高強型鋼混凝土組合柱小偏心受壓力學性能

楊怡亭，侯兆新，李國強，龔　超,4，陳素文，邱林波,4

(1.北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院，100083北京；2.中冶建筑研究總院有限公司，100088北京；3.同濟大學 土木工程學院，200092上海；4.國家鋼結構工程技術研究中心，100088北京)

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高強型鋼混凝土組合柱小偏心受壓力學性能

楊怡亭1，侯兆新2，李國強3，龔超2,4，陳素文3，邱林波2,4

(1.北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院，100083北京；2.中冶建筑研究總院有限公司，100088北京；3.同濟大學 土木工程學院，200092上海；4.國家鋼結構工程技術研究中心，100088北京)

摘要:為研究圓截面Q460高強鋼混凝土組合柱在小偏壓作用下的受力性能，進行了兩根組合柱的工程性試驗，對其破壞過程及特征進行分析，結果表明，鋼骨有效限制剪切斜裂縫的發(fā)展，組合柱發(fā)生彎曲破壞，表現出良好的延性;采用有限元方法分析鋼骨應力分布與變化規(guī)律，結果表明，混凝土壓潰失效引起鋼骨應力重分布，加劇了鋼骨部分承擔軸力和彎矩;對型鋼屈服強度、含鋼率進行有限元參數分析，結果表明，采用高強鋼可有效提高承載力，同時控制構件截面尺寸與自重;對計算SRC柱壓彎承載力的兩種主要方法進行了比較分析，提出等效矩形概念的簡化計算，為圓截面SRC柱設計提供依據.

關鍵詞:高強鋼；鋼骨混凝土；偏心受壓；有限元；等效矩形

型鋼-混凝土組合柱(SRC)是指在鋼筋混凝土柱(RC)內配置型鋼，通過型鋼分擔部分軸力提高極限承載力，同時內置型鋼限制剪切裂縫的發(fā)展，改善柱的延性，有效提高其抗震性能[1-2].日本、前蘇聯(lián)、美國、歐洲等對SRC柱的理論計算研究較為成熟[3-6].中國《鋼骨混凝土結構設計規(guī)程》和《型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程》分別通過疊加原理和極限狀態(tài)法建立了SRC柱承載力計算式[7-8].隨著高強鋼(屈服強度≥460 MPa)生產工藝的提高，將高強鋼應用于SRC柱將大幅提高其極限承載力，例如北京鳥巢采用Q460高強鋼板進行設計[9]，河南省某超高層項目使用Q460高強鋼對結構進行優(yōu)化設計[10].目前國內學者對高強鋼結構的受力性能已有一定研究成果[11-12]，而高強鋼SRC柱的力學性能研究鮮見報道.

本文通過試驗和有限元方法研究Q460高強鋼SRC柱在小偏心作用下的承載力、破壞方式和破壞機理.通過有限元參數分析評價了屈服強度和含鋼率對SRC柱承載力的影響.通過疊加法和N-M相關曲線研究傳統(tǒng)理論方法針對SRC柱偏壓承載力計算的適用性.

1SRC柱偏心受壓試驗概述

1.1試件設計和材料特性

試件截面尺寸參考上述“河南省某超高層項目”應用的第53層SRC柱設計，采用相似比為1∶3的縮尺模型.縮尺模型高1 900 mm，其含鋼量、鋼筋配筋率以及栓釘焊接方法見圖1.試件制作同時，預留出用于材性試驗的試件，各材料的力學性能平均值見表1.

圖1　SRC柱截面示意

材料屈服強度fy/MPa極限強度fu/MPa抗壓強度fcu/MPa伸長率δ/%Q460GJ鋼板516.7635.4—28.1Φ10鋼筋426.0605.5——混凝土——46.8—

1.2試驗加載裝置

試驗在大型擬靜力結構臥式試驗機上進行.荷載通過小剛性墊塊傳遞，偏心距120 mm.考慮實際工程中組合柱受到軸力、彎矩和剪力的共同作用，試件底部采用高強螺栓與反力架底座連接，實現剛接，柱頂通過試件與墊塊的摩擦力約束平動位移，實現鉸接.試驗加載方式和位移計布置見圖2.試驗得到SRC柱極限承載力分別為7 574、7 318 kN.

圖2　加載方式及位移計布置示意

2SRC柱有限元模型建立與驗證

采用ABAQUS有限元軟件建立有限元模型.混凝土、型鋼以及鋼筋分別采用實體單元、曲殼單元以及桁架單元.橫截面劃分網格25 mm每單元，柱高方向55 mm每單元.型鋼及鋼筋采用嵌入式與混凝土變形協(xié)調，忽略相互間的滑移.

混凝土采用塑性損傷模型，本構關系參考規(guī)范GB 50010—2010[13]，鋼材采用理想彈塑性本構模型.荷載施加在傳力鋼墊板上以防止柱頂應力集中.柱底設置平動約束和轉動約束，柱頂設置平動約束.

有限元結果見圖3，荷載-位移曲線與試驗結果基本吻合.極限承載力為7 372 kN，與試驗結果分別相差2.7%和0.8%.如圖4所示，SRC柱破壞時，有限元側向位移云圖表明柱體變形最大位移靠近加載端，與試驗的變形模態(tài)一致.

圖3　SRC柱荷載-軸向位移曲線

圖4　試驗與有限元破壞示意

3SRC柱試驗與有限元結果分析

3.1試驗結果分析

由圖3所示的位移-荷載曲線，破壞過程分5個階段：(1)彈性階段，曲線近似直線，柱體無開裂現象.(2)彈塑性階段，荷載比達到約0.25后，SRC柱剛度降低，加載端偏壓側出現微裂縫，裂縫寬度逐漸增大、數量增多，見圖5.(3)塑性階段，荷載比達到約0.83后，曲線出現明顯轉折，壓區(qū)混凝土不斷壓潰，柱體有明顯側向變形，SRC柱帶裂縫工作，反映出一定的塑性性能.(4)曲線達到峰值，SRC柱達到破壞，承載力下降，加載端混凝土壓潰，出現斜裂縫和多條橫向裂縫，SRC柱發(fā)生縱向彎曲破壞，見圖6.(5)破壞階段，組合柱仍具有一定的承載能力，表明高強鋼骨提高了SRC柱的承載和變形能力.

圖5　彈塑性階段柱體裂縫

圖6　破壞階段柱體裂縫

3.2有限元結果分析

3.2.1各階段應力分布及發(fā)展

彈性階段，RC部分未達到抗壓強度，壓應力較為集中分布于柱頂，鋼骨應力遠小于屈服強度.彈塑性階段，由于加載端混凝土壓潰失效，承壓區(qū)域轉移，壓應力集中分布于柱體中部，見圖7；鋼骨端部承擔部分壓力而應力集中，且應力向柱底發(fā)展，見圖8.塑性階段至SRC柱破壞，鋼骨大部分截面屈服，塑性變形不斷發(fā)展，直至構件破壞.

3.2.2鋼骨塑性發(fā)展分析

選取沿柱截面徑向路徑s1，見圖9，分析加載過程中鋼骨截面受拉受壓側應力變化規(guī)律.如圖10、11所示，隨著荷載增加，截面受拉區(qū)高度不斷減小，截面中和軸下移，塑性階段時s1截面已全部受壓，鋼骨端頭局部壓曲，應力減小，破壞后鋼骨端部變形過大而失去承載能力，應力為零.

圖7　彈塑性階段混凝土剖面應力分布云圖

圖8　彈塑性階段鋼骨剖面應力分布云圖

圖9　應力測點布置示意

圖10　各階段s1截面的主拉應力分布

圖11　各階段s1截面應力分布

4SRC柱有限元參數分析

本文結合工程實際重點研究型鋼材屈服強度和含鋼率(翼緣厚度、腹板厚度)對SRC柱小偏壓承載力的影響.屈服強度分別取235、345、390、460、550和690 MPa(及試驗值517 MPa).鋼骨翼緣、腹板厚度根據《鋼結構設計規(guī)范》[14]寬厚比、高厚比限值規(guī)定取值，見表2.

表2　含鋼率(鋼骨翼緣、腹板厚度)參數

注：翼緣(腹板)厚度變化時，腹板(翼緣)厚度均為12 mm.

偏壓承載力與屈服強度和含鋼率基本呈線性關系，見圖12、13.采用Q460高強鋼SRC柱相比Q235普通鋼SRC柱承載力提高近42%.采用大厚度鋼板同樣能提高承載力，但鋼板較厚會降低混凝土的澆搗質量，因此通過采用高強鋼既能保證SRC柱的承載能力又能有效控制截面尺寸，避免不利于抗震的短柱結構.

圖12　屈服強度對SRC柱承載力的影響

圖13　含鋼率對SRC柱承載力的影響

5SRC柱正截面壓彎承載力理論計算

5.1“疊加法的解析解”方法

日本學者若林實[15]提出一般疊加法計算SRC柱正截面壓彎承載力，將其表示為鋼骨和RC部分的簡單疊加，見式(1).該方法任意分配鋼骨和RC部分的軸力，通過反復試算得到受彎承載力之和的最大值，過程較為復雜.

(1)

式中：N、M為SRC柱軸力和彎矩，Nss、Mss為鋼骨部分軸力和彎矩，Nrc、Mrc為RC部分軸力和彎矩.

李少泉等[16]給出一般疊加公式的解析解，有效簡化計算過程.由SRC柱鋼骨部分承擔的Nss-Mss相關關系式(2)、(3)，并按小偏壓考慮，鋼骨截面受壓(Nss≥0)見圖14，鋼骨部分彎矩表示為式(4)，RC部分力和彎矩平衡方程為式(5)、(6).

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Ny0ss和My0ss為鋼骨截面軸壓和純彎承載力，Ass、Wss和fss分別為鋼骨截面面積、抗彎截面模量和屈服強度，γs為鋼骨截面塑性發(fā)展系數，As1和σs為拉區(qū)縱筋面積和應力，As2和fy為壓區(qū)縱筋面積和強度設計值，ξ和ξb為相對受壓區(qū)高度和界限相對受壓區(qū)高度，a1和a2為拉、壓區(qū)縱筋合力點至壓、拉區(qū)混凝土邊緣的距離.

圖14　小偏壓作用下RC部分正截面受力圖

圓截面SRC柱按照等效矩形概念，將bh0等效為圓截面受壓區(qū)面積Ac，如式(8).代入式(5)、(6)得到新的平衡方程式(9)、(10).

(8)

(9)

(10)

5.2N-M相關曲線計算方法

歐洲規(guī)范EC4[6]基于相對長細比概念，考慮材料彈塑性和幾何非線性，以組合柱同時承擔軸力和彎矩的相關關系(N-M曲線)作為失效條件計算壓彎承載力，見圖15.多邊形ACDB為近似N-M曲線的簡化，點D為大、小偏心受壓界限點.

圖15　N-M相關曲線

各點含義見圖16，其中，SRC柱截面受彎區(qū)域高度假設為2hn，且處于鋼骨腹板位置.根據平衡條件得到各點軸力和彎矩繪制N-M曲線.偏心距為120 mm的偏壓承載力計算值6 614 kN，與試驗結果分別相差12.6%和9.6%.

圖16　歐洲規(guī)范計算截面示意

5.3理論計算結果分析

表3、4為參數范圍內理論結果與有限元結果對比.“疊加法的解析解”的理論結果與有限元結果相比差值小于5%，計算精度高；“N-M相關曲線方法”理論值偏小，且隨著屈服強度的提高，理論結果差值越大，達到10%～20%，結果過于保守.

表3　屈服強度參數理論結果與有限元結果

表4　含鋼率參數理論結果與有限元結果

注：δn=(Pn-P0)/P0×100%

6結論

1)高強鋼SRC柱在小偏壓作用下發(fā)生縱向彎曲破壞.受力過程中，柱頂偏壓側混凝土壓潰，鋼骨承擔更多軸力的同時限制剪切裂縫發(fā)展，組合柱表現出良好的延性和變形能力.

2)有限元分析得到組合柱鋼骨翼緣和腹板的應力分布和變化規(guī)律.參數分析結果表明，采用高強度結構鋼更利于在提高SRC柱承載力的同時，控制鋼材用量和截面尺寸，減輕結構自重.

3)采用兩種理論對SRC柱小偏壓作用下極限承載力值進行計算.結果表明，疊加法計算較為復雜，但結果較為準確；N-M相關曲線法概念簡單，但計算結果偏于保守.

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(編輯趙麗瑩)

Mechanical properties of high strength steel reinforced concrete columns under small eccentric load

YANG Yiting1, HOU Zhaoxin2, LI Guoqiang3, GONG Chao2,4, CHEN Suwen3, QIU Linbo2,4

(1.Civil and Environment Engineering Institute,University of Science and Technology Beijing, 100083 Beijing, China;2.Central Research Institute of Building and Construction Co. Ltd., MCC, 100088 Beijing, China;3.College of Civil Engineering,Tongji University, 200092 Shanghai, China;4. National Engineering Research Center for Steel Construction, 100088 Beijing, China)

Abstract:Experimental study on the behavior of circular Q460 high strength steel reinforced concrete (SRC) columns under small eccentric compression was conducted, to investigate the failure mode and failure process. The SRC column presents typical flexural failure and shows good ductility. The development of the diagonal crack is effectively confined by the encased steel. The stress distribution and development of the steel reinforcement were studied using finite element method. It indicates that stress redistribution occurs due to the crushing of concrete, which results in the increase of the axial force and moment applied to the steel. The parameter effects were investigated. The compression-bending capacity of the SRC column increases approximately linearly with the increase in the steel reinforcement strength and steel ratio. The design theory of SRC column is enriched based on the comparison analysis on the flexural strengths of the SRC column calculated by the universal superposition method and the N-M correlation curve.

Keywords:high strength steel; SRC; eccentric compression; finite element analysis; equivalent rectangular

中圖分類號:TU398

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)06-0132-06

通信作者:楊怡亭，15117925700@163.com.

作者簡介:楊怡亭(1988—)，女，博士研究生;侯兆新(1963—)，男，教授級高工.

基金項目:國家自然科學基金(51408620)；

收稿日期:2015-09-23.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.021

國家科技支撐計劃項目(2012BAJ13B01).