吳紫陽

大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠第三油礦，黑龍江大慶 163113

GFRP管-混凝土-鋼管組合柱是由GFRP（玻璃纖維增強塑料）外管、內(nèi)置鋼管和兩者之間的混凝土三部分組成的新型組合構(gòu)件（GFRP Tube-Concrete-SteelDouble-Skin Tubular Column，以下簡稱DSTC），它兼具雙GFRP管混凝土組合柱、雙鋼管混凝土組合柱和GFRP管實心混凝土柱三者的優(yōu)點于一身。GFRP管通過約束核心混凝土從而提高組合構(gòu)件的承載力，同時能夠有效地保護混凝土和鋼管，具有良好的延性和抗震性能[1-5]。

該組合結(jié)構(gòu)可作為橋墩、海底輸油管道以及海洋采油平臺的支柱，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，對GFRP管-混凝土-鋼管組合柱偏壓的力學(xué)性能研究較為匱乏，而在實際應(yīng)用時，大多數(shù)柱是在偏心受力狀態(tài)下工作，因此，研究這種結(jié)構(gòu)形式在偏心受壓下的力學(xué)性能是十分有意義的。

1 構(gòu)件有限元模擬與驗證分析

1.1 模型基本假定

鑒于GFRP管-混凝土-鋼管組合柱的組成和工作機理，為方便分析計算，保證模擬結(jié)果與實際情況較吻合，做出了如下假定[6]：GFRP管、混凝土、鋼管三者之間的粘結(jié)十分牢靠，不會產(chǎn)生相對滑移，共同協(xié)調(diào)變形；只考慮GFRP管環(huán)向的約束力，軸向上不受力；混凝土在軸向上所受約束是均勻分布的。此外，當(dāng)鋼管等效應(yīng)力達到其設(shè)定的屈服強度或者GFRP管等效應(yīng)力達到其預(yù)設(shè)的環(huán)向抗拉強度時，認定試件破壞，計算停止。

1.2 有限元模型的建立

選取文獻[7]中試驗的兩根GFRP管-混凝土-鋼管組合柱構(gòu)件進行驗證工作，利用有限元軟件ANSYS建立GFRP管-混凝土-鋼管組合柱構(gòu)件的有限元模型，各項參數(shù)與文獻的試驗參數(shù)一致，并與已有的試驗數(shù)據(jù)進行對比。

為了使材料間更好地耦合，也考慮到單元與材料的匹配度及適用性，模擬時，混凝土材料采用SOLID65單元，混凝土選用多線性等強硬化模型（MISO）；GFRP管采用SOLID45單元，在ANSYS中，選取雙線性隨動強化模型（BKIN）[8]，并假定GFRP材料為線彈性材料[9]，不考慮其各向異性的材料特性，僅考慮GFRP管在環(huán)向上對混凝土的約束作用；鋼內(nèi)管選取與GFRP管相同的單元SOLID45單元，采用雙線性等向強化模型（BISO）。

進入ANSYS，首先，定義材料所選用的單元、本構(gòu)關(guān)系、泊松比、彈性模量、構(gòu)件直徑、厚度等一系列必要參數(shù)；然后，采用直接成體的建模方法建立組合柱的幾何模型，并對其進行網(wǎng)格劃分，如圖1所示；最后，對試件底部混凝土、鋼管施加X、Y、Z三個方向的全約束，試件頂端為自由端。

圖1 DSTC網(wǎng)格劃分

為防止采用集中荷載造成構(gòu)件頂面的應(yīng)力集中，使其過早地破壞，本文參照文獻[10]的方法把偏心荷載等效為均勻分布的力和彎矩，由于本文所研究的構(gòu)件涉及到非線性，因此利用MPC184單元，在組合柱頂面的中心上方建立一個節(jié)點，然后與柱頂面的混凝土和鋼管的節(jié)點耦合分別形成多根剛性梁，此時就可以把需要的彎矩加到利用MPC184單元建立的節(jié)點上了，通過剛性梁形成的剛性面?zhèn)鬟f荷載，荷載施加如圖2所示。

圖2 荷載施加

1.3 數(shù)據(jù)對比（見表1）

表1 極限承載力與極限位移對比

從表1中數(shù)據(jù)對比的情況來看，誤差都在15%以下，表明本文所建模型的準(zhǔn)確性較高。

1.4 荷載-位移曲線對比

由荷載-位移曲線（見圖3）對比可知，試驗所得曲線與模擬所得曲線的變化趨勢基本一致，可以得出，本文所建模型可以較好地模擬構(gòu)件的受力全過程，說明所建模型具有可行性。

圖3 模擬與文獻荷載-位移曲線對比

由圖3可知，試驗所得曲線與模擬所得曲線的變化趨勢基本一致，可以得出，本文所建模型可以較好地模擬構(gòu)件的受力全過程，說明所建模型具有可行性。

2 構(gòu)件力學(xué)性能分析

2.1 構(gòu)件參數(shù)

采用控制變量的方法，選取了30、60、90、120 mm四種偏心距進行研究。通過增加混凝土強度、增加GFRP管厚度、減小構(gòu)件空心率和增大配鋼率進行橫向?qū)Ρ龋渲?，?gòu)件的空心率用kv=Da/D0表示，Da、D0分別表示鋼管的外徑、GFRP管的內(nèi)徑；配鋼率為鋼管橫截面面積與管內(nèi)混凝土橫截面面積的比值。構(gòu)件參數(shù)及分組情況如表2所示。分析了不同偏心距情況下的荷載-位移曲線、極限承載力等，總結(jié)了偏心距對組合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律。

表2 構(gòu)件參數(shù)及分組情況

2.2 等效應(yīng)力云圖分析

分別提取GFRP管、鋼管、混凝土的等效應(yīng)力云圖，并進行對比，分析受力、破壞趨勢。由于受力情況、破壞情況大體相似，以A組的DSTC-4為例，應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 D-4等效應(yīng)力云圖/MPa

由圖4可以看出，GFRP外管、混凝土以及外鋼管的等效應(yīng)力不管是在靠近軸力一側(cè)還是在相反的一側(cè)，都是集中在其管體的中部偏下的區(qū)域。由此可以得出，組合柱的破壞位置是在柱體的中下部。

2.3 荷載-位移曲線分析

2.3.1 組內(nèi)荷載-位移曲線對比（見圖5）

圖5 組內(nèi)荷載-位移曲線

由圖5中曲線可以看出，組內(nèi)4條荷載-位移曲線的趨勢大體相似。加載初期，曲線的切線斜率較大，隨著荷載的加大，曲線的切線斜率逐漸變小，偏心距大的曲線的切線斜率變小的速率較慢，最后曲線都趨于水平，甚至略有下降。在相同荷載作用下，偏心距大的構(gòu)件產(chǎn)生的偏移較大；偏心距越大，構(gòu)件的極限位移就越大。

2.3.2 組間荷載-位移曲線對比（見圖6）

圖6 組間荷載-位移曲線

由圖6曲線可以看出，加載初期，組間各條曲線基本重合，加大GFRP管壁厚、減小空心率以及加大鋼管厚度對組合柱的極限位移都有不同程度的提升作用。在偏心距較小時，增大鋼管厚度對組合柱極限位移的提高效果明顯；隨著偏心距的進一步變大，加大鋼管厚度和減小組合柱的空心率對極限位移的影響都不太明顯，影響程度基本相同；在偏心距較大時，減小組合柱的空心率對極限位移的提高略好于改變其他幾種因素。

2.4 極限承載力分析

由表3可知，偏心距對組合構(gòu)件偏壓下承載力的影響是尤為重要的，承載力隨偏心距的改變變化跨度很大。其他影響因素不變，隨著偏心距的增加，5組試件的極限承載力逐漸減小，其中A組的A2的極限承載力比A1降低了23.1%，A3的極限承載力比A2降低了 21.1%，A4的極限承載力比 A3降低了19.5%，可見隨著偏心距的不斷增大，構(gòu)件極限承載力降低的幅度逐漸減小。其他各個對比組亦呈現(xiàn)出這樣的規(guī)律。

表3 構(gòu)件參數(shù)及分組情況

偏心距-極限承載力曲線對比見圖7。

圖7 偏心距-極限承載力曲線對比

由圖7可知，增強混凝土強度、加大GFRP管壁厚、減小空心率以及加大鋼管厚度對組合柱在不同偏心受壓狀態(tài)下的極限承載力都有提升的作用。混凝土強度的改變對組合柱承載力的影響最為顯著，其他影響因素對承載力的影響稍遜一籌；在偏心距較小時，減小組合柱的空心率對承載力的提高效果明顯，隨著偏心距的進一步變大，加大鋼管厚度對組合柱承載力的提升效果會進一步突顯。

在偏心距較小時，以上幾種影響因素的改變對組合柱承載力的影響較大，在偏心距較大時對其影響稍差一些。由于在偏心距較小的情況下，構(gòu)件處于全截面受壓狀態(tài)，由混凝土和鋼管共同受力，且由于GFRP外管的被動約束作用，核心混凝土三向受壓，混凝土性能得到了充分發(fā)揮，混凝土強度成倍提高，此時提高混凝土強度，承載力提升效果明顯。偏心距進一步變大，組合柱的受力形式為一側(cè)受壓、一側(cè)受拉，此時GFRP外管幾乎沒有發(fā)揮約束作用，構(gòu)件破壞形式為混凝土被拉斷，受拉區(qū)由混凝土和鋼管共同受拉，因此提高混凝土強度和加大鋼管厚度對構(gòu)件承載力有明顯的幫助。

3 結(jié)論

本文主要研究了偏心距對GFRP管-混凝土-鋼管組合柱在偏心受壓下的力學(xué)性能的影響規(guī)律，利用有限元軟件ANSYS建立了GFRP管-混凝土-鋼管組合柱在偏心受壓下的數(shù)值仿真模型，并與其他學(xué)者研究中的數(shù)據(jù)進行了全面的比對，誤差值在正常范圍內(nèi)，驗證了所建的模型的合理性及正確性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了20根GFRP管-混凝土-鋼管組合柱模型，通過對比分析組合柱在不同偏心距下的等效應(yīng)力云圖、荷載-位移曲線和極限承載力等大量數(shù)據(jù)，進一步研究了偏心距對GFRP管-混凝土-鋼管組合柱偏心受壓下力學(xué)性能的影響規(guī)律。得出結(jié)論如下：

（1）DSTC組合柱在整個偏心受壓過程中，荷載-位移曲線大致分為三個階段：直線段、平滑曲線段以及斜率近似為零的直線段。

（2） 根據(jù)等效應(yīng)力云圖總結(jié)得出，試件的GFRP管、混凝土以及鋼管的等效應(yīng)力最大值都是集中在管體的中部偏下，由此可以得出，組合柱的破壞位置是在管體的中部偏下。

（3）在相同荷載作用下，偏心距大的構(gòu)件所產(chǎn)生的偏移較大。偏心距越大，構(gòu)件的極限位移越大，極限承載力急劇降低，隨偏心距的增大，極限承載力降低幅度逐漸減??；偏心距較小時，減小空心率，組合柱承載力提高明顯，增大鋼管厚度，延性提升明顯；偏心距較大時，增大鋼管厚度，組合柱承載力提高明顯，減小空心率，延性提升明顯。

（4）配鋼率對延性影響明顯，混凝土強度的變化對組合柱承載力的影響最為顯著，但混凝土強度提高，延性表現(xiàn)差。

[1]滕錦光，余濤，黃玉龍，等.FRP管-混凝土-鋼管組合柱力學(xué)性能的試驗研究和理論分析[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2006，8（5）：1-7.

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[5]滕錦光，余濤，黃玉龍，等.FRP管-混凝土-鋼管組合柱力學(xué)性能的試驗研究和理論分析[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2006，8（5）：1-7.

[6]那昱.中空GFRP管—混凝土—鋼管組合柱軸壓尺寸效應(yīng)研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2016.

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[8]管海偉.中空GFRP管鋼筋混凝土柱力學(xué)性能研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2014.

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[10]呂仲亮.鋼筋FRP管混凝土偏心受壓構(gòu)件力學(xué)性能的研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2013.