異形鋼管再生混凝土柱抗震性能有限元研究與影響因素分析

黃幫友 朱凱 龔玉云

(金寨現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃建設(shè)環(huán)保局，安徽 六安 237300)(中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

異形鋼管再生混凝土柱抗震性能有限元研究與影響因素分析

黃幫友 朱凱 龔玉云

(金寨現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃建設(shè)環(huán)保局，安徽 六安 237300)(中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710065)(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

為研究T形鋼管再生混凝土柱在不同影響因素下的滯回性能，以再生骨料取代率為變化參數(shù)，進行了3根試件的有限元模擬分析?；谝呀⒌哪Ｐ停M行了軸壓比、含鋼率及鋼材強度為參數(shù)的有限元分析。根據(jù)模擬得到滯回曲線和骨架曲線，分析了設(shè)計參數(shù)對位移延性系數(shù)、承載力、剛度和耗能能力等抗震指標(biāo)的影響。研究結(jié)果表明，T形鋼管再生混凝土柱的滯回曲線較為飽滿，從梭形逐步發(fā)展到弓形；隨著再生骨料取代率的增大，柱的極限承載力和塑性變形能力有所下降，但影響較??；隨著軸壓比的提高，柱的極限承載力減小，延性變差；隨著含鋼率的增高，柱的水平承載力和變形能力提高；鋼材強度的提高對柱的抗震能力起到有益作用；基于結(jié)構(gòu)滯回性能指標(biāo)的要求，T形鋼管再生混凝土柱可用于實際工程的需要。

T形鋼管再生混凝土柱；抗震性能；變化參數(shù)；有限元分析

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管結(jié)構(gòu)而發(fā)展起來的一種新型的鋼混組合結(jié)構(gòu)，因其優(yōu)越的抗震性能在世界各地都得到了廣泛的運用。而異形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是指將鋼管截面做成異形，如L、T、十字形等，再在內(nèi)部填充混凝土而得到的一種結(jié)構(gòu)形式。異形結(jié)構(gòu)可通過巧妙的布局避免房間出現(xiàn)棱角，增加使用面積，在高層住宅結(jié)構(gòu)中具有廣闊的發(fā)展前景，但該類結(jié)構(gòu)形式對內(nèi)部核心混凝土的約束作用較常見的方形、圓形截面柱要復(fù)雜。再生混凝土技術(shù)[1～3]的興起可解決大量城市建筑垃圾，將再生混凝土填充至異形截面鋼管柱中可形成異形再生混凝土結(jié)構(gòu)。所以，研究該類結(jié)構(gòu)形式的抗震性能對推動該類結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用具有十分迫切的現(xiàn)實意義。

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對圓形、方形等常見截面形式的再生鋼管混凝土柱及異形鋼管混凝土柱進行了大量研究，張向?qū)萚4，5]、陳宗平等[6]、張銳等[7]、張震等[8]對常見截面形式的圓形、方形鋼管再生混凝土柱進行了試驗研究。周海軍等[9]、林震宇等[10]、張繼承等[11]對異形鋼管混凝土柱的滯回性能做了試驗和理論研究。研究成果較少涉及到T形再生混凝土柱在低周反復(fù)荷載下的滯回性能研究，尤其是不同設(shè)計參數(shù)對T形鋼管再生混凝土柱抗震性能指標(biāo)(如位移延性系數(shù)、承載力、剛度和耗能能力等)影響規(guī)律的研究尚未檢索到有關(guān)報道。

為此，筆者基于已完成的有限元分析[12]，定量地分析了不同的變化參數(shù)，如再生骨料取代率、軸壓比、含鋼率及鋼材強度等對各項抗震性能指標(biāo)的影響規(guī)律，以期為異形鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其實際工程中推廣應(yīng)用提供理論參考[13，14]。

圖1 T形柱尺寸示意圖

1 異形截面柱概況

有限元模擬時，共設(shè)計了3根試件，編號分別為試件TZ-1、TZ-2、

TZ-3，其再生骨料取代率分別為0%、50%、100%。T形鋼管選取文獻[15]的構(gòu)造模式，即T形鋼管是由200mm×100mm×4mm矩形鋼管與100mm×100mm×4mm的U形鋼板組合，中間采用角焊縫焊接而成。T行鋼管內(nèi)部填充C40混凝土，柱的有效高度為1000mm，設(shè)計軸壓比為0.4，T形柱尺寸示意圖如圖1所示。

2 有限元分析結(jié)果

選取合適的本構(gòu)關(guān)系和破壞準則后，利用有限元模型對3根試件進行計算，得出3根試件在低周反復(fù)荷載下荷載-位移關(guān)系曲線，也稱滯回曲線，如圖2所示。圖中，Δ表示位移，P表示荷載。

圖2 滯回曲線

由圖2可知，對于再生骨料取代率為參數(shù)變化的試件TZ-1～TZ-3，其滯回曲線和普通鋼管混凝土柱試驗得到的滯回曲線相似，且3者滯回曲線相互差別不大，表明再生骨料取代率對柱滯回曲線影響不大，進而表現(xiàn)為再生骨料取代率對柱抗震性能影響較小。各試件的滯回曲線都比較飽滿，對稱性好，無捏縮現(xiàn)象。滯回環(huán)形狀從梭形逐步發(fā)展到弓形，耗能能力好，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

3 設(shè)計參數(shù)影響分析

定量分析各設(shè)計參數(shù)對位移延性系數(shù)、特征點承載力、特征點剛度的影響，因試件承載力下降至極限荷載的85%視為已破壞，故破壞點承載力均一致，即不予分析。僅分析設(shè)計參數(shù)對屈服和極限承載力的影響，設(shè)計參數(shù)軸壓比、含鋼率和鋼材強度分析均是建立在再生骨料取代率為50%的基礎(chǔ)上。

3.1 再生骨料取代率

1)取代率對位移延性系數(shù)的影響 T形柱在不同再生骨料取代率下的位移延性系數(shù)如圖3所示，由圖3可知，所選的再生骨料取代率0%、50%、100%范圍內(nèi),各試件的位移延性系數(shù)在3.18～3.36。其中取代率為0%的試件TZ-1位移延性系數(shù)最大，隨著再生骨料取代率的增大，其位移延性系數(shù)逐漸下降，降幅有5.36%，降幅較小，說明位移延性系數(shù)隨著再生骨料取代率的增加變化不明顯?；诮Y(jié)構(gòu)對延性的要求指標(biāo)而言，3根異形柱的位移延性系數(shù)均大于3.0，滿足要求，表明不同再生骨料取代率下的T形截面鋼管再生混凝土柱均可用于承重結(jié)構(gòu)中。

2)取代率對特征點承載力影響 T形柱承載力隨再生骨料取代率的變化情況如圖4所示，由圖4可知，隨著再生骨料取代率的增加，相對于試件TZ-1，T形柱屈服時TZ-2和TZ-3承載力變化幅度分別為1.77%和5.03%，到達極限承載力時變化幅度分別為5.89%和10.99%。總體看來，變化幅度不大，說明不同再生骨料取代率下T形柱特征點承載力表現(xiàn)穩(wěn)定，無明顯突變異常。同試件TZ-1相比，TZ-2、TZ-3特征點承載力較之有輕微下降，但下降幅度較小。從實際工程角度來看，試件TZ-2極限承載力較試件TZ-1下降了5.89%，接近工程上對誤差的容許范圍5%。因此，50%再生骨料取代率下T形鋼管再生混凝土柱可做為框架結(jié)構(gòu)的承重柱。

圖3 位移延性系數(shù)μ隨取代率的變化情況 圖4 承載力隨取代率的變化情況

3)取代率對特征點等效黏滯阻尼系數(shù)的影響 采用等效黏滯阻尼系數(shù)he來評估T形柱耗能能力，各試件在不同階段的等效黏滯阻尼系數(shù)he隨取代率變化情況如圖5所示。

由圖5可知，試件TZ-1、TZ-2、TZ-3在屈服點時的等效黏滯阻尼系數(shù)分別為0.161、0.145、0.132，在峰值點時分別為0.252、0.235、0.221，破壞點時分別為0.481、0.472、0.461。隨著再生骨料取代率的變化，T形柱在不同階段的等效黏滯阻尼系數(shù)he變化幅度極小，說明增加再生骨料對T形柱耗能能力不產(chǎn)生明顯的影響。試件TZ-1～TZ-3破壞時的等效黏滯阻尼系數(shù)在0.461～0.481，遠高于鋼筋混凝土柱及型鋼混凝土柱破壞時所能達到的等效黏滯阻尼系數(shù)。基于實際工程中對結(jié)構(gòu)耗能能力的需求，不同再生骨料取代率下T形截面鋼管再生混凝土柱可以滿足實際工程的需要，能在實際工程中予以運用。

4)取代率對剛度的影響 選取屈服、極限、破壞階段為研究對象，用割線剛度來描述各試件在不同階段的剛度值，剛度隨取代率的變化情況如圖6所示。由圖6可知，相對于試件TZ-1，隨著再生骨料取代率的提高，試件TZ-2、TZ-3在屈服點的剛度分別提高3.65%、7.62%，在峰值點的剛度分別提高-5.85%、-10.58%，在破壞點的剛度分別提高-5.66%、2.22%。所有變化幅度均較小，不同階段剛度對再生骨料取代率并不敏感。從實際工程角度來看，基于剛度需求，不同再生骨料取代率下的T形鋼管再生混凝土柱可以在實際工程中使用。

圖5 等效黏滯阻尼系數(shù)he隨取代率的變化情況 圖6 剛度隨取代率的變化情況

3.2 軸壓比

1)軸壓比對位移延性系數(shù)的影響 軸壓比對位移延性系數(shù)的影響情況如圖7所示，由圖7可知，軸壓比從0.4增加到0.6，位移延性系數(shù)從3.26下降至3.01，說明隨著軸壓比的提高，T形柱的延性性能逐漸下降，但下降幅度較小，最大降幅僅7.67%，且位移延性系數(shù)均大于3.0，滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防對延性的需求。因此，在現(xiàn)有的軸壓比變化范圍內(nèi)，位移延性系數(shù)隨著軸壓比的提高，變化不大，略有下降。

2)軸壓比對特征點承載力的影響 承載力隨軸壓比變化情況如圖8所示，由圖8可知，相對于軸壓比0.4的試件，軸壓比0.5、0.6的試件屈服荷載較之上升了2.31%、6.67%，極限荷載較之下降了4.25%、7.72%。軸壓比對試件屈服時承載力影響不顯著，但對極限承載力影響較為明顯。隨著軸壓比的增大，試件極限承載力隨之減小。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于軸壓比越大，二階效應(yīng)越明顯，其損傷加劇，導(dǎo)致承載力下降較快。

圖7 位移延性系數(shù)μ隨軸壓比的變化情況 圖8 承載力隨軸壓比的變化情況

3)軸壓比對特征點剛度的影響 剛度隨軸壓比的變化情況如圖9所示，由圖9可知，相對于軸壓比最小為0.4的試件TZ-1，軸壓比分別為0.5、0.6的試件TZ-2、TZ-3在不同階段的剛度均較試件TZ-1有所下降。其中，試件TZ-2在屈服點、峰值點時剛度較試件TZ-1下降了1.99%、4.76%，試件TZ-3在屈服點、峰值點時剛度較試件TZ-1下降了3.84%、3.89%。從總體上看來，隨著軸壓比的提升，特征點剛度逐漸降低，剛度隨著軸壓比的變化而表現(xiàn)的略微敏感。

3.3 含鋼率

1)含鋼率對位移延性系數(shù)的影響 不同鋼管壁厚對應(yīng)著不同的含鋼率，位移延性系數(shù)隨鋼管壁厚變化情況如圖10所示，從圖10可知，當(dāng)壁厚分別為4、5、6mm時，其位移延性系數(shù)相差較小，基本接近。說明在現(xiàn)有壁厚變化范圍內(nèi)，因為壁厚增大而帶來的位移延性系數(shù)的提高并不明顯。這主要是因為壁厚越大，試件屈服位移增大，而破壞位移增加不明顯所導(dǎo)致，且壁厚越大的試件后期變形能力并非很突出。但3者位移延性系數(shù)都大于3.0，說明在研究的壁厚范圍內(nèi)，其延性性能滿足結(jié)構(gòu)的要求。

圖9 剛度隨軸壓比的變化情況 圖10 位移延性系數(shù)μ隨壁厚的變化情況

2)含鋼率對特征點承載力的影響 不同壁厚下對特征點承載力影響情況如圖11所示，由圖11可知，壁厚為5、6mm的試件在屈服點承載力較壁厚4mm的試件分別提高了23.42%、48.03%，在峰值點承載力較壁厚4mm試件分別提高了21.35%、44.94%?？梢姡S著含鋼率的增大，試件在不同階段的承載力也隨之大幅度提高。這是因為鋼管越厚，對內(nèi)部核心混凝土約束作用越強，組合結(jié)構(gòu)能更好發(fā)揮其受力性能，故其承載力提高程度更大。

3)含鋼率對特征點剛度的影響 不同壁厚下對特征點剛度影響情況如圖12所示，由圖12可知，相對于壁厚4mm的試件，壁厚5、6mm的試件在屈服點的剛度分別提高了14.53%、27.38%，在峰值點分別提高了20.85%、43.70%，在破壞點分別提高了14.07%、22.34%，說明壁厚的優(yōu)勢在試件不同階段都得到了體現(xiàn)。需要注意的是，破壞點的剛度在峰值點之后下降十分明顯，這是因為在加載后期，試件接近破壞時，鋼管和核心混凝土產(chǎn)生分離，鋼管鼓曲變形嚴重，壁厚優(yōu)勢喪失，故試件破壞時，剛度有大幅度降低。

圖11 承載力隨含鋼率的變化情況 圖12 剛度隨含鋼率的變化情況

3.4 鋼材強度

圖13 位移延性系數(shù)μ隨鋼材強度的變化情況

1)鋼材強度對位移延性系數(shù)的影響 不同鋼材強度對位移延性系數(shù)的影響如圖13所示，由圖13可知，鋼材等級Q345、Q390試件較Q235試件的位移延性系數(shù)分別提高了5.83%、11.04%，即隨著鋼材等級的提高，位移延性系數(shù)也隨之提高，鋼材等級越高，提高程度越大。這是因為鋼材等級越高，其屈服強度越大，鋼管對核心混凝土的約束作用越強，其組合整體具有更好的協(xié)同工作能力。

2)鋼材強度對特征點承載力的影響 不同階段承載力隨鋼材強度的變化情況如圖14所示，由圖14可知，隨著鋼材強度的提升，試件在屈服、峰值、破壞階段的承載力都隨之提高。其中，鋼材等級Q345、Q390試件承載力較鋼材等級Q235在屈服點分別提高了12.51%、27.46%，在峰值點分別提高了15.17%、31.23%。且鋼材強度越大，承載力提升程度越大，這主要還是得益于其強度越大，約束作用越大。

3)鋼材強度對特征點剛度影響 試件在不同階段的剛度隨鋼材強度的變化情況如圖15所示，由圖15可見，鋼材等級Q345、Q390試件剛度較鋼材等級Q235在屈服點分別提高了5.68%、14.76%，在峰值點分別提高了14.70%、27.43%，在破壞點分別提高了2.23%、3.40%。即隨著鋼材等級的提高，試件的剛度也逐漸增大，但增加幅度各不相同。其中，在屈服點和峰值點時增加較為明顯，在破壞點時增加幅度很小。

圖14 承載力隨鋼材強度的變化情況 圖15 剛度隨鋼材強度的變化情況

4 結(jié)論

以再生骨料取代率為變化參數(shù)，選取0%、50%、100%這3種不同的取代率下的T形截面鋼管再生混凝土柱進行了基于有限元的模擬分析。再在已建立模型的基礎(chǔ)上，改變設(shè)計參數(shù)，研究了軸壓比、含鋼率、鋼材強度對抗震性能的影響，得到了這4種設(shè)計參數(shù)對T形柱承載力、延性、剛度等抗震性能指標(biāo)的影響規(guī)律。

1)T形鋼管再生混凝土柱在不同再生骨料取代率下的滯回曲線均十分飽滿，無明顯捏縮現(xiàn)象，從梭形逐步發(fā)展到弓形，穩(wěn)定性能好。

2)不同再生骨料取代率對試件的位移延性系數(shù)、承載力、剛度及耗能能力影響不大，說明不同再生骨料取代率對T形鋼管再生混凝土柱的抗震性能影響很小?；诳拐鹦阅苤笜?biāo)的要求，將T形鋼管再生混凝土柱用于工程中承重結(jié)構(gòu)是可靠和有效的。

3)軸壓比的提高對T形鋼管再生混凝土柱極限荷載過后的承載力下降過程影響較明顯，軸壓比的提高對極限承載力和延性不利；含鋼率的優(yōu)勢在延性上表現(xiàn)不明顯，但對承載力的提高影響顯著；鋼材強度提高對T形柱承載力和延性性能有益，含鋼率和鋼材強度的提高能提升T形柱的抗震性能。

4)基于抗震性能設(shè)計的需求，T形鋼管再生混凝土柱各項抗震性能指標(biāo)都滿足要求，其抗震性能優(yōu)越，可在抗震設(shè)防區(qū)推廣使用。

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[編輯] 計飛翔

2017-01-18

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計劃項目(2014-K2-021)。

黃幫友(1990-)男，工程師，現(xiàn)主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震方面的研究工作。

朱凱(1990-)男，碩士，現(xiàn)主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震方面的研究工作，1879025407@qq.com。

TU398.9

A

1673-1409(2017)09-0048-06

[引著格式]黃幫友,朱凱,龔玉云.異形鋼管再生混凝土柱抗震性能有限元研究與影響因素分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2017,14(9)：48～53.