L形鋼管混凝土柱軸壓工作機(jī)理的研究

張繼承，林振宇

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434102;2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

L形鋼管混凝土柱軸壓工作機(jī)理的研究

張繼承1，2，林振宇2

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434102;2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

在參考常用的方形鋼管混凝土柱核心混凝土本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出采用等效約束效應(yīng)系數(shù)ξDB來(lái)考慮異形鋼管對(duì)混凝土的約束作用，建立了適用于L形鋼管混凝土柱的核心混凝土本構(gòu)關(guān)系，利用有限元軟件ABAQUS建模對(duì)L形鋼管混凝土柱軸心受壓時(shí)的荷載—變形全過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合良好。在此基礎(chǔ)上，對(duì)荷載—變形全過(guò)程中鋼管和混凝土所承擔(dān)的荷載及其相互作用力進(jìn)行了分析，并考察了長(zhǎng)寬比和寬厚比等因素對(duì)作用力的影響。

L形鋼管混凝土 軸壓 有限元 機(jī)理

目前對(duì)異形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的約束機(jī)理研究未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)告，為此本文將采用有限元軟件ABAQUS對(duì)L形鋼管混凝土柱軸心受壓時(shí)的荷載—變形全過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，并與文獻(xiàn)［5］的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，用以驗(yàn)證該方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)荷載—變形全過(guò)程中核心混凝土截面應(yīng)力場(chǎng)和相互作用力進(jìn)行分析，并考察了寬厚比、長(zhǎng)寬比對(duì)其的影響。

1 有限元模型

1.1 材料本構(gòu)模型

建立一個(gè)合適的三維非線性有限元分析計(jì)算模型是準(zhǔn)確、有效分析鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的關(guān)鍵。應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系是工程結(jié)構(gòu)材料的物理關(guān)系，是結(jié)構(gòu)受力過(guò)程中材料力和變形關(guān)系的概括，是其內(nèi)部微觀機(jī)理的宏觀行為表現(xiàn)，是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形計(jì)算中必不可少的依據(jù)。為了進(jìn)行L形鋼管混凝土柱軸壓力學(xué)性能和工作機(jī)理的研究，必須首先確定鋼材和混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系模型。

鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用五階段式模型，增量形式的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，滿足Von Mises屈服準(zhǔn)則。這五個(gè)階段分別為彈性段、彈塑性段、塑性段、強(qiáng)化段和一次塑流段。核心混凝土由于受到鋼管的約束，且隨著受力狀態(tài)的改變而處于動(dòng)態(tài)變化，即混凝土的塑性變化，通?；炷敛牧系膯屋S加載試驗(yàn)難以測(cè)定其塑性性能的變化，也很難準(zhǔn)確描述核心混凝土變化受被動(dòng)約束力的影響。因此，進(jìn)行鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)必須用合理準(zhǔn)確的混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系模型來(lái)考慮這些因素的影響。本文在參考常用的方、矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)核心混凝土本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出采用等效約束效應(yīng)系數(shù)ξDB來(lái)考慮L形鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用，經(jīng)過(guò)大量試算，提出了適用于L形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析的核心混凝土本構(gòu)模型為

1.2 單元類(lèi)型的選取與劃分

鋼管采用4節(jié)點(diǎn)完全積分格式的殼單元(S4R)，允許沿厚度方向的剪切變形，且隨著殼厚度的變化，程序會(huì)自動(dòng)適應(yīng)厚殼理論或薄殼理論。為滿足計(jì)算精度要求，在殼單元厚度方向采用9個(gè)積分點(diǎn)的 Simpson積分。核心混凝土和柱端加載板采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元(C3D8R)，該單元可用于模擬較大的網(wǎng)格屈曲，進(jìn)行大應(yīng)變分析。有限元模型網(wǎng)格劃分采用映射自定義網(wǎng)格劃分。圖1給出了典型L形鋼管混凝土柱鋼管和核心混凝土的單元?jiǎng)澐值氖疽鈭D。

圖1 網(wǎng)格劃分示意

1.3 界面模型及邊界條件

鋼管與混凝土的界面模型由法向的接觸和切向的黏結(jié)滑移組成。選擇“硬”接觸作為鋼管與核心混凝土的法向接觸行為。切向力采用庫(kù)侖摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.5。柱端加載板和底板與混凝土間僅考慮法向接觸，采用硬接觸，而加載板和底板與鋼管間采用程序中特有的shell to solid的約束方式連接。為了真實(shí)模擬試件的邊界條件，柱端底板施加固端約束邊界條件，對(duì)加載板施加位移荷載，如圖2所示。

圖2 加載板施加位移荷載

2 有限元模型驗(yàn)證

圖3為文獻(xiàn)［5］中L形鋼管混凝土軸壓構(gòu)件軸向荷載—變形曲線試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較。圖3中，fy，fcu分別為鋼管屈服強(qiáng)度和混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，D為柱肢長(zhǎng)度，B為柱肢寬度，t為鋼管壁厚，L為試件的高度長(zhǎng)度。從圖3中可以看出，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體吻合較好，驗(yàn)證了采用本文提出的引進(jìn)等效約束效應(yīng)系數(shù)ξDB建立的L形鋼管混凝土核心混凝土本構(gòu)關(guān)系是可行的，應(yīng)用本文有限元計(jì)算模型進(jìn)行L形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析是可行的。

圖3 L 形鋼管混凝土軸壓構(gòu)件軸向荷載—變形曲線

3 工作機(jī)理分析

為了對(duì)L形鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的工作機(jī)理進(jìn)行分析，取三種不同截面形式的典型算例，其基本計(jì)算參數(shù)為：①L-1：肢長(zhǎng)D=200 mm，肢寬B=100 mm，鋼管厚 t=4 mm，fy=310 MPa，fc=46 MPa;②L-2：肢長(zhǎng) D=300 mm，肢寬 B=100 mm，鋼管厚 t=4 mm，fy=310 MPa，fc=46 MPa;③L-3：肢長(zhǎng) D=200 mm，肢寬 B=100 mm，鋼管厚 t=6 mm，fy=310 MPa，fc=46 MPa。

3.1 核心混凝土截面應(yīng)力場(chǎng)分析

圖4、圖5和圖6分別給出L-1、L-2和L-3三種截面在軸壓受力全過(guò)程曲線上四個(gè)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的核心混凝土截面縱向應(yīng)力分布情況，四個(gè)特征點(diǎn)分別?。篈點(diǎn)約為鋼管進(jìn)入屈服階段的點(diǎn);B點(diǎn)約為鋼管開(kāi)始進(jìn)入彈塑性階段的點(diǎn);C點(diǎn)為鋼管混凝土承載力極限點(diǎn);D點(diǎn)為對(duì)應(yīng)變形0.15的點(diǎn)。從圖4～圖6可以看出，整個(gè)截面呈現(xiàn)不均勻約束區(qū)域，其效果明顯低于均勻約束的情況，即核心混凝土的承載力提高并不明顯。異形鋼管混凝土由于肢長(zhǎng)直線邊易發(fā)生屈曲，因而約束力在肢長(zhǎng)直線邊的中部最小，同時(shí)截面的中部區(qū)域混凝土高應(yīng)力區(qū)呈現(xiàn)拱形變化，且傾向于短肢邊區(qū)域。在鋼管彈性階段，混凝土截面應(yīng)力的分布比較均勻;鋼管進(jìn)入彈塑性階段后，角部的混凝土應(yīng)力增加比中部更快;構(gòu)件達(dá)到承載力極限時(shí)，核心混凝土的縱向應(yīng)力大于(當(dāng)約束效應(yīng)系數(shù)比較小的時(shí)候可能小于或等于)其圓柱體抗壓強(qiáng)度，但與圓鋼管混凝土不同的是，由于異形鋼管混凝土對(duì)核心混凝土的約束效果不明顯，承載力明顯低于圓鋼管混凝土。當(dāng)構(gòu)件變形達(dá)到0.15時(shí)，截面縱向應(yīng)力從中心向角部依次降低。通過(guò)比較圖4～圖6可以看出：隨著截面長(zhǎng)寬比的增大而約束效應(yīng)呈逐漸減弱的趨勢(shì)。即長(zhǎng)寬比為2時(shí)，縱向應(yīng)力在承載力極限點(diǎn)達(dá)到最大，截面肢長(zhǎng)直線邊的中部約為1.02fc，角部約為1.18fc，當(dāng)長(zhǎng)寬比為3時(shí)，截面肢長(zhǎng)直線邊的中部約為0.93fc，角部約為1.02fc;隨著寬厚比的減小，沿著肢長(zhǎng)邊中部薄弱區(qū)的面積逐漸縮小，即約束效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。即寬厚比為50時(shí)，截面肢長(zhǎng)直線邊的中部縱向應(yīng)力在承載力極限點(diǎn)達(dá)到最大，約為1.02fc，當(dāng)寬厚比為33.3時(shí)，約為1.1fc;截面的角部位置也隨著寬厚比的減小，約束也逐漸增大，即寬厚比為50時(shí)，截面角部縱向應(yīng)力在承載力極限點(diǎn)達(dá)到最大，約為1.18fc，當(dāng)寬厚比為33.3時(shí)，截面角部縱向應(yīng)力約為1.24fc。

圖4 L -1核心混凝土跨中截面縱向應(yīng)力分布

3.2 鋼管與核心混凝土相互作用

圖5 L -2核心混凝土跨中截面縱向應(yīng)力分布

以L-1截面為典型算例，圖7給出該截面同一高處鋼管對(duì)核心混凝土約束力在受力全過(guò)程中的變化情況。圖中D為截面的肢長(zhǎng)，對(duì)于 L形鋼管混凝土，在角部約束力最大，且約束力隨與角部距離的增大而迅速減小。這也再次解釋了L形鋼管混凝土柱截面約束效應(yīng)主要集中在角部的原因。從圖7中可見(jiàn)，L形鋼管的約束力集中于截面角部較小的范圍內(nèi)(約D/12)，此范圍之外的約束力較小。約束力下降段較陡，混凝土在下降段體積膨脹，使約束力發(fā)揮的范圍有所增加，即便如此，在距角部 D/2范圍以外的約束力在受力全過(guò)程中始終較小。由于受到與鋼管焊接在一起的蓋板的影響，沿構(gòu)件高度約束力p值的大小并不相等。圖8為混凝土達(dá)到峰值點(diǎn)時(shí)p沿構(gòu)件高度的變化，圖8中，L為構(gòu)件長(zhǎng)度，H為該點(diǎn)與蓋板的距離。由圖8可見(jiàn)，由于受蓋板的影響，在靠近上蓋板約0.2L范圍內(nèi)的p變化較為顯著，此后p值逐漸趨于穩(wěn)定，到中截面高度處附近時(shí)，受蓋板的影響較小，且達(dá)到最大。從以上的計(jì)算和分析結(jié)果可見(jiàn)，L形鋼管混凝土柱軸壓試件，鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用沿試件高度與截面分布不均勻，為了從總體上了解截面約束效應(yīng)系數(shù)對(duì)核心混凝土作用的影響規(guī)律，采用了平均約束力的方法。

圖6 L -3核心混凝土跨中截面縱向應(yīng)力分布

圖7 L -1同一高度處截面不同位置的約束力

圖8 L -1混凝土達(dá)到峰值點(diǎn)時(shí)沿構(gòu)件高度的變化

圖9不同寬厚比下ˉp—ε關(guān)系曲線

圖10不同長(zhǎng)寬比下ˉp—ε關(guān)系曲線

圖9和圖10給出的是不同截面寬厚比和長(zhǎng)寬比情況下鋼管和核心混凝土之間的平均約束力ˉp與縱向應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系曲線?？梢?jiàn)在受荷初期，由于鋼管的泊松比大于混凝土的泊松比，鋼管與混凝土之間無(wú)約束作用，此后鋼管對(duì)混凝土的約束力隨著縱向應(yīng)變的增大而增大，并最終趨于穩(wěn)定。從圖9上可以看出，隨著截面的寬厚比的增大，鋼管對(duì)核心混凝土的約束力逐漸減小，同時(shí)從圖10上可以看出，隨著截面的長(zhǎng)寬比的增大，其約束力相應(yīng)也逐漸減弱。

4 結(jié)論

1)利用有限元軟件ABAQUS建模計(jì)算得到的 L形鋼管混凝土柱軸壓荷載—變形關(guān)系曲線與文獻(xiàn)［5］的試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

2)本文提出的采用等效約束效應(yīng)系數(shù)ξDB來(lái)考慮L形鋼管對(duì)核心混凝土的約束效應(yīng)而建立的核心混凝土本構(gòu)模型適用于異形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能理論分析。

3)L鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用沿試件高度和截面上呈不均勻分布，截面上約束力在角部最大，在肢長(zhǎng)中部最小，高度上在試件中部最大。

4)影響L形鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用的主要因素有：長(zhǎng)寬比和寬厚比。隨著長(zhǎng)寬比的增大，鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用減小;隨著截面寬厚比的增大，鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用也逐漸減小。

［1］韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京，科學(xué)出版社，2000.

［2］黎志軍，蔡健，譚哲東，等.帶約束拉桿異形鋼管混凝土柱力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2001，16(A02)：124-129.

［3］蔡健，孫剛.軸壓下帶約束拉桿L形鋼管混凝土短柱的試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(9)：14-20.

［4］杜國(guó)鋒，徐禮華，徐浩然，等.鋼管混凝土組合T形短柱軸壓力學(xué)性能研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(4)：97-100.

［5］陳之毅.矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝及異形柱承載力的研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2003.

［6］劉威.鋼管混凝土局部受壓時(shí)的工作機(jī)理研究［D］.福州：福州大學(xué)，2005.

TU392.3;TU317.1

A

1003-1995(2011)03-0129-05

2010-03-25;

2011-01-03

張繼承(1976— )，男，湖南平江人，講師。

(責(zé)任審編 王天威)