型鋼活性粉末混凝土柱偏心受壓性能有限元分析

周紹朋

(山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，濟(jì)南 250101)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，高層、超高層以及大跨度建筑在實際工程中不斷涌現(xiàn)，對建筑材料的力學(xué)性能提出更高的要求。活性粉末混凝土(reactive powder concrete, RPC)具有高韌性、高耐久性、高抗壓抗折強(qiáng)度等優(yōu)點，型鋼RPC組合結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮鋼材和RPC各自的優(yōu)勢，在現(xiàn)代化建筑結(jié)構(gòu)中有著良好的應(yīng)用前景。

何葉等利用有限元軟件Abaqus對不同配箍率和含鋼率的型鋼混凝土柱復(fù)合受力下的抗扭性能進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明提高配箍率和含鋼率可以提高型鋼混凝土柱的承載力。王震強(qiáng)考慮配筋率、混凝土強(qiáng)度和含鋼率的影響，對型鋼混凝土柱的承載性能進(jìn)行有限元模擬分析，結(jié)果表明提高含鋼率能夠有效提高試件的承載能力，提高配筋率和混凝土強(qiáng)度能增強(qiáng)試件的延性。鄭山鎖等采用Ansys對不同偏心率和長細(xì)比的型鋼混凝土偏壓柱進(jìn)行數(shù)值分析，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

在型鋼RPC組合結(jié)構(gòu)方面，學(xué)者們也展開一系列研究。卜良桃等對6根型鋼外包RPC柱進(jìn)行軸壓和偏壓試驗，并進(jìn)行有限元分析，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高。卜良桃等對3根不同RPC強(qiáng)度的型鋼外包RPC柱進(jìn)行偏壓試驗，結(jié)果表明偏心距為60 mm時出現(xiàn)大偏壓破壞形態(tài)，且RPC強(qiáng)度越高，試件承載力和剛度越大。卜良桃等考慮偏心距和含鋼率的影響，對6根型鋼RPC柱進(jìn)行大偏壓試驗，結(jié)果表明試件極限承載力隨含鋼率提高而增大，隨偏心距增大而降低。SHI等設(shè)計22根鋼筋RPC柱并對其進(jìn)行大偏壓試驗，考慮RPC配筋率和有無鋼纖維的影響，結(jié)果表明RPC強(qiáng)度越高，試件承載力越高，且推導(dǎo)出鋼筋RPC柱在大偏心受壓時的極限載荷計算方法。劉暢考慮不同偏心率的影響，對無筋RPC短柱進(jìn)行試驗，得到此類構(gòu)件在不同偏心率時的極限載荷。黎紅兵等對3根不同強(qiáng)度的型鋼RPC柱進(jìn)行軸壓試驗，結(jié)果表明試件的極限承載力隨RPC等級提高而增大。

以上一系列試驗研究為型鋼RPC柱的力學(xué)性能提供一定的理論基礎(chǔ)，但是對于不同偏心形式下的型鋼RPC偏壓柱承載性能的試驗研究和模擬分析相對較少。本文設(shè)計6個型鋼RPC柱進(jìn)行偏心受壓試驗，考慮不同偏心距和加載角的影響。利用有限元軟件Abaqus進(jìn)行模擬分析，對比不同試件極限載荷和載荷-位移曲線的變化規(guī)律，探究偏心距和加載角對型鋼RPC偏壓柱承載性能的影響。

1 試件模型及概況

1.1 試件設(shè)計

參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《活性粉末混凝土》等規(guī)范，考慮不同偏心距和不同加載角對型鋼RPC偏壓柱承載性能的影響，共設(shè)計6根RPC試件，試件詳細(xì)參數(shù)見圖1。使用TM800B壓力試驗機(jī)采集系統(tǒng)采集試驗過程的豎向壓力和豎向位移，采用三級加載方法，加載裝置見圖2。

圖 1 試件尺寸及配筋,mm

圖 2 加載裝置示意

1.2 材料參數(shù)

試件縱筋和箍筋采用HRB400鋼,縱筋直徑12 mm,箍筋直徑6 mm，配置H型鋼為Q235鋼，尺寸為100 mm×100 mm×6 mm×8 mm。型鋼和鋼筋的力學(xué)性能按《金屬材料室溫拉伸試驗》的要求進(jìn)行測試，結(jié)果見表1。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》,制作6個100 mm×100 mm×100 mm的RPC立方體試塊進(jìn)行抗壓試驗，測得RPC的平均抗壓強(qiáng)度為114.3 MPa，平均彈性模量為40.8 GPa,各試塊測試結(jié)果見表2。

表 1 鋼材的力學(xué)性能參數(shù) MPa

表 2 RPC試塊的抗壓試驗結(jié)果

2 數(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)

采用有限元軟件Abaqus對型鋼RPC柱建立有限元模型，分析不同偏心距和不同加載角對型鋼RPC柱承載性能的影響。

表 3 試件設(shè)計模型參數(shù)

2.2 模型建立

在有限元模擬中，RPC采用塑性損傷模型和鄭文忠等提出的本構(gòu)模型。模型中的鋼材采用理想彈塑性模型，鋼材的本構(gòu)關(guān)系曲線見圖3，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為

圖 3 鋼材本構(gòu)關(guān)系曲線

(1)

式中：為鋼材的彈性模量；為鋼材的屈服應(yīng)變。

RPC采用8節(jié)點線性六面體單元C3D8R，RPC有限元模型見圖4。型鋼選用三維實體單元C3D8R，型鋼有限元模型見圖5。鋼筋和箍筋選用桁架單元T3D2，鋼筋骨架使用嵌入式區(qū)域內(nèi)置于混凝土中，鋼筋骨架有限元模型見圖6。

圖 4 RPC有限元模型

圖 5 型鋼有限元模型

圖 6 鋼筋骨架有限元模型

3 模型驗證

對型鋼RPC試件的承載性能進(jìn)行有限元模擬，其極限載荷和極限位移的試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比見表4。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果存在一定誤差但誤差較小，可認(rèn)為該模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致。

表 4 RPC試件極限載荷和極限位移試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

各個試件載荷-位移曲線試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比見圖7?？梢钥闯觯囼炃€與模擬曲線的走勢和極限載荷均幾乎相同。在模擬結(jié)果中，RPC和鋼材強(qiáng)度均在理想狀態(tài)下得到充分發(fā)揮，試件破壞時產(chǎn)生的位移略大于試驗結(jié)果，可認(rèn)為所建立的模型可用于分析型鋼RPC偏壓柱的承載性能。

圖 7 各試件載荷-位移曲線試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 極限載荷分析

4.1.1 不同偏心距時試件的極限載荷

對不同偏心距的試件1～4進(jìn)行模擬，其極限載荷值依次為4 988、3 115、2 992和2 160 kN。試件1～4的極限載荷逐漸減小，與試件1相比，試件2、3、4的極限載荷分別減小37.6%、40.0%和56.7%。這表明型鋼RPC柱的承載力隨著偏心距的增大而減小，偏心距對極限承載力的影響較大。

4.1.2 不同加載角時試件的極限載荷

對試件4～6進(jìn)行不同加載角模擬，其極限載荷值依次為2 160、2 090和2 012 kN。與試件4相比，試件5和6的極限載荷分別下降3.2%和6.9%。這表明當(dāng)偏心距一定時，極限載荷隨加載角的增加而降低，但加載角對試件承載力的影響相對較小。

4.2 載荷-位移曲線

不同偏心距和不同加載角試件的載荷-位移曲線見圖8和9。在加載前期,偏心受壓試件的載荷-位移曲線基本為線性，表明該階段試件為彈性變形階段，該階段曲線的斜率可以反映試件的剛度大小。隨著載荷的增大，曲線斜率開始下降，縱向位移增長加快，試件內(nèi)部開始出現(xiàn)裂縫，此階段受拉側(cè)型鋼翼緣參與受力，承擔(dān)受拉側(cè)的拉應(yīng)力。當(dāng)加載至極限載荷時，曲線均出現(xiàn)突降，隨著縱向位移的增大，載荷下降，表現(xiàn)為延性較好。

圖 8 不同偏心距試件載荷-位移曲線

圖 9 不同加載角試件載荷-位移曲線

4.2.1 不同偏心距試件的載荷-位移關(guān)系

由圖8可知，試件1～4曲線斜率依次減小，表明隨著偏心距的增大，試件的剛度逐漸減小。此外，對于偏心受壓試件，試件的極限位移隨偏心距的增大逐漸增大。總之，偏心受壓試件的承載力和剛度與偏心距成反比，極限位移與偏心距成正比。

4.2.2 不同加載角試件的載荷-位移關(guān)系

由圖9可知，加載前期3個試件斜率基本相同，表明加載角對試件剛度影響較小。隨著載荷的增大，試件5、6的曲線斜率明顯大于試件4；最終在試件破壞時，試件4的極限位移大于試件5和6，說明試件極限位移隨加載角的增大逐漸減小。

5 結(jié) 論

考慮偏心距和加載角2個因素的影響，對型鋼RPC偏壓柱的承載性能進(jìn)行分析，采用Abaqus有限元軟件對試件進(jìn)行模擬，對比試驗結(jié)果與模擬結(jié)果，驗證RPC有限元模型的準(zhǔn)確性，并得出如下結(jié)論。

(1)試驗與模擬的載荷-位移曲線和極限載荷均基本一致，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合性較好，表明所建立的型鋼RPC柱有限元模型可靠，可為型鋼RPC偏壓柱承載性能分析提供參考。

(2)偏心受壓時，試件極限載荷隨偏心距的增大而減小，隨加載角的增大而減小，偏心距對承載力的影響更明顯。

(3)試件極限位移隨偏心距的增大而增大，隨加載角的增大而減小。

(4)試件的剛度隨偏心距的增大而減小，加載角對試件剛度影響較小。