摘要：介绍FRP筋混凝土柱有限元模型的建立，采用ABAQUS建立FRP筋体和混凝土，并在ABAQUS中考虑两者间的粘结滑移及其在偏心受压荷载作用下受力性能，并在此基础上去掉代表滑移的弹簧单元后，再对其承载力进行研究，并最终验证考虑FRP筋与混凝土的粘结滑移，即在筋体与混凝土之间加入弹簧单元后进行模拟是可行的。
关键词：FRP筋；混凝土；弹簧单元；滑移
1.概述
钢筋混凝土造价低廉，但钢筋锈蚀产生的耐久性问题是影响混凝土长期使用的一大问题。FRP筋的发明和使用为处于复杂环境下的钢筋混凝土结构做出了重要贡献，但FRP筋混凝土粘结性能是FRP筋与混凝土能够否共同工作的重要保证。本文以GFRP筋混凝土为研究对象，在考虑FRP筋滑移的基础上，采用ABAQUS有限元分析的方法研究偏心受压FRP柱的承载力，最后在此基础上去掉代表滑移的弹簧单元后，再对其承载力进行研究，二者分别与试验数据比较，通过对比来验证考虑FRP筋与混凝土的粘结滑移，即在筋体与混凝土之间加入弹簧单元后进行模拟的可行性。
2.模型介绍
为采用ABAQUS有限元计算方法进行FRP筋混凝土柱的数值分析，选用180mm×250mm的矩形截面柱，竖向受力钢筋的保护层厚度为20mm，钢筋采用GFRP筋，GFRP筋的力学性能根据试验实测直径为10mm的GFRP筋得到，其力学性能指标如表1所示[1]。混凝土强度等级为C30，混凝土配合比设计如表2所示。混凝土柱长度为1000mm，柱子初始偏心距为75mm。混凝土柱采用对称配筋，其竖向纵筋为受拉侧钢筋和受压侧钢筋均为3Ф10的GFRP带肋钢筋。
表1 GFRP筋的实测力学性能
3.有限元模型的建立
采用ABAQUS进行有限元模拟，选用C3D8R实体单元来模拟混凝土结构，选用T3D2来模拟FRP筋。在考虑钢筋和混凝土的粘结滑移时，需要在钢筋和混凝土单元的界面上施加粘结滑移单元[2]。
选用spring2弹簧单元来模拟FRP筋和混凝土之间的粘结滑移，该单元能够模拟垂直于钢筋和平行于钢筋两个方向的接触力。图1所示为考虑粘结滑移的Spring2弹簧单元。本文在模拟Spring2弹簧单元的刚度时采用文献[3]中Spring2弹簧单元的S11和E11取值曲线，文献中通过对某实验模型的FRP筋混凝土试件采用Spring2单元模拟粘结滑移并进行数值模拟。当提取出全部变形结果后，将模拟FRP筋和混凝土之间粘结滑移的spring2弹簧单元删除，研究无粘结滑移时模型的受力变形，与有粘结滑移时的模型结果进行对比分析，从而验证模型的精确性。
图 1 Spring2弹簧单元
4.有限元计算基本结果与对比分析
图2为FRP筋混凝土柱体的荷载位移曲线，从曲线上看，在加载前期，GFRP筋混凝土柱荷载位移曲线基本成线性关系，说明刚开始的GFRP混凝土构件处于弹性工作状态，随着荷载的增大，GFRP混凝土构件的荷载位移曲线开始呈现非线性关系。从图2（a）可以看出，考虑滑移模型的极限承载力为615kN，此时的最大挠度为7.87mm，其中该构件的试验结果的极限承载力为650kN，与文献[1]试验结果相比，误差为5%，与实验结果非常接近，说明了有限元计算结果的可靠性。从图2（b）可以看出模型的极限承载力为722kN，此时的最大挠度为6.1mm，相比考虑粘结滑移时模型的荷载位移曲线整体有所上升，同时与试验的极限承载力650kN相比，误差为11.1%，结果相差较大，说明不考虑FRP筋的滑移模型存在缺陷，易高估模型的极限承载力，在实际运用中易造成重大危害。
5 结论
以GFRP筋混凝土为研究对象，采用ABAQUS有限元分析的方法研究考虑FRP筋滑移偏心受压柱的承载力。主要以GFRP筋混凝土柱为研究对象，介绍了考虑FRP筋滑移的混凝土柱的有限元模型的建立，及其在偏心受压荷载作用下的受力性能，根据有限元计算结果，当GFRP筋直径为10mm，混凝土强度为C30时。柱体的极限承载力为615kN，与实验得到的构件承载力650kN相比较为接近。说明了有限元模拟的可靠性；建立了未考虑FRP筋和混凝土之间粘结滑移的有限元模型，通过对比发现未考虑FRP筋和混凝土之间粘结滑移时模型的极限承载力为722kN，与实验结果相差甚大，误差为11.1%，证明不考虑FRP筋和混凝土之间的粘结滑移时，结果易高估模型的极限承载力，不能反映混凝土柱的真实特性，结果存在缺陷。
参考文献:
[1] 张娜. 混凝土环境因素下GFRP筋受压及GFRP筋混凝土柱偏心受压性能试验研究[D]. 沈阳:沈阳建筑大学,2012.
[2] 薛伟辰.不同试验方法对GFRP筋粘结强度的影响[J].玻璃钢/复合材料,2003,9.
[3] 孙乐娟. 混凝土-FRP筋相互作用的非线性数值模拟[D]. 沈阳:东北大学,2008.
论文作者:姜永航,任德斌
论文发表刊物:《科技新时代》2019年5期
论文发表时间:2019/7/22
标签：混凝土论文; 模型论文; 承载力论文; 单元论文; 钢筋论文; 弹簧论文; 有限元论文; 《科技新时代》2019年5期论文;