大長寬比鋼骨混凝土短柱腹板栓釘配置數(shù)值模擬

張春雷， 王初翀， 唐麗娜

(四川省建筑設(shè)計研究院， 四川成都 610000)

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大長寬比鋼骨混凝土短柱腹板栓釘配置數(shù)值模擬

張春雷， 王初翀， 唐麗娜

(四川省建筑設(shè)計研究院， 四川成都 610000)

采用Abaqus有限元分析軟件對某工程大長寬比鋼骨混凝土短柱腹板栓釘配置進行數(shù)值模擬。選擇鋼骨腹板兩側(cè)不同栓釘構(gòu)造方式的大長寬比鋼骨混凝土短柱，對數(shù)值模擬結(jié)果進行分析，得到大長寬比鋼骨混凝土短柱腹板栓釘布置的依據(jù)。為大長寬比鋼骨混凝土短柱的栓釘設(shè)置提供一定的參考依據(jù)。

Abaqus；大長寬比；鋼骨混凝土；短柱；栓釘；數(shù)值模擬

1　問題的提出

國內(nèi)高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)大量使用鋼骨混凝土柱，并且在實際工程實踐中，鋼骨混凝土柱常在某一方向上的尺寸受到限制，出現(xiàn)大長寬比矩形截面鋼骨混凝土柱，柱中也常采用大長寬比的鋼骨，導(dǎo)致長方向無側(cè)向鋼板約束的鋼骨腹板較長，實際工程中為保證鋼骨與混凝土有效協(xié)同工作，常在鋼骨腹板兩側(cè)布置栓釘。然而，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》僅對房屋的底層、頂層、鋼骨柱與鋼筋混凝土柱過渡層中的鋼骨提出了設(shè)置栓釘?shù)囊?；《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》僅對柱腳、過渡層、鋼骨與混凝土間傳力較大部位提出了設(shè)置栓釘?shù)囊?。兩本?guī)程均未對大長寬比鋼骨無側(cè)向約束較長的鋼板是否需要層層設(shè)置栓釘、以及栓釘間距如何設(shè)置做出明確規(guī)定。

但是，《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于鋼骨混凝土柱承載力計算均按鋼骨部分和鋼筋混凝土部分分別計算，并未考慮鋼骨和鋼筋混凝土界面的不同。是否可以據(jù)此猜想：對于這種大長寬比鋼骨無側(cè)向約束較長的鋼板如果不布置栓釘，其承載力仍然可以滿足規(guī)程的要求；鋼骨腹板兩側(cè)栓釘布置的疏密對鋼骨混凝土柱抗震性能沒有影響。因此，本文針對上述兩個問題，采用Abaqus有限元分析軟件對鋼骨腹板采用不同栓釘布置方案的大長寬比鋼骨混凝土短柱的非線性行為進行數(shù)值模擬，對比研究鋼骨腹板布置和不布置栓釘對鋼骨混凝土柱承載力的影響、以及研究鋼骨腹板布置栓釘?shù)拈g距對鋼骨混凝土柱承載力的影響。

Abaqus有限元分析軟件在求解非線性問題時具有非常明顯的優(yōu)勢，計算精度可靠，計算效率很高；其求解器是智能化的求解器，可以解決其它軟件不收斂的非線性問題；擁有一個豐富的材料模型庫和單元庫，除了許多常用的材料和單元，還包括為特殊應(yīng)用而開發(fā)的材料和單元，提供極大的建模便利。本文選擇的Abaqus有限元分析軟件能很好地平衡計算精度與效率、收斂性、材料本構(gòu)較少這些有限元分析較為常見的問題。

本文主要是應(yīng)用Abaqus有限元軟件對鋼骨腹板采用不同栓釘布置方案的大長寬比鋼骨混凝土短柱的非線性行為進行數(shù)值模擬，并根據(jù)分析結(jié)果對這類構(gòu)件的栓釘設(shè)計給出建議。

2　Abaqus有限元軟件介紹

Abaqus是一套功能強大的工程模擬有限元軟件，其解決的問題從線性分析到復(fù)雜的非線性問題。Abaqus包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫，并擁有各種類型的材料模型庫。作為通用的模擬工具，Abaqus能解決大量建筑結(jié)構(gòu)工程問題。目前，該程序較好地模擬了包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜建筑工程和試驗項目，證明其具有較好的非線性數(shù)值模擬精度。

2.1混凝土的本構(gòu)關(guān)系

Abaqus中提供了3種混凝土本構(gòu)模型：(1)損傷塑性模型(Plasticity damage)，(2)彌散開裂模型(Smeared crack)，(3)脆性開裂模型(Brittle cracking)。本文采用混凝土損傷塑性模型來模擬混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系，損傷塑性模型適用于模擬構(gòu)件在往復(fù)荷載作用下混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系，并且能夠考慮材料在往復(fù)荷載作用下的損傷、裂縫開展、裂縫閉合及剛度恢復(fù)等行為。

本文混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄C.2.3～C.2.4中的公式描述?；炷翐p傷塑性模型中，分別用受拉損傷因子和受壓損傷因子來模擬由損傷引起的彈性剛度退化。其滯回準(zhǔn)則由損傷因子d和損傷恢復(fù)系數(shù)w共同決定。其中損傷因子d是應(yīng)力狀態(tài)和損傷演化參數(shù)dc和dt的函數(shù)。目前，關(guān)于混凝土損傷塑性模型中損傷因子的計算方法已有較多的研究，本文采用ABAQUS用戶手冊中提供的損傷因子計算模型：

(1)

式中：st，sc為應(yīng)力狀態(tài)的剛度恢復(fù)函數(shù)，由以下方程定義：

(2)

(3)

拉伸損傷恢復(fù)系數(shù)wt和壓縮損傷恢復(fù)系數(shù)wc的值為1時，表示損傷后剛度完全恢復(fù)；值為0時表示損傷后剛度不能恢復(fù)。

假定混凝土材料的非彈性應(yīng)變εin中塑性應(yīng)變εpl所占的比例為β，可求得損傷因子dk的計算公式：

(4)

式中：t，c分別代表拉伸和壓縮；β為塑性應(yīng)變與非彈性應(yīng)變的比例系數(shù)，受壓時取0.35～0.7，受拉時取0.5～0.95；εin為混凝土拉壓情況下的非彈性階段應(yīng)變。

2.2鋼材的本構(gòu)關(guān)系

鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想二折線模型，按下列公式確定：

(5)

式中：fy,r為鋼材的屈服強度代表值，其值可根據(jù)實際結(jié)構(gòu)分析需要分別取fy、fyk或fym；

fst,r為鋼材的極限強度代表值，其值可根據(jù)實際結(jié)構(gòu)分析需要分別取fst、fstk或fstm；

εy為與fy,r相應(yīng)的鋼材屈服應(yīng)變，可取fy,r/Es；

εu為與fst,r相應(yīng)的鋼筋峰值應(yīng)變；

k為鋼材硬化段斜率，k=(fst,r-fy,r)/(εu-εy)。

2.3單元類型選擇

Abaqus為用戶提供了大量的單元類型，可根據(jù)模型的實際情況和分析需要來選擇合適的單元類型進行計算。本次模型，混凝土單元與鋼骨單元類型均選擇為八結(jié)點線性六面體減縮積分單元，即C3D8R；鋼筋的單元類型選擇為二結(jié)點線性三維桁架單元，即T3D2。

3　不同栓釘布置方案的大長寬比鋼骨混凝土短柱的數(shù)值模擬

3.1模擬試件

本文選擇了3個大長寬比鋼骨混凝土短柱試件作為模擬對象，來考察相同條件下鋼骨腹板兩側(cè)不同栓釘配置的大長寬比鋼骨混凝土短柱的數(shù)值模擬效果。這3個構(gòu)件的詳細參數(shù)見表1所示。

表1　試件設(shè)計參數(shù)

3.2滯回曲線和骨架曲線

根據(jù)上述材料參數(shù)，各試件低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線和骨架曲線如圖1所示。

各試件低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線和骨架曲線對比如圖1所示。由圖1可以看出，所有構(gòu)件的滯回曲線都呈飽滿的梭形，表明均具有良好的抗震性能。均在位移荷載加載至10～15 mm后承載力開始下降。

3.3抗剪承載力

將Abaqus計算所得的各試件側(cè)向承載力進行對比，如表2所示。

表2　各試件數(shù)值模擬極限承載力對比　kN

從表2可以看出，模擬試件2的抗剪承載力最高。分析原因，可能是對于短柱，構(gòu)件剪切變形占主導(dǎo)地位，在加載初期混凝土與鋼骨之間相對滑移很小，栓釘能夠較好地限制混凝土與鋼骨之間的滑移，隨著加載位移增大和混凝土裂縫開展，栓釘?shù)拇嬖诓坏珱]有能夠有效地抑制裂縫開展，反而是裂縫充分發(fā)展。栓釘間距越密，鋼骨腹板表面與混凝土之間的削弱反而越嚴(yán)重，伴隨著接觸面裂縫的開展，這部分混凝土損傷加重，有效抗剪面積反而減少，導(dǎo)致其抗剪承載力隨著栓釘間距加密反而降低。

3.4塑性變形能力

3.4.1延性

各個試件數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示。

表3　延性系數(shù)對比　mm

由表3可知各試件的延性系數(shù)均大于3.0，表明試件具有良好的延性。

3.4.2層間位移角

試件滯回骨架曲線上推拉兩個方向的屈服位移△y、峰值位移△m和極限位移△u各自對應(yīng)的層間位移角θy、θm和θu，如表4所示。

模擬試件1、2和3的極限層間位移角均大于《高規(guī)》位移角限值1/100，表明模擬試件均具有良好的塑性變形能力。

4　與規(guī)范計算結(jié)果對比

由《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》要求，鋼骨混凝土柱斜截面受剪承載力，應(yīng)滿足：

(a)模擬試件1

(b)模擬試件1

(c)模擬試件2

(d)模擬試件2

(e)模擬試件3

(f)模擬試件3

(6)

(7)

其中：tw為鋼骨腹板厚度；hw為鋼骨腹板高度；(twhw應(yīng)

表4　層間位移角對比

計入與受剪方向一致的所有鋼骨板材的面積)，fssv為鋼骨腹板的抗剪強度設(shè)計值。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

其中：Ac為柱的截面面積；As為受拉縱筋面積；Ass為鋼骨面積。

按照式(6)～式(13)計算試件1～3抗剪承載力為376.2 kN，模擬試件極限抗剪承載力均大于按規(guī)程計算值，可見大長寬比鋼骨無側(cè)向約束較長的鋼板如果不布置栓釘，其承載力仍然可以滿足規(guī)程的要求。

5　結(jié)論

本文采用Aqaqus有限元軟件對鋼骨腹板采用不同栓釘布置方案的大長寬比鋼骨混凝土短柱的非線性行為進行數(shù)值模擬，通過對比數(shù)值模擬結(jié)果分析得到以下結(jié)論。

(1)大長寬比鋼骨無側(cè)向約束較長的鋼板如果不布置栓釘，其承載力仍然可以滿足規(guī)程的要求。

(2)大長寬比鋼骨無側(cè)向約束較長的鋼板兩側(cè)栓釘間距加密，其抗剪承載力反而降低。

[1]JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]YB 9082-2006 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]李俊華, 王國鋒, 邱棟梁. 帶栓釘連接件型鋼混凝土剪力傳遞性能研究[J]. 土木工程學(xué)報, 2012,45(12) : 75-82.

TU375.3

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[定稿日期]2016-07-11