FRP管与钢管复合混凝土短柱的轴压性能研究
FRP管与钢管复合混凝土短柱的轴压性能研究 FRP管与钢管复合混凝土短柱的轴压性能研究
韩俊强
(成都理工大学工程技术学院,四川乐山 614007)
摘 要:轴压性能是衡量FRP管与钢管复合混凝土柱的一项基本性能指标。通过6根FRP管钢管复合混凝土组合短柱的轴压试验,研究了夹层混凝土的类型和厚度、加载方式对轴压性能的影响,并利用有限元软件ANSYS对试验结果进行了验证。研究结果表明,全截面加载和核心加载两种加载方式下,夹层混凝土类型对组合短柱轴压性能的影响均不明显。全截面加载时,FRP管与钢管工作协同性能最好;夹层混凝土厚度较大的试件的承载力与延性性能较好;核心加载时,夹层混凝土厚度大的试件延性较好,但承载力较差。
关键词:FRP管与钢管;复合混凝土短柱;加载方式;轴压性能
随着土木工程建设和经济的快速发展,隧道、桥梁及高层建筑工程日益增多,对建筑材料在强度、质地方面的要求越来越高[1-2]。纤维增强复合材料(FRP)作为一种新型的建筑材料,具有高强度、轻质地、耐久性强、施工方便等优点[3-5],广泛应用于建筑、桥梁、地下等诸多工程结构领域中。尤其是将FRP管与钢管、混凝土3种材料组合形成一种新型的组合结构柱,称之为FRP管钢管复合混凝土柱[6-7],它兼备了3种材料的优势,耐久性和抗震性更强,其承载力、延性及应变性能均得到了较大的提高,能够满足现代土木建筑工程的需求[8-10]。目前,国内外对组合柱的研究时间不长,研究内容并不完善,为此本文对6根FRP管钢管复合混凝土短柱进行单调轴压试验,研究了影响该组合柱的轴压性能的主要因素和变化规律,并采用有限元分析软件ANSYS验证了试验结果的准确性,从而为FRP管钢管复合混凝土柱轴压性能的进一步深入研究提供参考依据。
1 轴压试验
1.1 试件设计
设计6根FRP管钢管复合混凝土实心短柱,其中钢管内部混凝土为普通混凝土,强度等级为C30,立方体抗压强度为33.2 MPa;夹层混凝土分别采用50,25 mm的普通混凝土和自密实混凝土,强度等级为C40,其中自密实混凝土的立方体抗压强度为38.5 MPa;以全面加载和核心加载两种方式进行加载。组合柱中GFRP的厚度为6 mm,外半径为105 mm,纤维铺设角度±56.5°,钢管的厚度为2 mm,钢管的外半径为110 mm和130 mm。本次组合柱试件的设计参数见表1。
表1 试件设计参数
试件编号加载方式夹层混凝土厚度/mm夹层混凝土类型S1全截面加载50普通混凝土S2全截面加载50自密实混凝土S3全截面加载25自密实混凝土S4核心加载 50普通混凝土S5核心加载 50自密实混凝土S6核心加载 25自密实混凝土
1.2 试验加载装置及测点布置
本次试验严格按照GB/T 228.1—2010《金属材料-室温拉伸试验方法》的相关规定在实验室中进行。所有试件采用5 000 kN压力机进行单调轴压试验,全面加载时使用210 mm×30 mm的垫板,核心加载时使用110 mm×30 mm的垫板。为了保证轴压试验的顺利完成,采用了分级加载的制度:初始阶段,进行预加载,对试件进行中心受压校正和相应的调整;中间阶段,每级荷载约为预估极限荷载的1/20,直至荷载总量约为预估极限荷载的70%为止;最终阶段,每级荷载约为预估极限荷载的1/30,直至接近极限荷载时,开始缓慢连续加载,直至试件外部FRP管纤维断开后结束试验。
为了准确测量试件在轴心受压试验过程中的应变变形情况,在GFRP管中间部位的外表面间隔90°共布置4个沿轴向和环向的电阻应变片,钢管中间部位的外表面间隔120°共布置3个电阻应变片。同时,在组合柱外壁中间部位间隔120°共布置3个位移计,用于测量组合柱受压后变形程度。
图1 试验测点布置
1—FRP管;2—钢管;3—应变片;4—位移计。
2 试验结果及分析
2.1 夹层混凝土类型对轴压性能的影响
不同夹层混凝土类型的组合试件在轴心受压过程中其荷载-轴向变形的变化曲线如图2所示。可以看出,全截面加载方式下,当夹层厚度为50 mm时,夹层为普通混凝土或自密实混凝土这两种混凝土类型的所有试件的荷载-轴向应变曲线变化情况基本一致,此时普通混凝土试件与自密实混凝土试件相对应的极限荷载比值约为1.02,极限位移比值约为1.08,故自密实混凝土试件的承载力及极限位移相对较大。同理,在核心加载方式下(作用面仅在核心混凝土),当夹层厚度为50 mm时,普通混凝土试件与自密实混凝土试件相对应的极限荷载比值约为0.94,极限位移比值约为0.98,两种加载方式下试件的承载力及极限位移的差异不明显。由此可见,不同加载方式下,夹层混凝土类型对组合柱试件轴压性能的影响差异不明显。
图2 不同夹层混凝土类型下试件的荷载-轴向变形曲线
2.2 夹层混凝土厚度对轴压性能的影响
不同夹层混凝土厚度的组合试件在轴心受压过程中其荷载-轴向变形的变化曲线如图3所示。由图3可知,全截面加载方式下,当夹层为自密实混凝土时,夹层为25 mm或50 mm的所有试件的荷载-轴向应变曲线变化情况基本一致,此时夹层厚度25 mm试件与厚度50 mm试件的极限荷载比值约为0.88,极限位移比值约为0.73,故夹层厚度50 mm试件的承载力和极限位移相对较大,即试件的承载性能和延性更好。同理,在核心加载方式下,当夹层为自密实混凝土时,夹层为25 mm或50 mm的所有试件的荷载-轴向应变曲线在初始加载阶段变化情况基本一致,但在后续加载阶段,差异比较明显,此时夹层厚度25 mm试件与厚度50 mm试件的极限荷载比值约为1.32,极限位移比值约为0.87,故夹层厚度25 mm试件的承载力较大,但极限位移较小,即夹层厚度25 mm试件的承载性能相对较好,延性相对较差。
图3 不同夹层混凝土厚度下试件的荷载-轴向变形曲线
2.3 加载方式对轴压性能的影响
不同加载方式下试件在轴心受压过程中其荷载-轴向变形的变化曲线如图4所示。可以看出,加载方式不同时,组合柱试件的荷载-轴向应变变化曲线有较大差异,具体表现在:1)当夹层混凝土类型及厚度相同时,试件在核心加载和全截面加载方式下试件的极限位移比值分别是2.13、1.76、2.12,此时核心加载下试件的延性相对较好。2)夹层混凝土厚度相同(50 mm),夹层混凝土类型分别为自密实混凝土和普通混凝土时,核心加载与全截面加载方式下试件的承载力比值分别为0.86、0.78,此时两种加载下试件的承载力相差不大。3)夹层混凝土厚度25 mm,且混凝土类型为自密实时,核心加载与全截面加载方式下试件的承载力比值为1.02,二者差异不大。综上所述,在全截面加载方式下夹层厚度较大的试件的荷载-轴向应变变化曲线的斜率较大,试件的协同性相对较好,但核心加载方式下试件的延性相对较好,承载力却相对较差。
图4 不同加载方式下试件的荷载-轴向变形曲线
3 有限元软件分析
为了验证本次轴压试验结果的可靠性,利用ANSYS有限元软件对组合短柱的轴压性能进行仿真模拟,其中FRP管、钢管、混凝土分别选用Shell 41、Solid 45、Solid 65单元类型进行模拟,并采用整体几何建模和整体扫掠网格划分的方式,采用平衡迭代法则和位移收敛准则,使收敛精度达到3%以内。模拟计算结果与试验结果的比较情况如表2所示。由表2可知,模拟计算结果与轴压试验结果的承载力比值范围为0.98~1.03,相对误差较小;轴向应变比值范围为0.91~1.14,除S3试件外,其他试件的轴向应变模拟计算结果与试验结果的相对误差较小,分析原因可能是试件存在缺陷,轴心受压不均匀而产生偏心,减弱了双管的约束作用,也可能是由于有限元计算过程中没考虑到面与面之间接触的黏结滑移作用。同时,核心加载方式下试件的轴向应变模拟计算结果略小于轴压试验的结果,分析原因是由于FRP管纤维的分布与人为判断依据之间存在一定误差所致。
表2 模拟计算结果与试验结果比较
试件编号极限承载力/MN 轴向应变/10-3试验值计算值计算值试验值试验值′计算值′计算值′试验值′S12.8532.9391.0327.66128.2141.02 S23.1263.0320.9732.78529.8340.91 S32.7512.8061.0223.10326.3371.14 S42.4052.4531.0259.31656.9430.96 S52.3062.4901.0857.38454.5150.95 S62.9822.9220.9851.20250.6900.99
4 结 论
通过对6根FRP管钢管复合混凝土短柱的轴压试验,对影响试件轴压性能的主要因素进行了研究,并进行了有限元分析验证,可以得出以下结论:
1)不论是核心加载还是全截面加载,不同夹层混凝土类型对组合短柱的轴压性能的影响均不明显,且FRP管与钢管的工作协同性在全截面加载方式下相对较好。
2)在全截面加载方式下,夹层混凝土厚度较大的试件其承载性能与延性较好,而在核心加载方式下试件的延性较好,但承载力较差。
3)两种加载方式下,有限元分析模拟计算结果与轴压试验结果的承载力比值相对误差为3%~8%,轴向应变比值相对误差为9%~14%,两个比值整体相对误差不大,有效验证了本次轴压试验结果的可靠性。
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STUDY OF THE AXIAL COMPRESSION PERFORMANCE OF FRP PIPE AND STEEL TUBE COMPOSITE CONCRETE SHORT COLUMNS
Han Junqiang
(The Engineering&Technical College of Chengdu University of Technolgy,Leshan 614007,China)
ABSTRACT:Axial compression performance is a measure of a basic stress performance index for FRP pipe and steel tube composite concrete column.The axial compression tests of 6 FRP pipe and steel tube composite concrete short columns were carried out,and the influence of the type and thickness of the sandwich concrete and the loading mode on the axial compression performance was studied.And the test results were verified by the finite element software ANSYS.The research results showed that,under the full-section loading and the core loading of two kinds of loading methods,the influence of the type of sandwich concrete on the axial compression performance of the composite short columns was not obvious.Under the full-section loading,FRP pipe and steel tube produced better cooperative working performance,and the bearing capacity and ductility of the specimens with larger thickness were better.When the core was loaded,the specimens with larger thickness of the concrete layer showed better ductility,but the bearing capacity was poor.
KEY WORDS:FRP pipe and steel tube;composite concrete short column;loading method;axial compression performance
DOI:10.13206/j.gjg201612009
作 者:韩俊强,男,1982年出生,硕士,讲师。
Email:1185332866@qq.com
收稿日期:2016-06-30