• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

轴压作用下CFRP加固圆钢管短柱的静力承载力分析

邵永波 朱红梅 杨冬平

邵永波, 朱红梅, 杨冬平. 轴压作用下CFRP加固圆钢管短柱的静力承载力分析[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(1): 167-174. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180527
引用本文: 邵永波, 朱红梅, 杨冬平. 轴压作用下CFRP加固圆钢管短柱的静力承载力分析[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(1): 167-174. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180527
SHAO Yongbo, ZHU Hongmei, YANG Dongping. Static Bearing Capacity Analysis of CFRP-Reinforced Short CHS Steel Tubular Columns under Axial Compression[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(1): 167-174. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180527
Citation: SHAO Yongbo, ZHU Hongmei, YANG Dongping. Static Bearing Capacity Analysis of CFRP-Reinforced Short CHS Steel Tubular Columns under Axial Compression[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(1): 167-174. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180527

轴压作用下CFRP加固圆钢管短柱的静力承载力分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180527
基金项目: 国家重点研发计划(2016YFC0802305)
详细信息
    作者简介:

    邵永波(1973—),男,教授,博士生导师,研究方向为工程结构安全评估,E-mail:ybshao@swpu.edu.cn

  • 中图分类号: TE58

Static Bearing Capacity Analysis of CFRP-Reinforced Short CHS Steel Tubular Columns under Axial Compression

  • 摘要: 为了研究轴压作用下碳纤维增强复合材料(carbon fibre-reinforced polymer,CFRP)加固圆形空心截面(circular hollow section,CHS)钢管短柱的极限承载力,对轴压作用下CFRP加固CHS钢管短柱进行了理论和数值分析. 理论分析中,利用等效截面法推导了两种不同粘贴方式(全环向粘贴以及环向和纵向交替粘贴)的CFRP加固圆钢管短柱在轴压作用下静力承载力的理论计算公式;数值分析中,将特征值屈曲与Riks法相结合建立了轴压作用下CFRP加固圆钢管短柱的非线性有限元分析模型. 对该模型中的环向和纵向CFRP进行应力分析后发现,环向CFRP处于拉伸状态,约束钢管的径向变形;纵向CFRP会承担轴压荷载中的部分压力,限制钢管的变形. 最后,将所建立的有限元分析模型结果和所推导的理论公式结果与已有文献的试验结果进行对比,发现三者之间的最大误差不超过2%,验证了建立的有限元模型和所推导的理论公式分析结果的准确性.

     

  • 图 1  单层CFRP布粘贴方向

    Figure 1.  Placement of CFRP strip

    图 2  CFRP和钢管的受力分析

    Figure 2.  Stress analysis for the steel tube and CFRP

    图 3  特征值屈曲模态

    Figure 3.  Eigenvalue buckling model

    图 4  有限元和试验结果载荷-位移曲线对比

    Figure 4.  Comparison of load-displacement curves between FE and test results

    图 5  试验和有限元模拟失效模式对比

    Figure 5.  Comparison of test and simulated failure modes

    图 6  加固方式为1H1L和2H的FRP应力云图

    Figure 6.  Stress distribution (1H1L and 2H)

    图 7  试件极限承载力对比

    Figure 7.  Comparison of load bearing capacities for different specimens

    表  1  CHS参数

    Table  1.   CHS parameters

    组号试件编号${D_{\rm{s}}}$/mm${t_{\rm{s}}}$/mm${E_{\rm{s}}}$/(N•mm−2$\sigma _{\rm{y}}$/(N•mm−2${E_{\rm{p,CFRP}}}$/(N•mm−2${D_{\rm{s}}}/{t_{\rm{s}}}$$L/{D_{\rm{s}}}$FRP 层数和方向
    1 C-1 87.25 2.36 209 571 455 37 3.2
    CF-1A 87.23 2.32 209 571 455 230 000 38 3.2 1H1L
    CF-1B 87.21 2.32 209 571 455 230 000 38 3.2 2H2L
    2 C-2 86.31 2.00 209 571 455 43 3.2
    CF-2A 86.38 1.91 209 571 455 230 000 45 3.2 1L1H
    CF-2B 86.39 1.96 209 571 455 230 000 44 3.2 2L2H
    3 C-3 85.75 1.57 209 571 455 55 3.2
    CF-3A 85.68 1.57 209 571 455 230 000 54 3.2 1H1L
    4 C-4 85.11 1.13 209 571 455 75 3.2
    CF-4A 85.21 1.10 209 571 455 230 000 78 3.2 1H1L
    5 ST1 165 4.2 206 000 339 39 2.7
    ST2 166 4.2 206 000 339 76 000 40 2.7 1H
    ST3 165 4.2 206 000 339 76 000 39 2.7 2H
    ST4 165 4.2 206 000 339 76 000 39 2.7 2H
    下载: 导出CSV

    表  2  CFRP材料属性

    Table  2.   CFRP material properties

    ${E_1}$/MPa${E_2}$/MPa${N_{\rm{u}}}$${G_{12}}$/MPa${G_{13}}$/MPa${G_{23}}$/MPa$t_{\rm{CFRP}}$/mm
    230 000 1 900 0.3 3 387 3 387 3 387 0.176
      注:当采用 文献[12 ]的模型建模时 $t_{\rm{CFRP}} = 0.17\;{\rm{mm}}$;E1 为纤维方向的弹性模量;E2 为垂直于纤维方向的弹性模量;
       Nu 为泊松比;G12G13G23 为材料各平面内剪切模量.
    下载: 导出CSV

    表  3  Hashin失效参数

    Table  3.   Hashin’s failure parameters MPa

    方向参数 方向参数
    X 拉伸强度 XT 1 830 Y 拉伸强度 YT 31.3
    压缩强度 XC 895 压缩强度 YC 124.5
    剪切强度 SL 72 剪切强度 ST 62.3
    下载: 导出CSV

    表  4  极限承载力对比分析

    Table  4.   Comparison and analysis of load carrying capacity

    试件编号Nexp/kNNFE/kNNu/kN提高率/%NFE/NexpNu/NexpNu/NFE
    1 C-1 253 260 280 1.03 1.10 1.08
    CF-1A 299 294 316 13 0.98 1.06 1.07
    CF-1B 341 350 347 24 1.03 1.02 0.99
    2 C-2 220 226 241 1.03 1.10 1.07
    CF-2A 267 272 266 10.4 1.02 1.00 0.98
    CF-2B 281 291 296 23 1.04 1.05 1.02
    3 C-3 170 174 188 1.02 1.10 1.08
    CF-3A 214 213 222 22.4 1.00 1.04 1.04
    4 C-4 120 125 137 1.04 1.14 1.10
    CF-4A 155 164 164 31.2 1.06 1.06 1.00
    5 ST1 719 722 719 1.00 1.00 1.00
    ST2 727 730 726 1.4 1.00 1.00 0.99
    ST3 753 752 745 4.7 1.00 0.99 0.99
    ST4 763 763 758 6.2 1.00 0.99 0.99
    下载: 导出CSV
  • 季园园,韩庆华,芦燕,等. CFRP在土木工程中的应用研究[J]. 结构工程师,2014(5): 210-219. doi: 10.3969/j.issn.1005-0159.2014.05.032

    JI Yuanyuan, HAN Qinghua, LU Yan, et al. Application research of CFRP in civil engineering[J]. Structural Engineers, 2014(5): 210-219. doi: 10.3969/j.issn.1005-0159.2014.05.032
    SEICA M V, PACKER J A. FRP materials for the rehabilitation of tubular steel structures for underwater applications[J]. Composite Structures, 2007, 80(3): 440-450. doi: 10.1016/j.compstruct.2006.05.029
    完海鹰,江勇. 碳纤维复材布加固轴压圆管柱静力试验和数值分析[J]. 工业建筑,2017,47(2): 33-37.

    WAN Haiying, JIANG Yong. A static test and numerical analysis of circular hollow section (CHS) columns reinforced by CFRP sheets under axial compression[J]. Industrial Construction, 2017, 47(2): 33-37.
    朱佳,完海鹰. 碳纤维增强复合材料加固轴压足尺圆管柱的试验研究[J]. 工业建筑,2016,46(4): 104-109.

    ZHU Jia, WAN Haiying. Experimental study of full scale circular hollow section (CHS) columns reinforced by CFRP under axial compression[J]. Industrial Construction, 2016, 46(4): 104-109.
    周乐,王晓初,王军伟,等. 负载条件下CFRP加固轴心受压钢管短柱受力性能研究[J]. 工程力学,2015,32(11): 201-209. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0357

    ZHOU Le, WANG Xiaochu, WANG Junwei, et al. Research on mechanical properties of axially loaded tubular steel stub columns reinforced by CFRP[J]. Engineering Mechanics, 2015, 32(11): 201-209. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.04.0357
    李兆阳,高小育,陈沿辰. 碳纤维布加固钢管轴压短柱有限元分析[J]. 四川理工学院学报(自然科学版),2015,28(5): 74-80. doi: 10.11863/j.suse.2015.05.14

    LI Zhaoyang, GAO Xiaoyu, CHEN Yanchen. Finite element analysis of CFRP strengthened steel tubular short columns under axial compression[J]. Journal of Sichuan University of Science & Engineering (Natural Science Edition), 2015, 28(5): 74-80. doi: 10.11863/j.suse.2015.05.14
    南波, 武岳,孙浩田. 缠绕型CFRP圆管轴压力学性能[J]. 工程力学,2017,34(1): 92-100.

    NAN Bo, WU Yue, SUN Haotian. Mechanical properties of filament-wound CFRP tube under axially compressive load[J]. Engineering Mechanics, 2017, 34(1): 92-100.
    南波,武岳,孙浩田. 拉挤型CFRP管轴压性能[J]. 哈尔滨工程大学学报,2015,36(6): 779-783.

    NAN Bo, WU Yue, SUN Haotian. Buckling behavior of pultruded carbon fiber reinforced polymer under axially compressive load[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2015, 36(6): 779-783.
    张贵文,李俊杰,王秀丽. 碳纤维布加固薄壁圆钢管轴心抗拉承载力有限元分析[J]. 甘肃科学学报,2012,24(1): 32-36. doi: 10.3969/j.issn.1004-0366.2012.01.009

    ZHANG Guiwen, LI Junjie, WANG Xiuli. Finite element analysis on axial tensile bearing capacity of round thin-walled steel-tubes strengthened with CFRP sheets[J]. Journal of Gansu Sciences, 2012, 24(1): 32-36. doi: 10.3969/j.issn.1004-0366.2012.01.009
    HAEDIR J, ZHAO X L, BANBACH M R, et al. Analysis of CFRP externally-reinforced steel CHS tubular beams[J]. Composite Structures, 2010, 92(12): 2992-3001. doi: 10.1016/j.compstruct.2010.05.012
    HAEDIR J, ZHAO X L. Design of short CFRP-reinforced steel tubular columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2011, 67(3): 497-509. doi: 10.1016/j.jcsr.2010.09.005
    TENG J G, HU Y M. Behavior of FRP-jacketed circular steel tubes and cylindrical shells under axial compression[J]. Construction & Building Materials, 2007, 21(4): 827-838.
    刘勇,陈世健,高鑫,等. 基于Hashin准则的单层板渐进失效分析[J]. 装备环境工程,2010,7(1): 34-39. doi: 10.3969/j.issn.1672-9242.2010.01.009

    LIU Yong, CHEN Shijian, GAO Xin, et al. Progressive failure analysis of monolayer composite based on Hashin criterion[J]. Equipment Environmental Engineering, 2010, 7(1): 34-39. doi: 10.3969/j.issn.1672-9242.2010.01.009
    庄茁. ABAQUS非线性有限元分析与实例[M]. 北京: 科学出版社, 2005: 55-90.
    廖云龙,吴剑. 基于Riks方法的复合材料贮箱稳定性分析[J]. 火箭推进,2013,39(5): 65-69. doi: 10.3969/j.issn.1672-9374.2013.05.012

    LIAO Yunlong, WU Jian. Stability analysis based on Riks method for composite material vessel[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2013, 39(5): 65-69. doi: 10.3969/j.issn.1672-9374.2013.05.012
  • 加载中
图(7) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  516
  • HTML全文浏览量:  235
  • PDF下载量:  9
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-25
  • 修回日期:  2018-11-30
  • 网络出版日期:  2019-01-11
  • 刊出日期:  2020-02-01

目录

    /

    返回文章
    返回