十字形鋼管混凝土柱抗震性能有限元分析

Md.Sajib Hossain，劉孝禹，肖家浩，翟 荃，楊 浩

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.深圳市恒泰基建筑工程有限公司，廣東 深圳 518055)

0 前 言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為一種傳統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)，其不僅具備鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)自重輕、承載力強(qiáng)、延性好的優(yōu)點(diǎn)，而且以鋼管代替混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋和外部施工模板，大大簡(jiǎn)便了施工過程。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)良的力學(xué)性能，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于高層建筑當(dāng)中[1-3]。然而，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市居住面積日漸緊缺，傳統(tǒng)矩形和圓形的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不再能滿足實(shí)際使用的需求。為解決工程需要，異形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新型組合結(jié)構(gòu)被提出[4]。異形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)繼承了矩形和圓形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以避免室內(nèi)倒角的出現(xiàn)，從而節(jié)約室內(nèi)面積，便于空間的利用。對(duì)于這種新型結(jié)構(gòu)，近年來已有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元模擬[5-6]。

熊清清等[7]以軸壓比、寬厚比、長(zhǎng)細(xì)比、鋼管截面尺寸和材料強(qiáng)度為變量，建立了L形鋼管混凝土柱的有限元模型，其模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)吻合較好，并提出了L形鋼管混凝土柱的水平承載力計(jì)算公式。許逸民等[8]采用ABAQUS對(duì)3組不同長(zhǎng)細(xì)比、高寬比、偏心距的T形鋼管混凝土長(zhǎng)柱進(jìn)行了單向偏壓試驗(yàn)。結(jié)果表明，試件偏心距越大，其承載力越低，但延性越好。雷敏[9]在以往T形鋼管混凝土中長(zhǎng)柱偏心受壓試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)T形鋼管混凝土柱的軸壓穩(wěn)定性進(jìn)行了有限元研究，試驗(yàn)提出了穩(wěn)定承載力系數(shù)計(jì)算公式。然而，大部分學(xué)者的研究集中于T形和L形截面，對(duì)十字形截面研究較少。

本文使用ABAQUS軟件建立了十字形鋼管混凝土柱模型，以鋼管壁厚、長(zhǎng)寬比和軸壓比為變量對(duì)9根十字形鋼管混凝土柱進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，并與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相比較，分析了不同變量對(duì)其抗震性能的影響。

1 有限元模型

1.1 試件參數(shù)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了9根十字形鋼管混凝土柱，所有柱長(zhǎng)均為1 400 mm，十字形鋼管由一個(gè)矩形鋼管與兩個(gè)U形鋼板焊接得到，所有鋼材均采用Q235級(jí)鋼，鋼管截面如圖1所示。鋼管內(nèi)部澆筑C40混凝土，并封有上下蓋板。為保證有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比的相關(guān)性，試件參數(shù)均與文獻(xiàn)[10]一致，具體試件參數(shù)如表1所示。

圖1 十字形鋼管截面(單位：mm)

表1 試件參數(shù)表

1.2 有限元模型建立

采用ABAQUS軟件對(duì)試件進(jìn)行低周往復(fù)荷載下的有限元分析。為準(zhǔn)確模擬鋼管對(duì)管內(nèi)混凝土之間的套箍作用，將鋼管與混凝土的相互作用屬性設(shè)置為面與面的接觸，切向摩擦系數(shù)設(shè)置為0.25。矩形鋼管與兩塊U形鋼板采用綁定約束，使得組成十字形鋼管的各構(gòu)件連成一個(gè)整體。鋼管的上下蓋板設(shè)置為剛體以保證其在模擬過程中不會(huì)出現(xiàn)變形，對(duì)于上蓋板只允許其產(chǎn)生水平力加載方向上的位移與轉(zhuǎn)角，而下蓋板限制其全方向上的位移和轉(zhuǎn)角。有限元模擬時(shí)所加的豎向荷載和水平荷載均由試驗(yàn)值確定。有限元模型網(wǎng)格的劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

2 抗震性能分析

2.1 破壞模式

圖3為有限元模擬得到的應(yīng)力云圖。通過觀察發(fā)現(xiàn)，有限元模擬構(gòu)件的破壞發(fā)生在十字形柱的底部加勁肋的上方，且受力方向上的U形鋼板底部應(yīng)力最為集中，而矩形鋼管及其內(nèi)部混凝土變形不大。這是由于十字形鋼管側(cè)面的兩肢在加載中間接受力，減輕了矩形鋼管及其內(nèi)部混凝土的變形。有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象一致，證明本文模型能較好模擬十字形鋼管柱的破壞過程。

(a)鋼管混凝土柱

(b)鋼管

(c)混凝土

2.2 滯回曲線

圖4展示了試件在低周往復(fù)荷載下的有限元模擬滯回曲線。與試驗(yàn)值相比較，模擬值的滯回曲線沒有明顯的捏縮現(xiàn)象，說明有限元模型過大地估計(jì)了試件的抗震性能。這可能是由于有限元模型沒有考慮實(shí)際構(gòu)件的初始缺陷和循環(huán)荷載下的損傷積累。在試件的最大承載力上，模擬值與試驗(yàn)值擬合較好，對(duì)實(shí)際工程具有借鑒意義。表2為試件極限承載力的模擬值和試驗(yàn)值。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，隨著試件鋼管壁厚與長(zhǎng)寬比的增大，其極限承載力也相應(yīng)增大；而試件軸壓比增大時(shí)，其極限承載力減小。本文有限元模型能較好模擬試件各相關(guān)參數(shù)對(duì)極限承載力的影響。

(a)C1T3R1

(b)C1T4R2

(c)C1T5R3

(d)C2T3R2

(e)C2T4R3

(f)C2T5R1

(g)C3T3R3

(h)C3T4R1

(i)C3T5R2

表2 試件極限承載力對(duì)比

3 結(jié) 論

本文建立了9根十字形鋼管混凝土柱的有限元模型，通過將模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)值進(jìn)行比較分析得出以下結(jié)論。

1)本文提出了有限元模型可以較好反映十字形鋼管混凝土柱的破壞模式，模擬得到的破壞位置與試驗(yàn)基本一致。

2)本文有限元模型得到的十字形鋼管混凝土柱在低周反復(fù)荷載下的極限承載力與試驗(yàn)值吻合良好，可為實(shí)際工程提供參考。

3)十字形鋼管混凝土柱在低周反復(fù)荷載下的極限承載力與鋼管壁厚和長(zhǎng)寬比成正相關(guān)，與軸壓比成負(fù)相關(guān)。

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