圓端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件受剪性能分析

王靜峰, 盛鳴宇, 沈奇罕, 馬賢峰

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級實驗室,安徽 合肥 230009)

近年來,隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展,異形鋼管混凝土由于其新穎的造型、獨特的建筑風(fēng)格而被廣泛應(yīng)用于各種標(biāo)志性建筑和公共建筑中。其中,圓端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件由于可提供對建筑結(jié)構(gòu)有利的強弱軸、有效地降低流體對承重構(gòu)件的荷載等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于橋梁拱肋、主塔以及墩柱等部位[1-2],具有良好的應(yīng)用前景。

目前鋼管混凝土構(gòu)件的受剪性能研究主要集中在圓方鋼管混凝土構(gòu)件[3-4],針對圓端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件的研究還處于起步階段,且受力狀態(tài)主要為軸壓、偏壓及受彎。文獻[5]對圓端形橢圓鋼管混凝土短柱進行了軸壓試驗,分析了不同參數(shù)下的的破壞特征和軸壓力學(xué)性能;文獻[6-7]對圓端形鋼管混凝土短柱進行了軸壓試驗和數(shù)值模型分析;文獻[8]對圓端形橢圓鋼管混凝土柱的軸壓、偏壓、抗彎受力狀態(tài)進行了數(shù)值模型分析;文獻[9-10]分別對圓端形橢圓鋼管混凝土的偏壓和壓彎構(gòu)件進行了試驗研究和數(shù)值模型分析;文獻[11]進行了橢圓鋼管混凝土柱的純彎和偏壓試驗研究。在實際工程中,剪力作用也常常對構(gòu)件有著很大的影響,但目前針對圓端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件受剪性能的研究報道很少。

本文通過ABAQUS有限元軟件,分別在長軸和短軸方向建立受剪作用下圓端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件的數(shù)值分析模型,根據(jù)計算結(jié)果,對圓端形橢圓鋼管混凝土在受剪作用下的破壞模式進行了討論,通過對剪跨比、材料強度、含鋼率、長短軸比的不同取值,系統(tǒng)分析了各項參數(shù)對構(gòu)件抗剪承載力的影響,研究成果可為圓端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件設(shè)計提供指導(dǎo)。圓端形橢圓鋼管混凝土截面形式如圖1所示。

圖1 圓端形橢圓鋼管混凝土截面形式

1 理論分析模型

1.1 等效本構(gòu)關(guān)系

由于目前尚缺乏圓端形橢圓混凝土構(gòu)件的核心約束混凝土本構(gòu)關(guān)系,根據(jù)圓端形橢圓鋼管混凝土的截面特性,本文采用文獻[12]提出的等效本構(gòu)關(guān)系模型。在合理的截面長短軸比范圍內(nèi),通過臨界長短軸比值βcr=1.44將圓端形截面約束核心混凝土分別等效為圓形或矩形截面。具體等效公式為:

其中,de為等效矩形短邊長或等效圓形的半徑;b為圓端形橢圓截面半短軸長;β為圓端形橢圓截面長短軸比,取值為1～4。等效后的核心混凝土采用文獻[13]的塑性損傷模型,鋼材模型采用二次塑流性模型。

1.2 有限元分析模型

本文中的圓端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件采用C3D8R單元建模。用六面體單元對模型進行網(wǎng)格劃分,優(yōu)先保證網(wǎng)格為正方形,鋼管壁較厚時,可先對其進行分層,網(wǎng)格劃分如圖2所示。核心混凝土損傷塑性模型膨脹角設(shè)置為32°。鋼管與核心混凝土之間的接觸存在法向接觸和切向接觸,法向接觸設(shè)置為“硬接觸”,切向接觸采用罰函數(shù)定義,摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3。為減小支座變形對結(jié)果的影響,支座的楊氏模量設(shè)置為106 MPa,泊松比為10-3。支座、端板與鋼管之間采用綁定約束。

圖2 有限元分析模型

2 試驗驗證

由于目前缺乏圓端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件受剪試驗研究成果,本文分別采用圓鋼管混凝土受剪構(gòu)件[4,14]以及圓端形橢圓鋼管混凝土彎剪構(gòu)件[11]的試驗結(jié)果驗證有限元分析模型對受剪性能分析的可行性。根據(jù)文獻[15],極限荷載取對應(yīng)剪應(yīng)變?yōu)?0 000×10-6處,計算結(jié)果與試驗結(jié)果的極限荷載對比見表1、表2所列。剪跨比m計算公式為:m=h/x。其中，h為加載支座到邊支座的距離；對于圓鋼管混凝土構(gòu)件,x=D;對于橢圓鋼管混凝土構(gòu)件，長軸方向x=2a,短軸方向x=2b。

文獻[4,11,14] 試驗曲線與本文數(shù)值模擬曲線對比如圖3所示。圖3中，位移為跨中位移。文獻[11]試驗與本文數(shù)值模擬破壞模式對比如圖4所示。

表1 圓形鋼管混凝土計算結(jié)果與文獻[4,14]試驗結(jié)果對比

注:D為截面直徑,t為鋼管厚度,L為柱長,D、t、L的單位為mm;fy為鋼管強度;fcu為混凝土強度;Nut為試驗極限承載力;

Nue為數(shù)值模擬極限承載力。

表2 圓端形橢圓鋼管混凝土計算結(jié)果與文獻[11]試驗結(jié)果對比

注:a為截面長軸半徑;b為截面短軸半徑;a、b、t、L的單位為mm;Mut為試驗極限彎矩承載力;Mue為數(shù)值模擬極限彎矩承載力。

圖3 文獻[4,11,14]試驗曲線與本文數(shù)值計算曲線對比

圖4 文獻[11]試驗與本文數(shù)值模擬破壞模式對比

從圖3、圖4可以看出,試驗曲線與本文數(shù)值模擬曲線以及試驗與模擬破壞模式均吻合較好,總體上計算結(jié)果小于試驗數(shù)值,偏于保守;在初期階段計算結(jié)果與實測結(jié)果有些偏差,其原因可能是試驗時支座處鋼管受壓變形導(dǎo)致試驗中得到的跨中位移值偏大,從而使得實測位移值偏大,文獻[4]的研究也證實了這一點。

3 破壞模式

數(shù)值分析表明,圓端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件的剪跨比及截面長短軸比對破壞模式影響顯著,而鋼材強度、混凝土強度、含鋼率只改變材料屬性,對破壞模式影響較小,故下面僅分析不同剪跨比(m)及長短軸比(β)對破壞模式的影響。4種典型破壞模式如圖5所示。

圖5 4種典型破壞模式

隨著m增大,在對圓端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件施加剪力時會出現(xiàn)剪切破壞、彎剪破壞及彎曲破壞3種形式。

(1) 當(dāng)0.1

(2) 當(dāng)m≥0.6時,如圖5b所示,圓端形橢圓鋼管混凝土鋼管整體未發(fā)生明顯局部凹凸及鼓曲,核心混凝土在加載支座處被局部壓壞,由于構(gòu)件的整體彎曲,鋼管的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在跨中下部,最終被拉壞,構(gòu)件發(fā)生彎曲破壞。

(3) 當(dāng)0.25

β較小時,對圓端形橢圓鋼管混凝土施加剪力會發(fā)生整體剪切破壞,隨著β增大,在長軸方向?qū)A端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件施加剪力時會造成鋼管壁局部鼓曲破壞。

(1) 當(dāng)β≥3時,如圖5d所示,由于構(gòu)件截面較為細長,對其施加剪力時,加載支座處發(fā)生局部擠壓,側(cè)向鋼管壁與核心混凝土脫離接觸,且向外突出,失去承載力,發(fā)生局部鼓曲破壞。

(2) 當(dāng)β<3時,構(gòu)件在剪跨處被整體剪斷,施加荷載的支座處有明顯的下陷,構(gòu)件跨中整體向外凸出,構(gòu)件短軸方向?qū)挾仍龃?側(cè)向鋼管壁向外鼓曲,構(gòu)件發(fā)生整體剪切破壞。

4 參數(shù)分析

下面分析圓端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件長短軸方向上鋼材強度、混凝土強度、剪跨比、含鋼率、長短軸比等參數(shù)對構(gòu)件抗剪承載力的影響。長、短軸方向上的參數(shù)分別見表3、表4所列。參數(shù)取值不同對構(gòu)件抗剪承載力的影響分別如圖6、圖7所示。

表3 長軸方向上的有限元計算參數(shù)

注:a、b、t、L的單位為mm;Pu為橢圓鋼管外邊緣最大切應(yīng)變達到10 000×10-6時對應(yīng)的極限荷載,Vu為對應(yīng)狀態(tài)下的剪力。

表4 短軸方向上的有限元計算參數(shù)

注:a、b、t、L的單位為mm;Pu、Vu含義同表3。

圖6 圓端形橢圓鋼管混凝土受剪構(gòu)件長軸方向參數(shù)取值不同時荷載位移曲線

圖7 圓端形橢圓鋼管混凝土受剪構(gòu)件短軸方向參數(shù)取值不同時荷載位移曲線

(1) 鋼材強度。分別選取鋼材強度為Q235、Q345、Q420、Q550、Q630,研究其對圓端形橢圓混凝土構(gòu)件的抗剪承載力的影響。由表3、表4、圖6a、圖7a可知,在長軸受剪中,Q345試件的極限承載力比Q235試件的極限承載力提高了34.1%,與Q420、Q550、Q630試件的極限承載力相比分別降低了14%、32.9%、33.5%;短軸受剪中,Q345試件的極限承載力比Q235試件的極限承載力提高了33%,與Q420、Q550、Q630試件的極限承載力相比分別降低了16.1%、30%、30.9%。隨著鋼材等級的提高,極限抗剪承載力呈明顯的遞增狀態(tài),但在彈性階段對荷載-位移曲線影響較小。

(2) 混凝土強度。分別選取混凝土等級為C30、C50、C80,研究其對圓端形橢圓混凝土構(gòu)件的抗剪承載力的影響。由表3、表4、圖6b、圖7b可知,在長軸受剪中,C50試件的極限承載力比C30試件的極限承載力提高了2.8%,比C80試件的極限承載力降低了5.3%;短軸受剪中,C50試件的極限承載力比C30試件的極限承載力提高了3.3%,比C80試件的極限承載力降低了5.4%。隨著混凝土等級的提高,荷載-位移曲線變化較小,極限抗剪承載力的提升幅度不大。

(3) 剪跨比(m)。分別選取m為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.40、0.60、1.00,研究其對圓端形橢圓混凝土構(gòu)件的抗剪承載力的影響。由表3、表4、圖6c、圖7c可知,在長軸受剪中,m為0.15試件的極限承載力比m為0.10試件的極限承載力降低了9.3%,與m為0.20、0.25、0.30、0.40、0.60、1.00試件的極限承載力相比,分別提高了7.6%、16.4%、27.1%、37.0%、59.6%、142.9%;在短軸受剪中,m為0.15試件的極限承載力比m為0.1試件的極限承載力降低了5.6%,與m為0.20、0.25、0.30、0.40、0.60、1.00試件的極限承載力相比,分別提高了4.8%、13.2%、19.8%、33.0%、59.5%、113.4%。隨著m增大,極限抗剪承載力呈明顯的遞減狀態(tài),荷載-位移曲線下降段的下降速度變緩,構(gòu)件延性系數(shù)有所提高。

(4) 含鋼率(α)。分別選取α為0.09、0.16、0.28、0.47,研究其對圓端形橢圓混凝土構(gòu)件的抗剪承載力的影響。由表3、表4、圖6d、圖7d可知,在長軸受剪中,α為0.16試件的極限承載力比α為0.09試件的極限承載力提高了55%,與α為0.28、0.47試件的極限承載力相比,分別降低了30.4%、42.5%;在短軸受剪中,α為0.16試件的極限承載力比α為0.09試件的極限承載力提高了52.7%,與α為0.28、0.47試件的極限承載力相比,分別降低了34.9%、48.1%。隨著α增大,極限抗剪承載力呈明顯的遞增狀態(tài)。

(5) 長短軸比(β)。分別選取β為4.0、3.0、2.0、1.5、1.0,研究其對圓端形橢圓混凝土構(gòu)件的抗剪承載力的影響。由表3、表4、圖6e、圖7e可知,在長軸受剪中,β為2.0的試件極限承載力比β為1.0、1.5的試件極限承載力分別提高了84.7%、44.3%,與β為3.0、4.0的試件極限承載力相比分別降低了5.4%、1.5%;在短軸受剪中,β為2.0的試件極限承載力比β為1.0、3.0、4.0試件的極限承載力分別提高了5.0%、5.2%、2.0%,比β為1.5試件的極限承載力降低了4.3%。由計算數(shù)據(jù)及曲線可知,在β為1.5時,可得到極限承載力最大值,但當(dāng)β偏大時,在長軸方向加載容易出現(xiàn)局部屈曲,極限承載力大幅度下降。

5 結(jié) 論

(1) 本文基于一種新型等效本構(gòu)關(guān)系模型,建立了圓端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件受剪下的數(shù)值分析模型,等效后的核心混凝土采用文獻[13]提出的塑性損傷模型本構(gòu)關(guān)系;考慮了各個截面的復(fù)雜接觸問題、支座與端板的邊界條件等,并通過已有試驗進行驗證,確保數(shù)值分析模型的可靠性。

(2) 隨著剪跨比的增大,在對圓端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件施加剪力時會出現(xiàn)剪切破壞、彎剪破壞及彎曲破壞3種形式。長短軸比較小時,對圓端形橢圓鋼管混凝土施加剪力會發(fā)生整體剪切破壞,隨著長短軸比的增大,在長軸方向?qū)A端形橢圓鋼管混凝土構(gòu)件施加剪力時會造成鋼管壁局部鼓曲破壞。

(3) 構(gòu)件極限抗剪承載力隨著鋼材強度、混凝土強度、含鋼率的提升而遞增,隨著剪跨比的提升而遞減;隨著長短軸比的提升,構(gòu)件極限抗剪承載力先增大后減小,且長短軸比過大時在長軸方向受剪會由于局部屈曲導(dǎo)致承載力大幅度下降。