张云峰 杨 硕 陈佳楠

(东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318)

尺寸效应对GFRP管型钢混凝土组合柱力学性能的影响

张云峰 杨 硕 陈佳楠

(东北石油大学 土木建筑工程学院， 黑龙江 大庆 163318)

为研究尺寸效应对GFRP管型钢混凝土组合柱力学性能的影响规律，对4根组合柱试件进行轴压试验，并验证了Ansys软件所建模型的正确性．建立5种尺寸的组合柱模型进行有限元分析．结果表明：随着试件尺寸的增大，试件的极限应力和延性都会随之降低，且降低幅度呈现非线性变化．该研究为GFRP管型钢混凝土组合柱组合柱的实际应用提供一定理论依据．

GFRP管型钢混凝土组合柱； 极限应力； 延性； 尺寸效应

随着建筑材料不断发展，FRP作为一种新型纤维增强复合塑料，具有高强、轻质、抗腐蚀、耐疲劳、施工方便，不增加构件尺寸等优点[1]．因此在结构加固方面得到了大量的应用．FRP种类繁多，性能各异，现在土木工程中应用较多的有玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)等[2]．

GFRP管型钢混凝土组合柱是在GFRP管内设置型钢，然后浇筑混凝土而形成的一种新型组合构件(以下简称GSC)[3-4]．GSC组合柱与传统的GFRP管混凝土柱和型钢混凝土柱相比，它同时兼具二者的长处[5]．从制作角度出发，GSC组合柱的组合形式使其具有施工方便的天然优点[6]；从力学特性角度出发，它可在不降低承载能力的前提下，将柱截面的尺寸缩小，进而扩大建筑物内可利用的实际空间，而在不改变柱截面尺寸的前提下，又可以基于约束混凝土这种方法提高结构的承载能力和延性，同时极大的提高结构的抗震性能[7-8]，此外，依靠GFRP管的材料特性，组合结构的耐久性能也得到了很大程度的提升[9]．

尺寸效应是准脆性材料的普遍性质[10]，具体是指材料的力学性能随着结构几何尺寸的变化而变化．尺寸效应对于实际工程有不可忽略的影响[11]，而GSC组合柱作为一种新兴的结构形式在这方面的研究还较少．出于安全考虑，本文从试验结果和有限元模拟分析尺寸效应对GSC组合柱的力学性能影响．

1 试验研究

1.1 构件设计

本文共设计了4根GSC组合柱试件，保持同一长径比，改变试件尺寸，具体构件参数见表1．

表1 试件参数

1.2 材料参数

本试验所采用的GFRP管均由大庆市某玻璃材料制品厂提供．考虑GFRP管管壁厚度影响组合构件的力学性能，选取了纤维缠绕角度均为55°，直径为200 mm的GFRP管．GFRP管弹性模量为2.2×104MPa，GFRP管环向抗拉强度为430 MPa．由于本次试验的组合构件的截面尺寸不是很大，且要尽量保持配钢率一致，因此除最大试件750 mm采用H型钢外，其余皆采用角钢、槽钢(槽钢采用热轧普通槽钢)切割、拼接、焊接成工字钢代替型钢．型钢弹性模量为200 GPa，型钢屈服强度为235 MPa．

1.3 构件制作

将已制作好的型钢放入GFRP管内，并采取相应的有效措施，使型钢和GFRP管同心，然后分别从两侧浇筑混凝土，浇筑过程中，伴随使用振捣棒进行振捣，以达到充分密实的目的，为了测定混凝土的抗压强度，浇筑的同时，预留一部分混凝土做成标准混凝土立方体抗压试块，养护28 d，形成试件．

试验前，将构件的顶端表面用混凝土角磨机将不平处混凝土打磨平整，并用水泥砂浆找平，以保证组合构件受到均匀的轴向压力．

1.4 试验测点布置

本次试验中的测点主要为应变测点和位移测点．试件的测点布置在环向每隔90°，轴向的四等分点上各粘一片轴向和环向应变片，每根组合柱一共布置12个应变测点．

1.5 试验加载方案

本次试验采用YAW-5000微机控制电液伺服压力试验[12]，加载方式为力控制加载，具体方案为：采用分级加载方式，在预估极限承载力的70%之前，每一级荷载按照其预估极限承载力的1/12，之后依次累加，当达到极限承载力的70%之后，按照预估荷载的1/25进行加载，每一级荷载都持荷90 s左右，并记录试验数据，当组合柱破坏时，停止数据记录，立即停止试验[13]．

1.6 试验现象

试验预加载过程中，试件无明显现象产生，正式加载之后，初期无明显的试验现象，当荷载加载到预估计承载力的30%时，试件首次产生啪的清脆响声．随着荷载的逐渐增到，能听到构件产生了一些稍大的噼啪响声，并可以发现构件的上表面混凝土发生掉渣现象．当荷载加载到预估计承载力的60%左右的时候，能看到试件上表面有明显的混凝土脱落，并伴有噼啪的响声．当荷载加载到预估计承载力的70%左右时，试件两端混凝土有被压碎的现象，GFRP管出现白纹．继续加荷载到80%左右的时候，GFRP管外部的玻璃纤维向四周嘣散，发出连续不断的噼啪响声．当接近极限承载力时，GFRP管中下部急速变白，随着一声巨响，GFRP管发生爆裂，试件达到极限荷载．图1为试验开始和结束时试件的原始状态及破坏形态图，具体试验现象见图1．

图1 试件的破坏形态

2 试验结果分析

2.1 荷载-应变曲线分析

因为试件的中部破坏比较明显，所以这里取GFRP管中部荷载-应变曲线进行分析．试件的轴向、环向荷载-应变关系曲线如图2所示．通过观察该组试件轴向和环向荷载-应变曲线[12]，可以看出，荷载-应变曲线可以大致分为3个部分，前部分荷载增加，应变增长比较缓慢，随后进入弹塑性曲线阶段，最后部分随着荷载增加，应变迅速增大．初始阶段轴向应变增长速度快于环向应变，是由于此时GFRP管的作用还不够强，主要由混凝土和型钢共同承受竖向荷载，较为符合客观情况．最终破坏时环向应变大于轴向应变，也与实际破坏情况相符．

图2 GFRP管中部轴向、环向荷载-应变曲线图

2.2 荷载-位移曲线分析

试件的荷载-位移曲线取A1，A2为例如图3所示．从A组的荷载-位移曲线可以看出，初始阶段为一条斜率较大的直线，试件处于弹性工作状态，较为理想．随着荷载增加，曲线斜率变小，可以看成是有一定弧度的曲线，此阶段各部分仍旧处于协同工作的状态，但受力情况较为复杂．当荷载增加到一定程度后，荷载-位移曲线呈现出一条斜率更小的直线，此时，塑性变形不断发展，GFRP管的约束起主导作用．

图3 A1，A2试件荷载-位移曲线对比图

2.3 尺寸的对试件的影响分析

根据不同的试件尺寸，分别对比A组4个试件的荷载-位移曲线．对比图如图4所示．

图4 A组试件荷载-位移曲线对比

通过观察得试件尺寸增大，试件极限承载力提高，轴向和环向的位移也增大．通过对比极限承载力可以看出，试件尺寸增大，极限承载力增长幅度反而下降．综上，可以得到的如下结论：试件尺寸的大小对于该结构形式的构件存在着影响，随着试件尺寸增大，极限承载力增长幅度不再是线性变化，同时试件尺寸的增大也会导致试件延性的降低，根据试验分析主要是由于随着试件尺寸的增加，GFRP管的约束作用相对减弱造成的．

3 有限元分析

3.1 建立有限元模型

在运用Ansys软件进行有限元分析时[14-15]，GFRP管选取Solid45实体单元，混凝土材料选取的是Solid65实体单元，型钢材料选取的是Solid45实体单元．GSC组合柱模型建立如图5所示．

图5 组合柱模型图

3.2 组合结构有限元模型的验证

选取A3试件的试验结果与模拟进行对比，从图6可以看出实验曲线和模拟曲线逐渐接近，基本吻合．因此，可以认为该模型较为合理，可以在此模型的基础上进一步开展深入研究．

图6 A3荷载-位移曲线对比图

3.3 模拟试件参数

本文模拟组合柱的混凝土强度等级均为C30，GFRP管管壁厚度为4 mm,在此基础上，模拟B组5个试件尺寸不同的构件，进一步研究尺寸效应对GSC构件的力学性能的影响．模拟构件参数见表2．

表2 模拟试件参数

3.4 有限元分析

3.4.1 应力云图分析

下面以B3，B4，B5为例，分别提取试件的轴向、环向应变图，型钢轴向应变图并进行对比，分析受力、破坏趋势．

从试件的整体轴向应变图7中可以看出，试件在受力机理是相近的．试件两端的应变值较小，从两端向中部过渡时应变值逐渐增大，并在中部应变值达到最大，试件的轴向应变值变化规律十分相似．

由图8可以发现环向应变规律也较为相似，试件的端部的环向应变值最小，在向中部过度的过程中，环向应变逐渐增加且在距柱端大约1/4柱高的区间内，近似的形成“倒三角”的形式，而中部的环向应变值最大，与实际破坏形式对应良好．

图7 整体轴向应变对比图

图8 整体环向应变对比图

3.4.2 荷载-应变曲线分析

由图9可知，轴向的荷载-应变曲线和环向的荷载-应变曲线均可近似看成3个阶段，即直线段、曲线段，平缓段．通过对比曲线发现，B1的应变曲线整体变化非常小，而B2、B3、B4、B5的应变曲线变化越来越明显，即试件尺寸增加，结构的荷载-应变曲线变化愈发明显；相同荷载作用下，小尺寸试件应变更大．

图9 荷载-应变曲线

3.4.3 承载力分析

从表3可以看出，B1、B2、B3、B4、B5的极限荷载分别为780、1 460、2 290、3 260、4 390 kN，经计算，极限应力值分别为117.39、92.24、79.13、70.91、65.59 MPa，减小幅度分别为21.4%、16.6%、10.4%、7.5%．

表3 不同尺寸构件的承载力对比及影响因子

注：影响因子c=N实际/N计算.

随着试件尺寸增大，极限应力逐渐减小，而且降低的幅度越来越小，说明小尺寸的情况下，尺寸效应更加的明显．由于试件极限应力和延性随尺寸增大而减小，因此试件尺寸不宜过大，但较小尺寸的试件与理论值相差较多，根据直径对极限应力影响的关系图及直径与影响因子的关系图，由图10可知，当截面直径大于等于250 mm时，影响因子几乎相等，也就说明即使试件直径继续增大，承载力实际值与计算值较为接近．

图10 极限应力和影响因子曲线

4 结 论

本文基于试验和ANSYS有限元软件对轴压下GSC组合柱受力性能进行分析，研究尺寸效应对该柱体组合形式的影响规律，得出以下结论：

1)在整个轴心受压过程中，试件的荷载-位移曲线和荷载-应变曲线可以近似的划分为三个阶段，即直线段、平滑曲线段和斜率较小直线段；其中GFRP管的约束作用逐渐增强．组合柱主要由于管中部径向应变过大，发生破裂、剥离等现象，导致约束失效进而使试件破坏．

2)尺寸效应对于该组合形式的构件的影响是真实存在的，随着试件尺寸增大，极限应力逐渐降低，同时试件尺寸的增大也会导致试件延性的降低，主要是由于随着试件尺寸的增加，GFRP管的约束作用相对减弱造成的．

3)当截面直径大于等于250mm时，影响因子几乎相等，即承载力实际值与计算值都相差不大，故建议该种组合柱体直径宜选取250mm-300mm．

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[责任编辑 周文凯]

Size Effect on Mechanical Property of GFRP Tube Steel Concrete Composite Column

Zhang Yunfeng Yang Shuo Chen Jianan

(College of Civil Engineering & Architecture, Northeast Petroleum Univ., Daqing 163318, China)

In order to study the size effect on mechanical properties of glass fiber reinforced plastic(GFRP) tube steel concrete column, the axial compression experiments on 4 GSC composite columns are carried out; and then the correctness of the model by Ansys software is verified. The finite element analyses of the composite column model with five sizes are carried out. The results show that an increase in the size of components is followed by a gradual decrease in the ultimate stress and ductility; and the decrease amplitude shows a nonlinear change. The study results provide a certain theoretical basis for the practical application of GFRP tube steel concrete column.

GFRP tube steel concrete composite column； ultimate stress； ductility； size effect

2016-11-28

国家自然基金科学项目(51308028)；黑龙江省教育厅科学技术项目(12543023)

张云峰(1966-)，男，教授，博士，黑龙江领军人才梯队后备带头人，研究方向为混凝土及砌体结构．E-mail：523762734@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.009

TU398.9

A

1672-948X(2017)03-0040-05