方鋼管混凝土粘結(jié)滑移性能有限元分析

陳海濤 宋偉杰 鄧美旭 杜貽騰 李彥志 楊紅燕

(1山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)）；2山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院）

方鋼管混凝土粘結(jié)滑移性能有限元分析

陳海濤1,2宋偉杰1,2鄧美旭1,2杜貽騰1,2李彥志1,2楊紅燕1,2

(1山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東科技大學(xué)）；2山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院）

為研究方鋼管混凝土的粘結(jié)滑移性能通過ANSYS有限元軟件對4根方鋼管混凝土試件進(jìn)行推出試驗(yàn)的模擬分析，研究了試件的荷載-滑移（P-S）曲線及混凝土強(qiáng)度、長細(xì)比及鋼管內(nèi)表面是否除銹對界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響關(guān)系，研究結(jié)果表明：方鋼管混凝土典型的荷載-滑移曲線隨著試件長細(xì)比的增加逐漸由拐點(diǎn)變?yōu)槊黠@的峰值點(diǎn)；隨著長細(xì)比的增大界面粘結(jié)強(qiáng)度逐漸增大；核心受壓混凝土強(qiáng)度等級在C40以后，界面粘結(jié)強(qiáng)度逐漸增大；鋼管內(nèi)表面銹蝕等級為B級時比鋼管內(nèi)表面除銹的鋼管混凝土粘結(jié)強(qiáng)度要高兩倍多。

方鋼管混凝土；推出試驗(yàn)；粘結(jié)滑移；粘結(jié)強(qiáng)度

0 前言

近些年來，方鋼管與混凝土之間的界面滑移逐漸成了眾多學(xué)者關(guān)心的問題，方鋼管與混凝土能共同工作的基礎(chǔ)是兩者之間有可靠的粘結(jié)[1-3]。鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，其理論分析和試驗(yàn)研究都取得了顯著成果，但仍有關(guān)于鋼管混凝土粘結(jié)滑移方面的許多問題研究的不夠深入或者亟待解決[1]。較早的研究中大都是假定鋼管與混凝土之間沒有相對滑移，但由于兩種材料特性有差別，粘結(jié)作用是有極限的。隨著施加的荷載加大，逐漸地把鋼管混凝土界面的粘結(jié)作用突破，界面之間發(fā)生滑移。鋼管混凝土柱的力學(xué)性能會因?yàn)榻缑嬷g滑移的產(chǎn)生而受到影響，鋼管與混凝土之間的粘結(jié)作用主要由三部分構(gòu)成：鋼管壁與核心混凝土之間的化學(xué)膠結(jié)力、摩擦力、機(jī)械咬合力[4]。鋼管混凝土粘結(jié)滑移性能試驗(yàn)結(jié)果離散性較大、影響因素復(fù)雜多樣，某些研究成果還存在分歧[3,5]。

1 有限元模型建立

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了4個試件進(jìn)行有限元模擬，其中CFST10試件的鋼管內(nèi)壁的除銹等級為St2，其他試件鋼管內(nèi)壁銹蝕等級為B級。鋼管的橫截面寬度均為150mm，鋼管厚度均為5mm。試件CFST1、CFST2、CFST3的鋼管內(nèi)壁均進(jìn)行人工除銹，鋼管長度分別為400mm、600mm、800mm,混凝土強(qiáng)度分別為C30、C40、C50，此外CFST4試件的相關(guān)參數(shù)與CFST2相同，但CFST4試件的鋼管內(nèi)壁未進(jìn)行除銹，銹蝕度為B級，為了減少計(jì)算量，采用試件的1/4建模。

1.2 本構(gòu)模型

采用Solid65單元模擬混凝土，混凝土彈性模量為3.31×104，立方體抗壓強(qiáng)度為42.18MPa，泊松比為0.167。張開裂縫的剪力傳遞系數(shù)為0.5，單軸抗拉強(qiáng)度為3.04MPa，閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)為 0.9，將壓碎選項(xiàng)關(guān)閉，使分析計(jì)算的結(jié)果相對容易收斂。鋼管采用塊體Solid45單元，采用接觸單元來模擬鋼管與混凝土接觸面之間的粘結(jié)和滑移，選用接觸對Targe170與 Contal73單元。鋼管混凝土中采用面—面接觸模擬鋼管內(nèi)壁與混凝土的接觸。彈性模量根據(jù)混凝土棱柱體試塊的試驗(yàn)值選取，由于混凝土與鋼管共同作用，核心混凝土的本構(gòu)模型是選取韓林海教授[6]所建議的。

1.3 模擬方法

本計(jì)算分析模型中最小單元尺寸不小于 2cm，可以有效的避免應(yīng)力集中帶來的問題，同時考慮要得到計(jì)算精度和收斂速度的合理性，將計(jì)算分析模型中的單元尺寸全部取為2cm。

在進(jìn)行邊界加載時，要盡量保證與試驗(yàn)構(gòu)件的約束情況、加載裝置一致。在試驗(yàn)中試件的端部沒有蓋板，因此柱端橫截面處的平面自由度不能假定為固接。分析模型中柱的下端只約束鋼管的豎向自由度，在柱頂端只在混凝土頂面施加軸向荷載。

采用直接求解法對鋼管混凝土有限元模型中的函數(shù)方程進(jìn)行求解，為了模型能夠收斂，采取了以下幾個措施：使用牛頓—拉普森平衡迭代法則，將非線性迭代誤差控制在某個容許的范圍內(nèi)，確定以力為基礎(chǔ)的收斂準(zhǔn)則，容許誤差控制在2%以內(nèi)，平衡迭代次數(shù)最大為25，將自動時間步長及線性搜索選項(xiàng)選中[7]。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 荷載滑移曲線

有限元計(jì)算可得各試件的荷載-滑移（P-S）曲線，由各試件曲線的相關(guān)數(shù)據(jù)可知：鋼管混凝土達(dá)到破壞的極限粘結(jié)荷載之前，荷載-滑移（P-S）曲線呈線性關(guān)系，荷載-滑移（P-S）曲線發(fā)展緩慢，滑移量較小，當(dāng)荷載越過極限滑移荷載后，曲線呈現(xiàn)明顯的非線性變化，速度非?？?。當(dāng)外荷載P增加到極限荷載值的10%左右鋼管混凝土界面產(chǎn)生明顯滑移，當(dāng)接近粘結(jié)破壞荷載時，P-S曲線出現(xiàn)不同的情況，一種是不出現(xiàn)峰值點(diǎn)但曲率明顯變化的拐點(diǎn)（如CFST1、CFST2）之后，P-S曲線呈平穩(wěn)上升趨勢；另一種是出現(xiàn)峰值點(diǎn)后荷載迅速下降一段，然后荷載再緩慢上升，滑移增長迅速（如CFST3、CFST4），P-S曲線呈平穩(wěn)上升趨勢。方鋼管混凝土試件的荷載-滑移曲線隨著長細(xì)比的增加逐漸由有拐點(diǎn)變?yōu)橛忻黠@的峰值點(diǎn)。這個峰值點(diǎn)或拐點(diǎn)對應(yīng)的時刻就是整個鋼管混凝土界面粘結(jié)應(yīng)力發(fā)生破壞的時刻，把此時對應(yīng)的荷載定義為極限荷載PU[4]。

當(dāng)試件厚度相同時，試件的長度對極限荷載PU產(chǎn)生很大影響，并隨著其增大而增大。通過分析認(rèn)為，極限荷載PU和極限粘結(jié)應(yīng)力界面上出現(xiàn)粘結(jié)應(yīng)力面積的積分相等，試件長度越大，核心混凝土和鋼管界面出現(xiàn)粘結(jié)應(yīng)力的面積也大，所以可以承受的極限荷載PU也相應(yīng)增大，這與趙鴻鐵教授的試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2 鋼管與混凝土的等效應(yīng)力云圖

根據(jù)各試件的Von. Mises應(yīng)力云圖，觀察在最大荷載處混凝土和鋼管的應(yīng)力狀態(tài)可知，鋼管的Von.Mises等效應(yīng)力由加載端向留有空隙一端逐漸增大，隨著試件長度的加大最大等效壓應(yīng)力有所增加，由加載端向留有空隙一端，混凝土的等效應(yīng)力逐漸變小。在整個推出過程中鋼管和混凝土始終處于彈性階段,并且在混凝土被推出的過程中，荷載由混凝土通過粘結(jié)作用傳遞給鋼管。

2.3 影響因素分析

混凝土強(qiáng)度對界面平均粘結(jié)強(qiáng)度有一定的影響，在混凝土等級在C40之前，粘結(jié)強(qiáng)度隨著混凝土強(qiáng)度等級的增大而減小，在混凝土強(qiáng)度等級在C40之后，粘結(jié)強(qiáng)度隨著混凝土等級的增大而增大。在長細(xì)比不是很大時，粘結(jié)強(qiáng)度隨著長細(xì)比的增大而增大，長細(xì)比為13.86時，平均粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到峰值點(diǎn)，之后隨著長細(xì)比增大，粘結(jié)強(qiáng)度有下降的趨勢，其他條件相同，鋼管內(nèi)壁不除銹的試件（CFST4）與鋼管內(nèi)壁除銹試件（CFST2）相比，其粘結(jié)破壞荷載要大的多，大約在2.1倍左右，所以鋼管內(nèi)壁是否除銹對鋼管混凝土的粘結(jié)滑移性能有重要影響。

3 結(jié)論

1）方鋼管混凝土典型的荷載-滑移曲線為兩種，且隨著試件長細(xì)比的增加逐漸由拐點(diǎn)變?yōu)槊黠@的峰值點(diǎn)。

2）隨著長細(xì)比的增大界面粘結(jié)強(qiáng)度逐漸增大，核心受壓混凝土強(qiáng)度等級在C40以后，界面粘結(jié)強(qiáng)度逐漸增大；

3）鋼管內(nèi)表面銹蝕等級為B級時比鋼管內(nèi)表面除銹的鋼管混凝土粘結(jié)強(qiáng)度要高兩倍多。

[1]陳麗華,戴吉祥,婁宇.鋼管混凝土粘結(jié)性能研究綜述分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2016,46(22)：78-83.

[2]康希良,程耀芳,張麗.鋼管混凝土粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系理論分析[J].工程力學(xué),2009,26(10)：74-78.

[3]許開成,畢麗蘋,陳夢成.鋼管混凝土界面黏結(jié)應(yīng)力-滑移本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2015,36(增刊)：407-412.

[4]蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(修訂版)[M].北京：人民交通出版社,2007：230-251.

[5]Xiushu Qu,Zhihua Chen,David A. Nethercot b.Load-reversed push-out tests on rectangular CFST columns[J]. 81(2013)：35-43.

[6]韓林海,楊有福.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)(第二版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007：263-269.

[7]鋼管混凝土粘結(jié)滑移性能的理論分析及ANSYS程序驗(yàn)證

TU398

A

1007-6344（2017）09-0261-01