方鋼管超高強混凝土短柱軸壓性能數值模擬分析

周凱凱，李 彪，徐 鵬

(1.武漢大學 土木建筑工程學院， 湖北 武漢 430000； 2.中國人民大學， 北京 100872)

超高強混凝土(UHSC)強度高，脆性大，在一定程度上限制了其工程應用?？朔浯嘈源蟮囊环N有效方法是將超高強混凝土灌入鋼管中，組成鋼管UHSC，充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點，有效改善脆性提高延性[1-2]。

綜上，目前對鋼管超高性能混凝土的研究主要集中在圓形截面，對方鋼管超高性能混凝土研究尚缺。本文采用ABAQUS建立方鋼管超高強混凝土軸心受壓短柱有限元模型，分析構件破壞全過程，研究混凝土強度、含鋼率及鋼材屈服強度對方鋼管超高強混凝土短柱軸心受力性能的影響。

1 有限元模型

1.1 材料本構關系

本模型由外部鋼管和內部混凝土兩部分組成。鋼材采用兩段式的理想剛塑模型(見圖1)，簡便易用、易收斂，且能較好地表達鋼管后期的強化效應[13]，其中強化段的模量可取值為0.01Es，Es為鋼材的彈性模量。超高強混凝土與普通混凝土及高強混凝土性能類似，普通的單軸應力-應變關系不能準確反映鋼管約束下核心混凝土的應力應變狀態(tài)，故核心混凝土采用韓林海本構關系模型[14]。

1.2 模型建立

在ABAQUS建模中，接觸面模型由法線方向的接觸和切線方向的粘結滑移兩方面組成。為了更好地模擬實際情況，鋼管與混凝土之間設置為完全接觸，法線方向采用“硬”接觸，切線方向采用庫侖摩擦模型[15-16]。

圖1鋼材本構模型

鋼管、混凝土均選用三維六面體八節(jié)點(C3D8R)實體單元，端板采用離散剛體單元。加載方式為位移控制模式，荷載施加在鋼管與混凝土上。同時，對柱底位移進行約束，僅釋放柱頂的軸向位移。模型網格的劃分對計算結果精度、計算效率等具有重要影響。一般情況下，在重點分析區(qū)域和應力集中區(qū)域加密種子，其他區(qū)域種子設置可相對稀疏。有限元計算模型如圖2所示。

圖2有限元計算模型

2 有限元結果分析

考慮核心混凝土強度、含鋼率、鋼材屈服強度三個因素對方鋼管超高強混凝土短柱軸壓性能的影響，建立13個方鋼管超高強混凝土短柱(L=300 mm)，有限元模型具體參數見表1。

2.1 受力全過程分析

圖3為方鋼管超高強混凝土軸壓短柱典型破壞模式，構件破壞時破壞形態(tài)呈腰鼓狀，均為強度破壞。所選典型構件參數為：鋼管屈服強度fy=460 MPa，混凝土軸心抗壓強度fc=120 MPa，鋼管截面外邊長B=100 mm,鋼管壁厚T=7 mm，構件高度L=300 mm。構件受力過程主要分為四個階段：彈性階段、彈塑性階段、下降階段、平穩(wěn)階段(見圖4)。

(1)OA段為彈性段。荷載-變形基本呈線性變化，比例極限荷載約為峰值荷載的90%，鋼材泊松比大于核心混凝土泊松比，鋼管和混凝土近似單獨受力。

表1 構件主要設計參數及承載

注：表中B表示試件截面外邊長，T表示鋼管壁厚，L表示試件的高度，α表示試件含鋼率，θ表示套箍系數，fy表示鋼材屈服強度，fc表示核心混凝土的軸心抗壓強度，Nu表示極限承載力。

圖3 典型破壞模式

圖4荷載-變形典型曲線

(2)AB段為彈塑性階段。鋼管進入彈塑性狀態(tài)，彈性模量不斷減小，核心混凝土微裂紋不斷擴展，產生塑性應變，鋼管與混凝土發(fā)生相互作用，且隨著泊松比不斷增大，鋼管對混凝土的套箍作用逐漸增強，核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，強度得到提高。

(3)BC段為下降段。B點是曲線的峰值點，在此階段，鋼管進入塑流狀態(tài)，鋼管壁局部發(fā)生屈曲，構件中部核心混凝土失去鋼管的套箍作用，核心混凝土被壓碎，荷載下降。由于超高強混凝土強度較高，達到極限強度后產生膨脹力較大，當含鋼率較低，套箍系數較小時荷載急劇下降。

(4)CD段為平穩(wěn)段。經歷下降段后隨變形增大荷載趨于穩(wěn)定，基本呈水平趨勢或有一定的回升，主要是由于鋼管經過塑流階段后，進入強化階段，且鋼管重新對核心混凝土產生約束，承載力趨于穩(wěn)定。套箍系數增大時，荷載會有一定的回升，回升幅度隨套箍系增大而增大，延性也相應提高。

圖4中A、B、C三個特征點處的混凝土和鋼管縱向應力分布如圖5、圖6所示。從圖5、圖6中可以看出，在A點，方鋼管超高強混凝土軸壓短柱整體處于全截面受壓彈性狀態(tài)，壓應力沿截面高度均勻分布，核心混凝土兩端壓應力較小，鋼管尚未屈服。B點處，構件承受的軸向壓應力最大，此時混凝土產生大量微小裂縫，壓應力逐漸傳遞到構件中部；鋼管全截面已經屈服，鋼管與核心混凝土發(fā)生應力重分布，混凝土受到鋼管約束作用，構件的承載力達到極限值。C點處，鋼材經過塑流狀態(tài)后進入強化工作狀態(tài)，鋼管對核心混凝土約束作用得到加強，構件承載力趨于穩(wěn)定。

圖5 混凝土縱向應力分布圖

圖6鋼管表面應力分布圖

2.2 核心混凝土縱向應力-應變關系分析

2.2.1 混凝土強度的影響

圖7為鋼材強度及含鋼率相同情況下，方鋼管超高強混凝土軸壓短柱核心混凝土縱向應力-應變關系曲線在不同混凝土強度情況下的對比圖。從圖7中可以看出，隨著混凝土強度提高，彈性階段逐漸延長，這是由于在彈性階段鋼管和核心混凝土單獨受荷，兩種材料不發(fā)生相互作用；混凝土強度越大，曲線峰值點越高，殘余應力也越大。

圖7不同混凝土強度的構件核心混凝土的縱向應力-應變曲線

2.2.2 含鋼率的影響

圖8為不同含鋼率對核心混凝土縱向應力-應變關系曲線的影響圖。從圖8中可以看出，隨著含鋼率增大，曲線峰值點逐漸提高，其提高幅度隨含鋼率增大而增加；同時，隨著含鋼率增大，曲線下降段趨于平緩，核心混凝土脆性逐漸減小。

圖8不同含鋼率的構件核心混凝土的縱向應力-應變曲線

2.2.3 鋼材屈服強度的影響

圖9為核心混凝土縱向應力-應變關系曲線在不同鋼材強度下的對比圖。從圖9中可以看出，鋼材強度對曲線數值和形狀影響均較??；隨著鋼材強度提高，曲線峰值強度小幅度提高，這是因為提高鋼材強度增大了其約束作用。另外，鋼材強度對殘余應力影響不大。由此可見，鋼材強度對鋼管的約束作用影響不明顯。

2.3 極限承載力影響因素分析

2.3.1 混凝土強度

圖10為含鋼率與鋼材屈服強度不變，不同混凝土強度等級對構件荷載-縱向位移曲線影響對比圖?；炷翉姸鹊燃壴O置為：100 MPa、120 MPa、130 MPa、150 MPa、200 MPa。圖11為核心混凝土強度對構件極限承載力影響對比圖。由圖11可知，核心混凝土強度從100 MPa提高到200 MPa，構件的極限承載力分別為2 237 kN、2 392 kN、2 477 kN、2 636 kN、3 032 kN，相對于混凝土為100 MPa的構件，構件極限承載力分別提高了6.92%、10.73%、17.84%、35.54%；混凝土抗壓強度對于構件初始剛度影響不大，構件極限承載力隨核心混凝土強度呈線性增長趨勢，構件延性略有降低。

圖9 不同鋼材屈服強度的構件核心混凝土的縱向應力-應變曲線

圖10混凝土強度對荷載-位移曲線的影響

圖11混凝土強度對極限承載力的影響

2.3.2 含鋼率

圖12為核心混凝土強度與鋼材屈服強度不變，不同混凝土強度等級對構件荷載-縱向位移曲線影響對比圖。含鋼率設置五組水平：0.132、0.352、0.563、0.731、1.163。圖13為含鋼率對構件極限承載力影響對比圖。由圖13可知，含鋼率從0.132提高到1.163，構件的極限承載力分別為1 594 kN、2 237 kN、2 678 kN、3 045 kN、3 609 kN，相對于含鋼率為0.132的構件，構件極限承載力分別提高了40.34%、68.01%、91.03%、126.41%；隨含鋼率增大構件的初始剛度增大，延性變好，荷載-位移曲線下降趨勢逐漸變緩，當含鋼率達到0.731時，曲線不再下降，呈上升趨勢；構件極限承載力隨著含鋼率增大而增大，但增大的幅度逐漸降低。

圖12 含鋼率對荷載-位移曲線的影響

圖13含鋼率對極限承載力的影響

2.3.3 鋼材屈服強度

圖14為保持核心混凝土強度與含鋼率不變，不同鋼材屈服強度對構件荷載-縱向位移曲線影響對比圖。鋼材屈服強度設置五組水平：460 MPa、420 MPa、390 MPa、345 MPa、235 MPa。圖15為鋼材屈服強度對構件極限承載力影響對比圖。由圖15可知，鋼材屈服強度從235 MPa提高到460 MPa，構件的極限承載力分別為1 570 kN、1 904 kN、2 035 kN、2 122 kN、2 237 kN，相對于鋼材屈服強度為235 MPa的構件，構件極限承載力分別提高了21.27%、29.61%、35.16%、42.48%；構件受力在彈性階段，荷載與位移呈線性關系，初始剛度相同，進入彈塑性階段后，荷載與位移呈非線性；鋼材屈服強度對構件延性影響不大，構件極限承載力隨鋼材屈服強度呈線性增長趨勢，殘余承載力也隨之提高。

圖14鋼材屈服強度對荷載-位移曲線的影響

圖15鋼材屈服強度對極限承載力的影響

3 結 論

通過13根短柱有限元模擬，研究方鋼管超高強混凝土短柱在軸心受壓下的力學性能，分析混凝土強度、含鋼率及鋼材屈服強度的影響，得出以下主要結論：

(1) 方鋼管超高強混凝土短柱軸心受壓均為強度破壞，破壞全過程主要分為彈性段、彈塑性段、下降段、平穩(wěn)段四個階段。

(2) 混凝土強度越大，核心混凝土縱向應力-應變關系曲線峰值點越高，殘余應力越大；隨含鋼率增大，曲線峰值點逐漸提高，其提高幅度隨含鋼率增大而增加；鋼材屈服強度對曲線影響不明顯。

(3) 隨著混凝土強度和鋼材屈服強度提高，構件極限承載力呈線性增加，而隨著含鋼率增大，極限承載力提高幅度逐漸減?。辉龃蠛撀誓苡行岣邩嫾跏紕偠?，改變混凝土強度對初始剛度影響不大；構件延性隨混凝土強度提高而降低，隨著含鋼率增大而增加，受鋼材屈服強度的影響較小。

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