.3 骨架曲線

骨架曲線作為滯回曲線峰值點連成的包絡曲線,能夠較好的反應結構在往復荷載作用下的一些力學效果。模擬模型的骨架曲線如圖 10所示。

圖 10 骨架曲線

從骨架曲線可以看出,加入 CFRP的組合柱要比普通鋼管混凝土柱的承載力高,抗變形能力有所也有所增加,從曲線中我們還可以知道,不同直徑的CFRP對承載力也有所影響,隨著 CFRP直徑的增加,組合柱的延性和承載力都有所增加。如果從組合柱的耐火性角度出發,CFRP的直徑太大,必定導致組合柱的耐火時間縮短,因此,有必要確定一個適合的直徑,使得結構既能有良好的耐火性又能保證其達到最優的抗震性能。

4.4 位移延性

位移延性系數為極限位移與屈服位移之比[7],其值越大,表明構件的延性越好。模擬分析計算出的延性系數見表2?？梢钥闯?加CFRP的組合柱比普通的鋼管混凝土柱的延性系數要大,并且隨著CFRP管直徑的增加,延性系數也在提高。

表2 延性系數對比

5 結論

從以上分析的結果可以看出,與普通鋼管混凝土相比,在低周往復荷載作用下,SCCC組合柱的承載能力和抗變形能力均有所提高。不同直徑的 CFRP管提高的程度是不同的,從而在理論上驗證了這種新型結構在抗震性能方面提高的有效性。

[1]NanniA,NorrisMS.FRP jacketed concrete under flexure and co mbined flexure— compression[J].Construction and Building Materials,1995,9(5):273-281.

[2]Yu T,Wong Y L,Teng JG,eta1.Structuralbehavior ofhybrid FRP— concrete— steel double— skin tubular columns.2004.

[3]王慶利,李寧,韓佛,等.CFRP-鋼管混凝土軸壓構件試驗研究[J].沈陽建筑大學學報,2006,22(5):709-713.

[4]劉永軍,唐元琳,王晴.新型圓截面-混凝土-CFRP-混凝土實心組合柱及其耐火性能[J].混凝土.2010,(1):37-39.

[5]H ibbitt,Karlson,Sorenson.ABAQUS Version 6.4:Theory manua,l users'manua,l verification manual and example problemsmanua.lH ibbitt,Karlson and Sorenson Inc,2003.

[6]堯國皇,黃用軍,宋寶東,譚偉.采用塑性損傷模型分析鋼-混凝土組合構件的靜力性能.建筑鋼結構進展.2009,11(3):12-18.

[7]魏洋.FRP約束混凝土矩形柱力學特性及其抗震性能研究[D].南京:東南大學,2007.

Finite Element Analysis of Seismic Behavior of New Hybrid SCCC Composite Columns

Wang Dong,Liu Yongjun,L iZhuyan

(Shenyang Jian zhu University Civil Engineering,Shenyang110168,China)

In view of status that the new circular hybrid Stee-l Concrete-CFRP-Concrete column(s imply called SCCC columns)whichwas proposed by some scholars nearly tow years,hasn'tm ade a deep research in seism ic perfo rmance.In this paper,using finite element software ABAQUS s imulate seism ic behaviors of SCCC composite columnswhich under the action of axial compressive force and low cycle reversed loading,studied the effect on seism ic perfor mance of composite columns in different diameter CFRP tubes.Analysis results show tha,t along w ith the increase of CFRP tube diameter,the seism ic perfor mance of composite colu mnshad different degrees of improvemen.t But see from the structure's fire behavior,the increse ofCFRP tube dia m eterw illmake fire resistance t ime decreased obviously.Therefore,it is necessary to determ ine a suitable diameter scope,makes the composite co-l umn can play its perfor m ance.At the same t ime,can provide effective theoretical analysism ethod for exper imenta.l

Composite Column;CFRP;Seism ic Behavior;Fire Behavior;TheoreticalAnalysis

TU392.3;TU375.3

A

1674-7461(2011)02-0011-05

劉永軍(1966-),男,博士,教授。主要從事建筑結構抗火性能、橋梁抗風與抗震、新型組合結構、有限元軟件開發、科學可視化等方面的研究;

王冬(1986-),男,在讀碩士研究生。專業:結構工程。