軸壓作用下矩形鋼管混凝土柱性能研究

徐 娜，靳 旭，盧成江，傅學(xué)怡

（1、廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院 珠海519090；2、悉地國際設(shè)計顧問（深圳）有限公司 深圳518059）

目前鋼管混凝土柱在超高層建筑中已被廣泛采用［1-7］，它對整個結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要。本文分析了設(shè)置內(nèi)環(huán)肋、栓釘?shù)木匦武摴芑炷林S壓作用下的力學(xué)性能。

1 本構(gòu)關(guān)系

鋼材選用Q345，泊松比0.3，彈性模量Es=2.06×105MPa。采用雙折線模型，強化段模量取值為0.01Es，關(guān)系曲線如圖1a 所示?；炷吝x用C80，塑性損傷本構(gòu)模型，泊松比0.2，彈性模量Ec=3.8×104MPa。受壓本構(gòu)關(guān)系曲線如圖1b 所示。受拉本構(gòu)采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50010-2010》［8］附錄C 給出的本構(gòu)關(guān)系，且混凝土單軸抗拉強度代表值取為3.5 MPa。

2 有限元模型

2.1 單元選取

為準(zhǔn)確模擬鋼管、核心混凝土及傳力構(gòu)件之間的接觸關(guān)系，鋼管壁、環(huán)向加勁肋、核心混凝土均采用C3D8R 實體單元模擬。

2.2 栓釘計算理論

采用Ollgaard 等人［9］于1971年提出的計算模型：

式中：Q 為栓釘受到的剪力（kN）；Qu為栓釘?shù)臉O限強度（kN）；s 為滑移量（mm）；As為栓釘橫截面面積（mm2）；fc為混凝土圓柱體抗壓強度（N/mm2）；Ec為混凝土的彈性模量（N/mm2）；fu為栓釘鋼材的極限抗拉強度（N/mm2）。

《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：YB 9082-2006》［10］中建議選用直徑19mm 及22mm的栓釘，且栓釘長度不應(yīng)小于其直徑的4 倍。故本文中栓釘直徑取19 mm。參考文獻［10］對栓釘?shù)目估瓘姸茸钚≈狄鬄椴恍∮?00 N/mm2，取400 N/mm2。C80 混凝土圓柱體的抗壓強度fc=0.79 fcu，k=63.2 N/mm2，則由式⑵得Qu=0.5As=219.582 kN＞Qu=fuAs=113.354 kN，可得單根栓釘?shù)臉O限抗剪承載力Qu=113.354 kN。根據(jù)式⑴，可得單根栓釘?shù)募羟?滑移模型如圖2a 所示?？紤]到實際結(jié)構(gòu)中栓釘?shù)幕屏坎豢赡軣o限制增大，需要對其極限滑移量進行定義，采用文獻［11］中提出的方程：

式中：Su為栓釘極限抗剪強度下對應(yīng)的滑移量（mm）；Sf為栓釘?shù)臉O限滑移量（mm）；ds為栓釘?shù)闹睆剑╩m）。

在栓釘達到極限滑移量之后，認(rèn)為栓釘失效退出工作。綜合公式，可得到經(jīng)過修正后的栓釘剪切-滑移本構(gòu)關(guān)系，如圖2b 所示。

圖2 栓釘剪切-滑移模型Fig.2 Shear-slip Model of Studs

2.3 彈簧單元

實際模型中很難按照1∶1的尺寸來建立栓釘與混凝土的模型，比較可行的辦法是通過彈簧單元、接觸單元等節(jié)理單元來模擬二者之間的剪切作用關(guān)系。在鋼管與混凝土界面處、幾何位置重合的2個節(jié)點間，建立彈簧單元來模擬栓釘?shù)募羟袀髁Γ阡摴芘c混凝土界面的法向上通過剛性梁單元來傳遞法向力，防止鋼管與混凝土在受力變形時, 出現(xiàn)不符合實際的“穿透”現(xiàn)象，如圖3 所示。

圖3 栓釘彈簧單元Fig.3 Spring Element of Studs

2.4 邊界條件

約束柱底混凝土及鋼管壁x、y、z 三個方向的平動自由度。

2.5 加載方式

為了得到荷載-位移曲線，采用位移加載的方式，根據(jù)工程實際情況，在鋼管壁上施加軸向位移荷載。

2.6 設(shè)環(huán)向內(nèi)環(huán)肋的矩形鋼管混凝土柱計算模型

根據(jù)《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：CECS 159：2004》［12］，在矩形鋼管混凝土柱樓層節(jié)點核心區(qū)鋼管壁內(nèi)，設(shè)間距為1 000 mm的上下2個環(huán)向加勁肋，加勁肋寬50 mm、壁厚24 mm，如圖4a 所示。分析中不考慮鋼管與核心混凝土界面間的摩擦粘結(jié)作用。

2.7 設(shè)環(huán)向內(nèi)環(huán)肋及栓釘?shù)木匦武摴芑炷林嬎隳Ｐ?/h3>

根據(jù)文獻［12］，在矩形鋼管混凝土柱樓層節(jié)點區(qū)鋼管壁內(nèi)，設(shè)間距為1 000 mm的上下2個環(huán)向加勁肋，加勁肋寬50 mm、壁厚24 mm；鋼管壁設(shè)栓釘φ19 mm，間距400 mm×400 mm，如圖4b 所示。分析中不考慮鋼管與核心混凝土間摩擦粘結(jié)作用。

圖4 矩形鋼管混凝土柱截面Fig.4 Rectangular Steel Tube Concrete Column Section

3 力學(xué)性能

3.1 設(shè)環(huán)向內(nèi)環(huán)肋的矩形鋼管混凝土柱

經(jīng)有限元計算分析得到，設(shè)環(huán)向加勁肋的矩形鋼管混凝土柱軸力-位移曲線如圖5 所示。由圖5 可知，核心混凝土極限承載力Ncmax=2.211×104kN，此時鋼管壁承載力Ns=2.418×104kN，設(shè)環(huán)向加勁肋的矩形鋼管混凝土柱極限承載力Nmax=4.629×104kN。在彈性階段，混凝土工作承擔(dān)系數(shù)αc=0.546，進入塑性后混凝土工作承擔(dān)系數(shù)逐漸減??；當(dāng)達到最大承載力時，混凝土工作承擔(dān)系數(shù)αc=0.478。

研究結(jié)果表明，在矩形鋼管混凝土柱樓層節(jié)點區(qū)鋼管壁內(nèi)設(shè)環(huán)向加勁肋，混凝土澆筑理想施工情況下，可以將作用在鋼管壁上的部分外荷載傳遞于核心混凝土，迫使混凝土參與部分工作，改善了矩形鋼管混凝土柱的受力性能。

3.2 設(shè)環(huán)向內(nèi)環(huán)肋及栓釘?shù)木匦武摴芑炷林?/h3>

有限元計算分析得到，設(shè)環(huán)向加勁肋及栓釘?shù)木匦武摴芑炷林S力-位移曲線，如圖6 所示。由圖6可知，核心混凝土極限承載力Ncmax=2.232×104kN，此時鋼管壁承載力Ns=2.420×104kN，設(shè)環(huán)向加勁肋及栓釘?shù)木匦武摴芑炷林鶚O限承載力Nmax=4.652×104kN。在彈性階段，混凝土工作承擔(dān)系數(shù)αc=0.551，進入塑性后混凝土工作承擔(dān)系數(shù)逐漸減?。划?dāng)達到最大承載力時，混凝土工作承擔(dān)系數(shù)αc=0.480。

圖5 設(shè)環(huán)向內(nèi)環(huán)肋矩形鋼管混凝土柱軸力-位移曲線Fig.5 Axial Force-Displacement Curve of CFRT Column with Annular Ring Ribs

圖6 設(shè)環(huán)向內(nèi)環(huán)肋及栓釘矩形鋼管混凝土柱軸力-位移曲線Fig.6 Axial Force-displacement Curve of CFRT Column with Annular Ribs and Studs

研究結(jié)果表明，在矩形鋼管混凝土柱樓層節(jié)點區(qū)鋼管壁內(nèi)設(shè)環(huán)向加勁肋，同時在鋼管壁內(nèi)設(shè)栓釘，管內(nèi)加勁肋角部混凝土澆筑施工理想情況下，通過環(huán)向加勁肋及栓釘，可以將作用在鋼管壁上的部分外荷載傳遞于核心混凝土，迫使核心混凝土參與部分工作，矩形鋼管混凝土柱承載能力提高。設(shè)環(huán)向加勁肋及栓釘改善了矩形鋼管混凝土柱的受力性能，但比只設(shè)環(huán)向加勁肋的矩形鋼管混凝土柱承載力略高，栓釘作用不大。

4 結(jié)語

本文研究了軸壓作用下矩形鋼管混凝土柱設(shè)置不同的傳力構(gòu)造措施的共同力學(xué)性能，分析設(shè)置環(huán)向內(nèi)環(huán)肋和栓釘?shù)木匦武摴芑炷林某休d能力共同工作，得到以下結(jié)論：

⑴在矩形鋼管混凝土柱樓層節(jié)點區(qū)鋼管壁內(nèi)設(shè)環(huán)向加勁肋和栓釘，提高了矩形鋼管混凝土柱的承載能力，改善了矩形鋼管混凝土柱的受力性能。

⑵設(shè)環(huán)向加勁肋及栓釘改善了矩形鋼管混凝土柱的受力性能，但比只設(shè)環(huán)向加勁肋的矩形鋼管混凝土柱承載力略高，栓釘作用不大。