不同鋼-混凝土組合柱力學(xué)性能的數(shù)值分析

楊正俊

(無(wú)錫汽車工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,江蘇 無(wú)錫 214153)

近年來(lái),由于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系能夠結(jié)合鋼材以及混凝土的優(yōu)勢(shì),已廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑結(jié)構(gòu)以及地震頻發(fā)區(qū)域。因此,鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)受到越來(lái)越多的關(guān)注[1]。

目前,傳統(tǒng)形式的鋼-混凝土組合柱有兩種,分別為型鋼混凝土(SRC)柱和鋼管混凝土(CFT)柱。在SRC柱中(圖1a),外包混凝土可以防止型鋼的局部屈曲并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐火性,核心的型鋼則能夠有效提升柱的抗剪能力。然而,置于截面中心的型鋼其抗彎能力不能被充分發(fā)揮,并且結(jié)構(gòu)整體的現(xiàn)場(chǎng)施工比較復(fù)雜。對(duì)于CFT柱,內(nèi)部填充的混凝土可以有效防止薄壁鋼管的局部屈曲,且外包鋼管可以約束核心混凝土并提升其抗壓強(qiáng)度。但CFT柱由于鋼管外露,因而其抗火性能較弱。

鑒于此,有學(xué)者提出在CFT柱外側(cè)包裹約束混凝土(RC),形成CFST柱(圖1b)。其具有較好的抗火及耐腐蝕性能,并且外部的約束混凝土能夠有效延緩鋼管的屈曲。Soliman等[2]通過對(duì)CFST和SRC柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn),探究不同類型柱對(duì)其受力特征的影響。韓林海通過建立三維有限元模型,分析了CFST柱在軸壓下的力學(xué)性能[3]。丁發(fā)興等[4]結(jié)合試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)STSRC柱進(jìn)行軸壓性能研究,提出了試驗(yàn)柱的極限承載力簡(jiǎn)化計(jì)算公式。為了增強(qiáng)混凝土的約束效應(yīng)以及便于灌漿,Gan Dan等[5]通過設(shè)計(jì)STSRC和CTSRC柱(圖1c、圖1d)試件并進(jìn)行低周往復(fù)分析,得出這兩種柱的延性及耗能均優(yōu)于傳統(tǒng)SRC柱[5]。

圖1 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)柱

本文利用有限元軟件ABAQUS對(duì)比分析了在軸壓作用下SRC、CFST、STSRC以及CTSRC柱的破壞狀態(tài)、荷載-位移曲線、承載力以及延性性能,并同時(shí)探究了不同截面柱內(nèi)置型鋼的約束效應(yīng),旨在為不同截面組合柱在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 試件設(shè)計(jì)

本文共設(shè)計(jì)4個(gè)試件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬,SRC(S1)、CFST(S2)、STSRC(S3)以及CTSRC(S4)的基本尺寸及細(xì)節(jié)構(gòu)造見圖2。其中,S1和S3的型鋼及鋼管截面分別為工字型和矩形,S2和S4為圓環(huán)型。各試件的截面凈高為3 600 mm,截面尺寸均為360 mm×360 mm,截面含鋼率均為8.2%。對(duì)于SRC柱,型鋼放置在截面中心(圖2a),4根直徑為12 mm的縱筋置于柱截面四角,并在其外圍綁扎箍筋,箍筋直徑為6 mm,間距為200 mm。CFST柱的鋼筋布置與SRC柱相同,圓鋼管被置于截面中心(圖2b)。STSRC和CTSRC柱分別在外側(cè)采用方鋼管以及圓鋼管,并在截面中心放置工字型鋼(圖2c、圖2d)。S1～S4試件混凝土強(qiáng)度均為C60,型鋼和鋼管采用Q235鋼材,鋼筋采用HRB500級(jí)。

圖2 截面的尺寸及細(xì)節(jié)構(gòu)造

2 有限元模型

2.1 模型的建立

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)各試件柱進(jìn)行模擬。混凝土、型鋼以及鋼管均采用8節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元C3D8R,并采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用三維桁架單元T3D2模擬縱筋及箍筋。有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型

2.2 材料模型

在所有試件模型中,型鋼、鋼管以及鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均采用理想彈塑性模型,見圖4b),其本構(gòu)表達(dá)式如下：

圖4 材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

(1)

其中,Es為鋼材的彈性模量,fy為鋼材的屈服強(qiáng)度,εy為鋼材達(dá)到屈服強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變,σ、ε分別為鋼材的應(yīng)力和應(yīng)變。鋼材的屈服強(qiáng)度、彈性模量取實(shí)測(cè)值,泊松比為0.3。

2.3 相互作用及加載方式

S1和S2試件模型均采用Embed約束,將鋼筋固嵌到混凝土當(dāng)中,并在嵌入單元與主單元之間建立節(jié)點(diǎn)關(guān)系；假定各模型中的型鋼、鋼管與混凝土之間均不產(chǎn)生滑移,采用tie約束將其兩兩綁定。

為防止柱端出現(xiàn)局部破壞,在柱頂和柱底設(shè)置鋼帽,鋼帽與試件模型進(jìn)行綁定。在頂部鋼帽表面建立耦合約束,并對(duì)參考點(diǎn)進(jìn)行位移加載；對(duì)柱底鋼帽的底面進(jìn)行固接。

2.4 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元模型的合理性,本文將SRC、CFST、CTSRC和STSRC柱軸壓試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬,其對(duì)比結(jié)果見表1。由表1可知,有限元和試驗(yàn)軸壓承載力計(jì)算結(jié)果吻合較好,兩者比值在0.94～1.11之間。由此可知,本文采用的有限元模型及材料本構(gòu)是可靠的。

表1 試驗(yàn)和有限元極限承載力對(duì)比

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 荷載-位移關(guān)系曲線

圖5給出了各試件的荷載-位移關(guān)系對(duì)比曲線。從圖中可以看出,4條曲線的變化趨勢(shì)近乎一致,各試件模型在軸壓下的受力特性可以分為：彈性階段,彈塑性階段以及破壞階段。

圖5 S1～S4荷載-位移曲線

在彈性階段,各試件模型均產(chǎn)生彈性變形,荷載-位移關(guān)系近乎是一條直線,S1～S4柱的初始剛度差別不大；隨著位移的繼續(xù)增大,試件模型進(jìn)入彈塑性階段,該階段內(nèi)型鋼及鋼管達(dá)到屈服強(qiáng)度,各試件的剛度均有所下降；當(dāng)位移達(dá)到6.23 mm時(shí),模型開始發(fā)生破壞,承載力下降,且內(nèi)部構(gòu)件含圓鋼管的試件(S2、S4)在相同位移下承載力下降更為緩慢,延性更好。圖6給出了各試件的最終破壞模態(tài),由圖6可知,內(nèi)部型鋼或外包鋼管的截面為圓鋼管的S2和S4柱對(duì)局部缺陷的敏感度更高,破壞時(shí)柱中向一側(cè)屈曲；S1和S3柱最終發(fā)生傳統(tǒng)軸壓破壞形式,其破壞位置分別為柱中及柱兩側(cè)。

3.2 承載能力

圖7給出了S1～S4試件柱的極限承載力對(duì)比曲線。從圖7中可以看出,相比于S3柱,S2、S1以及S4柱的承載力分別增長(zhǎng)了68.93、75.47 kN及185.99 kN,說明當(dāng)含鋼率相同時(shí),CTSRC柱的軸壓承載能力最強(qiáng)。這是由于外包圓鋼管對(duì)內(nèi)部混凝土的環(huán)向約束作用更強(qiáng),從而增強(qiáng)了混凝土的抗壓強(qiáng)度,提升了柱整體的承載力。

3.3 延性

延性系數(shù)作為判斷結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)之一,是用于表征結(jié)構(gòu)后期變形能力的重要參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[6],用位移延性系數(shù)μ表示：

(2)

其中,Δu為承載力下降到峰值荷載85%對(duì)應(yīng)的位移值,Δy為屈服荷載對(duì)應(yīng)的位移。

由表2可以看出,相比于S4,S1～S3柱的延性系數(shù)分別降低了24.9%、20.8%以及26.3%,表明CTSRC柱在軸壓作用下其塑性變形能力更強(qiáng)。此外,S2柱比S1柱的延性系數(shù)提升了5.1%,S4比S3柱的延性系數(shù)提升了22.4%,由此說明將型鋼或外包鋼做成圓鋼管的形式可以改善構(gòu)件的塑性變形,使其整體具有更好的延性。

表2 各試件的屈服位移、極限位移以及延性系數(shù)

3.4 約束效應(yīng)分析

圖8給出了各試件軸向位移分別為3.45、6.23、9.01、12.7 mm時(shí)柱中部型鋼對(duì)混凝土的約束效應(yīng)對(duì)比圖。圖中橫坐標(biāo)為型鋼跨中截面的應(yīng)變率,由其橫向應(yīng)變與豎向應(yīng)變的比值確定；縱坐標(biāo)為沿跨中截面的應(yīng)力分布位置。由圖8可知,各試件型鋼的約束效應(yīng)隨著位移的增大而提高,且在位移達(dá)到9.01 mm時(shí)提升最為明顯。對(duì)于型鋼為工字型的S1、S3及S4柱,翼緣和腹板連接處的約束效應(yīng)強(qiáng)于腹板處，且隨著位移加載,兩者的約束效應(yīng)逐漸趨于一致。此外,當(dāng)位移為6.23 mm時(shí),S1、S2中截面的平均應(yīng)變率(0.563、0.559)大于S3和S4柱(0.465、0.497),表明SRC柱和CFST柱在極限承載力下內(nèi)置型鋼具有較強(qiáng)的約束作用。對(duì)比S1和S2柱可知,雖然SRC柱在6.23 mm時(shí)的約束效應(yīng)略高,但CFST柱的約束作用分布更為均勻,更利于受力。極限荷載之后,S4柱的約束效應(yīng)明顯大于S3柱,這是由于圓鋼管的約束區(qū)域大于方鋼管,因而CTSRC柱中混凝土對(duì)型鋼的擠壓面積更大,型鋼的約束效應(yīng)更強(qiáng)。

圖8 S1～S4跨中位置的應(yīng)變率分布

4 結(jié) 語(yǔ)

利用ABAQUS有限元軟件對(duì)不同截面形式柱進(jìn)行軸壓力學(xué)性能分析,可以得到如下結(jié)論：

1)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50010—2010)》中推薦的混凝土本構(gòu)關(guān)系可運(yùn)用于ABAQUS有限元分析中,并且能較好地反映混凝土的受力特性。

2)各試件的荷載-位移曲線的變化趨勢(shì)基本一致,且截面中包含圓鋼管的CFST和CTSRC柱易于發(fā)生屈曲破壞。

3)在相同含鋼率下,CTSRC柱的軸壓承載力最強(qiáng)；對(duì)比四種截面柱,CTSRC柱的塑性變形能力最強(qiáng),且在構(gòu)件內(nèi)嵌入圓鋼管可有效提高其整體延性。

4)各試件內(nèi)型鋼約束效應(yīng)隨位移加載而增大,且從峰值位移至極限位移內(nèi)增長(zhǎng)最為顯著。此外,在極限承載力下CFST柱內(nèi)型鋼的綜合約束效應(yīng)優(yōu)于其余截面形式柱,并且峰值荷載后CTSRC柱的約束效應(yīng)大于STSRC柱。