CFRP-方钢管钢筋混凝土轴压短柱极限承载力性能研究

李恒林 张童 邓诚 谢光檩

【摘要】本文在确定CFRP、混凝土和钢材本构的基础上，利用ABAQUS软件建立CFRP-方钢管钢筋混凝土轴压短柱非线性有限元模型，并进行数值计算，与相关试验结果进行对比，证明该分析模型的合理性。分析材料强度、截面尺寸等参数对CFRP-方钢管钢筋混凝土轴压短柱极限承载力的影响规律。结果表明：材料强度对极限承载力的影响较大，可为工程实际应用提供参考。

【关键词】CFRP；钢管钢筋混凝土；极限承载力；短柱

碳纤维增强复合材料（即Carbon Fiber Reinforced Plastic，简写为CFRP）是由碳纤维材料与基体材料按比例混合而形成的一种高性能新型材料，它具有抗拉强度高、自重轻、抗腐蚀等优点在工程领域得到广泛应用。钢管混凝土被广泛地应用在土木工程各类结构中。但因抗震、抗火等方面的不足，国内外一些研究学者提出在核心混凝土中配置纵向受力钢筋形成钢管钢筋混凝土柱，而被广泛应用在高层及超高层建筑中。然而随着现代结构技术的发展，一些高层和超高层建筑的底层结构柱常常要承受更大的荷载，致使含钢量或柱截面尺寸增大，从而导致工程造价的增加或使用面积的减少，因此将CFRP与钢管钢筋混凝土有效地结合在一起将有助于提高构件的整体承载能力和变形能力。故本文基于有限元软件ABAQUS对CFRP-方钢管钢筋混凝土轴压短柱有限元模型进行数值计算，分析其在不同参数下极限承载力的变化规律，以期为工程实际提供参考。

一、有限元模型的建立

模型由CFRP、钢管、混凝土、钢筋四个部件组成，其中CFRP及钢管采用SR4单元，混凝土采用C3D8R单元，钢筋采用T3D2单元；混凝土及钢材的本构模型采用文献给出的本构关系式进行数值计算，CFRP本构模型采用文献给出的本构关系式进行数值计算；CFRP与钢管、混凝土与钢管之间的切向接触方式为Surface-to-surface contact接触，CFRP与钢管、钢管与混凝土之間的法向接触为硬接触且摩擦系数取0.3，钢筋与混凝土之间为Embedded region接触；加载形式采用位移加载。有限元分析模型网格划分如图1。

二、结果验证与分析

由于CFRP-方钢管钢筋混凝土是一种新型组合结构，故对其研究的文献几乎没有，但为了验证模型建立的合理性，故本文选取文献中的CFRP-方钢管混凝土轴压短柱作为模型的验证对象，试件部分参数如表1所示，表中L表示试件长度、B表示试件截面边长，t表示外部钢管壁厚、n表示外部CFRP布层数，fCFRP、fy、fck分别表示CFRP布单丝拉伸强度、钢管屈服强度、核心混凝土轴心抗压强度标准值，Nu、Nc分别表示试验极限承载力值和计算极限承载力值。图2给出了计算结果与试验结果对比，从图2中可以看出计算结果与试验结果吻合较好。且从表1可看出Nc/Nu的比值情况，其平均值为0.988，方差为0.007，可见理论计算结果和试验结果二者相差不大，故证明本模型建立较为合理，可用于理论分析。

四、结语

（1）本文利用ABAQUS有限元软件对CFRP-方钢管钢筋混凝土轴压短柱进行了三维实体有限元分析，计算结果得到了相关试验的验证。

（2）进行参数分析，结果表明：在一定参数范围内，核心混凝土强度及钢管屈服强度对CFRP-方钢管钢筋混凝土轴压短柱的极限承载力影响较大；CFRP层数及CFRP单丝抗拉强度对其承载力影响不明显。

（3）本模型的建立可为工程实际提供一定的参考。

参考文献

[1]王亮，徐颖，刘艳竹.CFRP-钢管混凝土柱轴压承载力有限元分析[J].低温建筑技术，2014（196）：68～70.

[2]韩林海.钢管混凝土结构理论与实践[M].北京：科学出版社，2007.

[3]Lie，T.T. Fire resistance of circular steel columns filled with bar-reinforced concrete[J].Journal of Structural Engineering，1994，120（50）：1489～1509.

[4]李冉.CFRP-超薄壁圆钢管混凝土短柱轴压试验研究[D].延边：延边大学，2014.

[5]王庆利，薛阳，邵永波，闫煦.CFRP-约束方钢管混凝土轴压短柱的静力性能研究[J].土木工程学报，2011（44）：24～31.

作者简介：李恒林（1997—），本科，研究方向：土木工程；通讯作者：张童（1987—），助教，研究方向：钢-混凝土组合结构。