帶約束拉桿L形方鋼管混凝土組合異形柱的受力研究

吳邦睿，楊秀榮，樊 成

(大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 遼寧 大連 116622)

帶約束拉桿L形方鋼管混凝土組合異形柱的受力研究

吳邦睿，楊秀榮，樊 成

(大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 遼寧 大連 116622)

為研究對拉約束拉桿對組合柱性能的影響，針對L形組合異形柱設(shè)置不同類型的約束拉桿、不同強度材料等進行數(shù)值模擬，對比該類型下的相應(yīng)試驗結(jié)果，分析驗證了對拉約束拉桿對L形組合異形柱的性能改善作用，得到了對拉約束在柱延性及承載力方面的積極影響效果。最后基于線性回歸分析的理論計算方法表現(xiàn)出了和數(shù)值結(jié)果較高的一致性，建立了具有較高參考價值的帶約束拉桿的組合異形柱承載力計算公式。

組合柱；鋼管混凝土；有限元分析；延性

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以其良好的力學(xué)性能和低廉的造價等優(yōu)點，自問世以來極大地推動了建筑行業(yè)的發(fā)展。隨著近些年建筑對空間和美觀的要求越來越重視，純粹的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足新的建筑標(biāo)準(zhǔn)，一種新型的建筑形式：組合異形柱應(yīng)運而生[1-2]。近年來，組合異形柱以靈活的截面形式以及較高的承載能力[3]，獲得了廣泛的市場認(rèn)可，該結(jié)構(gòu)形式在空間布置、結(jié)構(gòu)承載性能、施工技術(shù)應(yīng)用等方面嶄露頭角[4-6]。

組合異形柱具有不同的截面形式，具有很多令人稱道的優(yōu)點[7]，但單肢柱中鋼管和混凝土的協(xié)同工作一直備受詬病[8-9]。其單肢柱中鋼管對混凝土的約束作用主要集中在角部，周邊較低，因此導(dǎo)致承載能力相應(yīng)降低[10-11]。

改善這一問題，可促進鋼管與混凝土的協(xié)同作用進而提高組合柱的性能。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，在混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋和混凝土正是因為較好的協(xié)同工作性而被廣泛使用[12-13]，因此筆者設(shè)想在單肢柱中相應(yīng)的距離，設(shè)置采用鋼筋制作的對拉約束拉桿，對拉拉桿采用螺栓形式與鋼管連接成為整體。本文針對采用對拉約束拉桿后的L形組合異形柱進行分析驗證。

1 試件及有限元模型設(shè)計

帶約束組合異形柱不同于一般的混凝土柱，其單肢柱為內(nèi)部填充混凝土配合外部鋼管，并采用對拉拉桿提高核心混凝土與鋼管的協(xié)同工作性能，其本構(gòu)關(guān)系亦不相同[14]。蔡健等[15]人采用側(cè)向等效應(yīng)力概念，提出了軸壓作用下帶約束混凝土的本構(gòu)關(guān)系。本文根據(jù)該本構(gòu)關(guān)系建立了有限元模型。

1.1 試件設(shè)計

基于該課題的相關(guān)研究成果[16]，結(jié)合傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式(見圖1)，設(shè)置約束拉桿(見圖2(c))，建立L形方鋼管混凝土組合異形柱。

圖1 柱截面布置

約束混凝土選用八節(jié)點六面體線性減縮積分實體單元(C3D8R)，鋼管和綴條采用四節(jié)點四邊形應(yīng)變線性減縮積分殼單元(S4R)，約束拉桿采用桿單元(T2)，混凝土與鋼管采用的是摩擦硬接觸，摩擦系數(shù)為0.6，鋼管與綴條、約束拉桿之間建立“Tie”關(guān)系。

其中，各組成部分和整體三維有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

1.2 試件材料參數(shù)

本實驗中鋼管與柱間連接綴條采用Q235B鋼材，綴條與鋼管采用焊接連接，焊條使用E43系列。柱內(nèi)約束拉桿采用HRB335鋼筋，與鋼管使用螺栓進行連接。柱構(gòu)件在澆筑混凝土后置于20℃±2℃，濕度為95%RH條件下養(yǎng)護28 d。某些材料的相關(guān)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 鋼材料參數(shù)

表2 混凝土力學(xué)參數(shù)

1.3 邊界條件及荷載的施加

帶約束拉桿L形方鋼管混凝土組合異形柱長柱構(gòu)件的底面節(jié)點三向鉸接，頂面節(jié)點的兩向自由鉸接，使柱子處于兩端鉸接的約束狀態(tài)，在構(gòu)件頂部形心處施加負(fù)向位移。

2 數(shù)值模擬結(jié)果驗證

通過有限元計算分析，將試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與模擬的數(shù)值進行對比分析結(jié)果見圖3，由圖3可以看出，試驗值前期上升過程起步較快，在早期相同應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力較大，達(dá)到峰值后平緩下降。ABAQUS模擬的數(shù)值結(jié)果早期相同應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變大于試驗值，后期應(yīng)變程度反而略小于試驗值?？傮w來說，兩者峰值大小基本相同，達(dá)到57 MPa左右，試驗值和計算值都說明采用對拉約束后承載力得到相應(yīng)提高；二者曲線的整體走向也十分相似，都有明顯的塑形變形階段，也展現(xiàn)出了較好的延性。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比圖

圖4為通過增加約束拉桿后L形方鋼管混凝土組合異形柱的承載力和延性改善曲線，該荷載-位移曲線顯示隨著荷載的增加形變相對原試驗結(jié)構(gòu)變形較小，承載力極限3 700 kN高于原結(jié)構(gòu)形式，且此時的豎向位移4 mm也小于原試驗形變。由此可知增加約束拉桿可以有效改善柱子的力學(xué)性能。

圖4 荷載-位移曲線

3 影響異形柱力學(xué)性能對比分析

3.1 關(guān)于約束拉桿間距的對比分析

分別對不同間距的帶約束拉桿的L形方鋼管混凝土組合異形柱進行數(shù)值分析，可得荷載-應(yīng)變曲線，如圖5所示。

圖5 不同約束拉桿間距的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖5為不同間距的約束拉桿對荷載和應(yīng)變的影響曲線，其中HSC-A、HSC-E、HSC-F、HSC-G為不同的拉桿間距，A柱間距較大，G柱間距較小。由圖5中曲線可以得知，約束拉桿的間距越小其承載能力越高。同時，對比發(fā)現(xiàn)，間距越小的柱子形式，表現(xiàn)出了更好的變形能力，說明在L形組合柱中設(shè)置對拉約束可以有效改善柱子變形能力，提高柱子延性。

3.2 關(guān)于混凝土抗壓強度的對比分析

混凝土的抗壓強度是影響柱子性能的一個重要參數(shù)，本文對不同的混凝土抗壓強度下柱的承載能力進行了數(shù)值模擬，得到曲線圖見圖6。

圖6 不同混凝土抗壓強度的極限承載力曲線

由圖6可以看出，隨著混凝土強度的提高，承載能力也相應(yīng)增大，該曲線近似為一條直線，由此可知該結(jié)構(gòu)形式下，隨著混凝土強度的提升結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)出較好的統(tǒng)一性。

3.3 關(guān)于鋼管屈服強度的對比分析

分別對不同鋼管屈服強度的帶約束拉桿L形方鋼管混凝土組合異形柱進行數(shù)值分析，如圖7所示。

圖7 不同鋼管屈服強度的極限承載力曲線

由圖7可以看出鋼管屈服強度和帶約束拉桿L形方鋼管混凝土組合柱的承載力成正比，其承載能力隨鋼管屈服強度的增加而增加。該因素對柱子的延性和Ec改變不大。

3.4 不同拉桿間距與極限承載力的關(guān)系

拉桿間距與極限承載力分析結(jié)果見圖8。由圖8可知，拉桿間距由50 mm增大為200 mm的過程中，柱子承載能力呈下降趨勢，隨著約束拉桿間距的增大，柱延性不斷減小，由此，設(shè)置對拉拉桿的確可以改善柱子延性。

圖8 約束拉桿間距的影響

4 帶約束拉桿L形組合短柱的承載力計算公式

結(jié)合文獻(xiàn)[1]，總結(jié)帶約束拉桿L形方鋼管混凝土組合異形柱的承載力公式：

Nu=fayAs+φcfckAc

(1)

式中：φc為核心混凝土抗壓強度提高系數(shù)；As為鋼管截面面積；Ac為核心混凝土截面面積。

考慮到拉桿約束系數(shù)ξ，混凝土抗壓強度fck，鋼管屈服強度fay，鋼管壁厚t以及截面尺寸b對混凝土抗壓強度均有不同程度的作用[17-18]。結(jié)合本文數(shù)值分析結(jié)果，可得到關(guān)于抗壓強度的影響因素φc公式：

φc=μcμaμtμb(1+3.168ξ)

(2)

式中：μc為混凝土抗壓強度fck修正系數(shù)；μa為鋼管屈服強度fay修正系數(shù)；μt為鋼管壁厚t修正系數(shù)；μb為截面尺寸b修正系數(shù)；as為約束拉桿的橫向間距；bs為約束拉桿的縱向間距；ξ為拉桿約束系數(shù)。

ξ=fyAs/fckasbs

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較如圖9所示，數(shù)值模擬的結(jié)果整體略高于計算結(jié)果，二者散點分布交錯融合，其各自相應(yīng)的趨勢線角度相差不大，基于以上分析說明計算結(jié)果和數(shù)值結(jié)果能較好吻合，數(shù)據(jù)表現(xiàn)良好。

圖9 約束拉桿間距的影響

5 結(jié) 論

(1) 通過對L形組合異形柱設(shè)置對拉拉桿約束，柱延性和承載力得到提高，表明對拉約束可以在一定程度上改善柱子的延性和承載能力，設(shè)置對拉約束的方式可以向類似的結(jié)構(gòu)構(gòu)件推廣應(yīng)用。

(2) 試驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果表明不同的約束拉桿間距會對柱的延性產(chǎn)生不同的作用效果，在間距相對較小時，提高延性表現(xiàn)較好。

(3) 本文對于對拉約束對延性和承載力的分析僅出于整體趨勢方向，筆者認(rèn)為該間距應(yīng)為一個有效的范圍，基于這方面的研究還需要更深入的試驗進行分析研究。

[1] 江見鯨.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[2] Popovics S. A numerical approach to the complete stress-strain curve of concrete[J]. Cement and Concrete Research, 1973,3(5):583-599.

[3] 廖祥盛.帶約束拉桿方形鋼管混凝土短柱抗震性能研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2014.

[4] 陳志華,杜顏勝,吳 遼,等.矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究綜述[J].建筑結(jié)構(gòu),2015,45(16):40-46，76.

[5] 王文博,王建偉.鋼管混凝土研究進展[J].工業(yè)建筑,2011(S1):332-334.

[6] 王文達(dá),朱彥鵬.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)[J].甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,29(3):113-117.

[7] 陳志華,榮 彬.L形方鋼管混凝土組合異形柱的軸壓穩(wěn)定性研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2009,39(6):39-42.

[8] 宋 力,楊秀榮.雙層高強箍筋約束高強混凝土不同截面柱的受力[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,35(12):1449-1453.

[9] 陳 葉,劉 忠,李 佩,楊龍剛.L形混凝土偏心受壓柱力學(xué)性能數(shù)值分析[J].水利與建筑工程學(xué)報,2016,14(3):167-171，225.

[10] 朱昌宏.帶約束拉桿方形和矩形截面鋼管混凝土短柱承載力與延性[D].廣州：華南理工大學(xué),2010.

[11] 陳蘭響,關(guān) 萍,劉晴晴.基于ABAQUS分析型鋼-圓鋼管混凝土的力學(xué)性能[J].水利與建筑工程學(xué)報,2015,13(2):15-19.

[12] 蔡 健,孫 剛.軸壓下帶約束拉桿L形鋼管混凝土短柱的試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2008,41(9):14-20.

[13] 李華鋼,蔡 健.帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱承載力計算[J].混凝土與水泥制品,2012(3):49-54.

[14] 陳蘭響.鋼骨—鋼管高強混凝土構(gòu)件的力學(xué)特性研究[D].大連：大連大學(xué),2016.

[15] 蔡 健,何振強.帶約束拉桿方形鋼管混凝土的本構(gòu)關(guān)系[J].工程力學(xué),2006,23(10):145-150.

[16] 龍躍凌,蔡 健.帶約束拉桿L形鋼管混凝土短柱軸壓性能的試驗研究[J]．華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,34(11):87-92.[17] 鄭展展.雙層箍筋約束混凝土圓形柱軸心受壓豎向承載特性研究及有限元模擬[D].贛州:江西理工大學(xué)，2012．[18] 王 鑫.異形鋼管混凝土組合柱力學(xué)性能研究[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué),2010.

Mechanical Performance Analysis of L Shaped Concrete-filled Square Steel Tubular Composite Columns with Restraint Bars

WU Bangrui, YANG Xiurong, FAN Cheng

(DepartmentofCivilandArchitectureEngineering,DalianUniversity,Dalian,Liaoning116622,China)

In this paper the influence of the tension constraint on the performance of composite columns is analyzed focusing on the L shaped column composed of binding bars with different types and different strength by numerical simulation, the results were compared with test results. The results show that the effect of the tension constraint on the performance improvement of the L shaped composite column could be derived from this method as well as the positive effect on the column ductility and bearing capacity. Finally the theoretical calculation method based on the linear regression analysis shows high consistency with the numerical results, and the calculation formula of the bearing capacity of the composite special-shaped columns with the constraint of the tie rod was developed.

combination column; concrete filled steel tube; finite element analysis; ductility

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.032

2017-02-01

2017-03-10

吳邦睿(1988—)，男，山東鄒城人，碩士研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)工程。 E-mail:wu0872@163.com

樊 成(1976—)，男，河北滄州人，博士，副教授，主要從事巖土及混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究工作。 E-mail: fan76cheng@163.com

TU398

A

1672—1144(2017)03—0157—04