frp约束混凝土组合柱滞回性能有限元研究-

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1、FRP约束混凝土组合柱滞回性能有限元研究*[摘要]为研究FRP-PVC管钢筋混凝土的抗震性能，本文基于OpenSEES中的纤维模型对FRP-PVC管钢筋混凝土压弯构件的P-Δ滞回曲线进行有限元模拟，通过合理确定截面纤维的滞回本构模型，可得到与试验数据吻合较好的数值模拟结果。分析FRP包裹层数、FRP条带间距等参数对约束柱抗震性能的影响，结果表明：包裹层数主要是对试件的变形能力有影响，对试件的峰值荷载值影响不大。BFRP存在使用效率的问题，包裹7层纤维布与包裹8层纤维布的效果相当；随着条带间距的增大，试件的极限荷载和极限变形均

2、减小，荷载下降段的下降幅度越大。条带间距取20～30mm较为合理。[关键词]FRP-PVC管抗震性能OpenSEES有限元分析0引言FRP-PVC管混凝土柱是一种新型的结构体系[1-2]，它由轻质、经济、高性能、耐久性好的材料组成。该结构是在PVC管外面按照一定的环箍间距缠绕FRP形成FRP-PVC管，5在进行包裹时，用专门的环氧树脂等粘结材料将FRP片材粘贴于结构表面。再利用FRP-PVC管作为模板，在其内浇筑混凝土而形成的。该新型构件可以充分利用PVC和FRP两者的材料优势。FRP环箍可以对核心混凝粘土提供有效的横向约束

3、，然后通过PVC管将约束应力均匀地分布到混凝土柱。PVC管有一定的刚度，施工时可作为模板；FRP、PVC两种材料均有良好的耐久性，故FRP-PVC管对核心混凝土有保护作用，使其在各种环境中免受侵蚀[3]。FRP-PVC管混凝土作为一种新兴的结构形式，目前的研究大多集中在这种形式短柱静力性能的试验研究和理论研究，以及耐久性研究。对FRP-PVC管混凝土柱抗震性能的研究在国内外鲜见报道。对该新型结构抗震性能的研究有助于该类结构在工程中的推广应用。相关试验研究[2,4]表明FRP-PVC管约束可以有效提高混凝土的强度和极限应变。混

4、凝土极限应变的提高对抗震性能提高很重要，它使得柱在非弹性变形过程中能达到更大的延性水平。借助通用有限元软件ANSYS、ABAQUS等来进行组合柱的有限元分析时，常用方法是用实体单元模拟混凝土，用实体单元或壳单元模拟外包钢或外包FRP等材料，材料之间的界面通过接触单元模拟。基于实体单元和壳单元的有限元分析方法，自由度数量大，计算和分析较为复杂[5]，另一种方法是纤维模型法。该方法既能基于合理的基本假定，在一定精度下模拟组合构件的力学性能，并且自由度少，更便于结构整体的受力分析。本文拟采用基于纤维模型的Open5SEES软件对F

5、RP-PVC管约束混凝土压弯构件的滞回性能进行有限元分析，为设计和研究FRP-PVC管约束混凝土结构的抗震设计提供参考依据。1有限元模型的建立1.1模型简介OpenSEES（OpenSystemforEarthquakeEngineeringSimulation，开源的地震工程模拟系统）软件主要用于分析结构在地震作用下的反应，其功能包括线性分析，静力和动力非线性分析，特征值计算等功能[6]。本文数值模拟采用OpenSEES中的非线性梁柱单元（nonlinearbeamcolumn）。此单元是基于纤维模型的非线性单元，可应用于

6、杆系结构的静力与动力非线性分析并考虑P-Delta效应。采用OpenSEES软件作为仿真平台来对FRP-PVC管钢筋混凝土圆柱进行滞回模拟。基于OpenSEES中的纤维模型进行建模，采用半柱高悬臂柱模型，选用nonlinearbeamcolumn单元，沿半柱高分布6个上述单元，再将纤维截面的特性赋予上述所有单元。建立纤维模型时，没有对FRP-PVC外包管进行建模，而是在建立核心约束混凝土本构关系的时候考虑了外包管对核心混凝土的约束效应。FRP-PVC管钢筋混凝土圆柱单元划分及纤维截面组成如图1所示。1.2材料的滞回本构模型钢

7、筋本构关系采用可考虑等向应变强化的Giuffré-5Menegotto-Pinto本构模型[7]，该模型与钢筋反复加载试验结果吻合较好。建模时，采用Steel02描述，屈服强度及弹性模量按材料试验结果取值，钢筋强化系数取0.05。混凝土本构采用OpenSEES中的ConfinedConcrete01描述，具体应用时先根据BGL模型[8]计算箍筋和FRP条带包裹PVC外包管双重约束作用下的横向约束应力fr。(1)式中，εz为柱轴向压应变；v为混凝土泊松比；Re为柱圆截面半径；tm为FRP包裹厚度；bm为FRP条带宽度；Sm为F

8、RP条带间距。Ec、Em、Es为材料弹性模量，下标c代表混凝土、m代表外包FRP、s代表钢筋。再根据计算得到的横向约束应力，采用Attard和Setunge等人提出的约束混凝土本构模型[9]计算得到混凝土应力-应变本构模型。(2)式中，；；且X≥0，Y≤1；A、B、C、D为方程中根据相关特