帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱偏壓承載力特性研究

蔡 健 華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510640 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東廣州510640

朱昌宏,林煥彬 (華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東廣州510640)

結(jié)構(gòu)中的鋼管混凝土柱在外荷載作用下常處于偏壓或壓彎狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)矩形鋼管混凝土柱的偏壓力學(xué)性能進(jìn)行了較廣泛的研究[1～5],結(jié)果表明一般截面形式的矩形鋼管混凝土與方形鋼管混凝土相似,鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用主要集中在4個(gè)角部,在4條邊的中部幾乎為零,整體約束效應(yīng)小,故承載力及延性與圓形鋼管混凝土柱相比要低很多,其潛在的材料性能沒能得到充分發(fā)揮。針對(duì)一般截面形式的矩形鋼管混凝土的上述缺點(diǎn),文獻(xiàn) [6～8]中提出在矩形鋼管4邊的中部設(shè)置水平約束拉桿的截面加強(qiáng)措施,并對(duì)約束拉桿矩形鋼管混凝土柱構(gòu)件的軸壓和偏壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明設(shè)置了約束拉桿的矩形鋼管混凝土柱的承載力、延性得到了很好的提高。在此基礎(chǔ)上,筆者基于帶約束拉桿矩形鋼管混凝土的本構(gòu)關(guān)系[9],利用纖維模型法對(duì)帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱的偏壓承載力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,通過計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證纖維模型法的合理性,同時(shí)討論各種因素對(duì)帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱的單向偏壓和雙向偏壓承載力的影響。

1 數(shù)值分析

1.1 數(shù)值分析的基本假定和方法

利用纖維模型法[10]可有效地對(duì)偏壓試件進(jìn)行全過程分析。如圖1所示,建立坐標(biāo)系XOY,構(gòu)件截面總是置于坐標(biāo)系的第1象限,并且截面的左下角角點(diǎn)與坐標(biāo)軸原點(diǎn)重合,將截面劃分為許多小單元,并近似認(rèn)為各單元的應(yīng)力分布均勻,各單元的合力點(diǎn)位于該單元的形心處,用單元形心處的應(yīng)變作為該單元的應(yīng)變,形心處的坐標(biāo)作為該單元的坐標(biāo)。在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)作如下假設(shè):①在變形中試件橫截面始終保持為平截面,截面應(yīng)變?yōu)榫€性分布;②鋼板與混凝土之間無相對(duì)滑移;③不考慮混凝土的抗拉作用,受拉區(qū)混凝土退出工作;④試件兩端鉸接,撓曲線為正弦半波曲線;⑤鋼材和受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分別采用文獻(xiàn) [9]中建議的相應(yīng)模型。

圖1 截面分析纖維模型法

采用上述假定和方法,可以編制非線形計(jì)算程序?qū)Ъs束拉桿矩形鋼管混凝土短柱的力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1.2 數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的比較

根據(jù)上述方法編制了數(shù)值分析程序并對(duì)文獻(xiàn) [8]試驗(yàn)的偏壓短柱試件的彎矩-曲率關(guān)系曲線進(jìn)行全過程計(jì)算,計(jì)算時(shí)增加L/1000(L為柱長(zhǎng))的初始撓度以考慮試件制作、安裝等因素造成的初始缺陷對(duì)試件縱向受荷的影響[11]。圖2和圖3給出了典型試件理論計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線的對(duì)比情況。由圖2可見,計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線總體上吻合良好,說明采用帶約束拉桿矩形鋼管混凝土的本構(gòu)關(guān)系,利用纖維模型法可以很好地模擬計(jì)算帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱的偏壓承載力。

圖2 部分偏壓試件計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

2 參數(shù)分析

利用上述數(shù)值分析程序,通過改變有關(guān)參數(shù)可以計(jì)算得到構(gòu)件的軸力-抗彎承載力(N-M)關(guān)系曲線。下面,筆者將通過參數(shù)研究分析約束拉桿間距和直徑、混凝土強(qiáng)度、鋼管壁厚、鋼材強(qiáng)度、截面高寬比等對(duì)單向和雙向偏壓的帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱的軸力/軸壓承載力之比和抗彎承載力/純彎承載力之比的曲線(N/Nu-M/Mu)的影響。分析中基本參數(shù)的取值如下,截面尺寸為截面長(zhǎng)邊×截面短邊(D×B)=600mm×500mm的矩形截面 (對(duì)比截面長(zhǎng)邊 D=700mm～1000mm),鋼管壁厚t=6～12mm,鋼管強(qiáng)度 fay=235～460MPa,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C40～C80,橫向約束拉桿數(shù)目為1～4根,縱向約束拉桿間距as=150mm,約束拉桿直徑為d=10～16mm,約束拉桿強(qiáng)度fy=345MPa。

圖3 計(jì)算軸力-抗彎承載力(N-M)曲線與試驗(yàn)曲線的比較

2.1 各參數(shù)對(duì)單向偏壓承載力的影響

圖4中給出了各參數(shù)對(duì)單向偏壓的軸力/軸壓承載力-抗彎承載力/純彎承載力(N/Nu-M/Mu)曲線的影響。由圖4(a)、(b)可看到,隨約束拉桿水平間距的減小、約束拉桿直徑的增大,N/Nu-M/Mu曲線逐漸往外凸。這是由于約束拉桿間距減小、約束拉桿直徑的增大,拉桿的約束作用增大,核心混凝土受到的約束作用增大、縱向強(qiáng)度提高,相應(yīng)地混凝土承擔(dān)荷載比例增大,致使N/Nu-M/Mu曲線相應(yīng)往外凸出。但從2圖的比較也可發(fā)現(xiàn),增大約束拉桿直徑的效果不明顯。由圖4(c)可看到,隨著鋼管壁的增厚,即含鋼率的增大,N/Nu-M/Mu曲線明顯往內(nèi)收攏,表明鋼管承擔(dān)的荷載比例增大,構(gòu)件受力特性偏向于鋼構(gòu)件。圖4(d)可知,隨混凝土抗壓強(qiáng)度的提高,N/Nu-M/Mu曲線逐漸往外凸,混凝土承擔(dān)荷載的比例增大,構(gòu)件受力特性偏向于混凝土構(gòu)件。由圖4(e)可看到,隨著鋼管強(qiáng)度的提高,N/Nu-M/Mu曲線幾乎沒有發(fā)生變化,這是由于鋼管強(qiáng)度提高的同時(shí),核心混凝土受到的約束作用也相應(yīng)增大,鋼管與混凝土承擔(dān)荷載的比例變化不大。隨著截面高寬比的增大,N/Nu-M/Mu曲線逐漸往外凸 (見圖4(f))。

圖4 各參數(shù)對(duì)軸力/軸壓承載力-抗彎承載力/純彎承載力 (N/Nu-M/Mu)曲線的影響

2.2 各參數(shù)對(duì)雙向偏壓承載力的影響

圖5為軸壓比n=0.45(n=N/(fayAs+fckAc))時(shí)截面抗彎承載力/純彎承載力(M/Mu)之比和荷載角α的關(guān)系曲線 (截面長(zhǎng)邊方向?yàn)?°)。由圖可見,在不同參數(shù)條件下,M/Mu隨α的變化規(guī)律相似。由于截面的對(duì)稱性,以荷載角α為0°～90°為例說明,荷載角α對(duì)截面的抗彎承載力M/Mu影響顯著;當(dāng)α=0°時(shí),截面的抗彎承載力最大;隨著截面寬高比的增加,截面最小抗彎承載力的位置從α=45°(方形截面)變化到α=90°。因此,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮雙向偏壓條件下截面抗彎承載力的降低。

圖5 軸壓系數(shù)n=0.45時(shí)各參數(shù)下截面抗彎承載力/純彎承載力-荷載角 (M/Mu-α)曲線

圖6為不同軸壓系數(shù)時(shí),截面抗彎承載力/純彎承載力之比(M/Mu)和荷載角α的關(guān)系曲線。各參數(shù)變化下的曲線變化規(guī)律相似,不再一一給出。由圖5、圖6可見,當(dāng)荷載角α保持不變時(shí),各參數(shù)對(duì)雙向偏壓短柱的N/Nu-M/Mu曲線的影響規(guī)律和單向偏壓時(shí)相類似;軸壓系數(shù)變化時(shí),M/Mu-α曲線形狀基本相同。

圖6 不同軸壓系數(shù)時(shí)的截面抗彎承載力/純彎承載力-荷載角(M/Mu-α)曲線

3 結(jié) 論

1)應(yīng)用纖維模型法對(duì)帶約束拉桿矩形鋼管混凝土偏壓短柱承載力的計(jì)算表明,受壓區(qū)混凝土采用軸壓條件下的帶約束拉桿矩形鋼管混凝土的本構(gòu)關(guān)系得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度良好。

2)約束拉桿能有效改善矩形鋼管混凝土短柱的偏壓性能。在偏心距及其他條件相同的條件下,隨約束拉桿間距的減小、直徑的增大,帶約束拉桿矩形鋼管混凝土偏壓短柱的極限承載力相應(yīng)提高,軸力/軸壓承載力之比和抗彎承載力/純彎承載力之比的曲線(N/Nu-M/Mu)往外凸。隨著鋼管壁厚度增大,偏壓短柱的極限承載力明顯提高,N/Nu-M/Mu曲線往內(nèi)收攏,鋼構(gòu)件的受力特性明顯。隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的提高,截面寬厚比的增大,偏壓短柱的極限承載力也提高,N/Nu-M/Mu曲線逐漸往外凸,混凝土構(gòu)件的受力特性明顯。隨著鋼管強(qiáng)度的提高,偏壓短柱極限承載力提高程度不明顯。

3)荷載角α對(duì)截面的抗彎承載力/純彎承載力之比(M/Mu)的影響顯著;各參數(shù)對(duì)單向偏壓和雙向偏壓短柱的N/Nu-M/Mu曲線的影響相類似;軸壓比變化時(shí),M/Mu-α曲線形狀基本相同。

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