T型鋼-方鋼管鋼筋混凝土十字形柱抗震性能研究

韋 玨 安

（廣西土木建筑工程有限公司，南寧 537400）

0 引言

異形柱結(jié)構(gòu)以L(fǎng)、T、十字形等異形截面柱取代傳統(tǒng)的矩形柱，因?yàn)榫哂蟹块g不凸出柱楞、使用面積增大、外形美觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。[1]隨著社會(huì)對(duì)建筑要求的增高，對(duì)異形柱的荷載要求也加大。普通鋼筋混凝土（Reinforced Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)RC）異形柱因柱肢細(xì)長(zhǎng)，故承載力低、抗震性能差，在超高層和高地震烈度地區(qū)的應(yīng)用受限。而鋼-混凝土組合（Steel Reinforced Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)SRC）異形柱能將型鋼和混凝土有效結(jié)合在一起，具有剛度大、延性好、承載能力強(qiáng)、抗震性能好的特點(diǎn)，應(yīng)用前景良好。目前，對(duì)SRC 異形柱在抗震性能方面的研究已取得了一系列的成果，[2-4]研究結(jié)果表明，使用型鋼可以增強(qiáng)異形柱的抗震性能，提高延性和承載力。然而現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究主要針對(duì)實(shí)腹式型鋼或空腹式型鋼，對(duì)于型鋼-鋼管的組合形式研究較少。王朋等[5]、王秋維等[6]、趙憲忠等[7]均對(duì)矩形截面配T 型鋼-鋼管的混凝土柱進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明，型鋼翼緣可以起到受力縱筋的作用，減少柱中縱筋數(shù)量，同時(shí)型鋼翼緣可以改善鋼管外混凝土的力學(xué)性能，減小傳統(tǒng)鋼管混凝土疊合柱中鋼管內(nèi)外混凝土的力學(xué)性能差異。因此，T 型鋼加方鋼管是一種具有廣闊應(yīng)用前景的優(yōu)化混凝土柱的配鋼形式。

對(duì)于T 型鋼-鋼管優(yōu)化十字形異形柱的方式，李艷艷[8]等對(duì)型鋼-鋼管十字形混凝土柱進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明配鋼形式為T(mén) 型鋼加方鋼管的試件除剛度退化外，其他性能均優(yōu)于實(shí)腹型配鋼試件。然而現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)此種配鋼的研究?jī)H將不同軸壓比作為變化參數(shù)，如需進(jìn)一步推進(jìn)該種組合柱的研究，有必要進(jìn)行更多參數(shù)的分析。鑒于此，本文在文獻(xiàn)[8]的試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究了十字形截面鋼-混凝土組合異形柱損傷演化過(guò)程，探討了軸壓比和T 型鋼翼緣厚度對(duì)組合柱抗震性能的影響，為SRC 的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

選取文獻(xiàn)[8]中軸壓比為0.34 的試件（編號(hào)SRC-4）作為基準(zhǔn)模型，試件構(gòu)造截面如圖1 所示。試件及拓展分析試件詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 前3 列所示。試驗(yàn)所用T 型鋼及鋼管屈服強(qiáng)度f(wàn)y= 405 MPa，極限強(qiáng)度f(wàn)u= 538 MPa；混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，立方體抗壓強(qiáng)度為41.1 MPa。

表1 各試件設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

圖1 試件構(gòu)造示意圖

2 有限元模型的建立及分析

2.1 材料屬性

模型的建立參考了文獻(xiàn)[9-10]。ABAQUS 軟件提供了混凝土塑性損傷模型( Concrete Damaged Plasticity，簡(jiǎn)稱(chēng)CDP）用以描述混凝土在受力過(guò)程中的損傷發(fā)展。由于文獻(xiàn)[8]的試驗(yàn)采用普通混凝土，因此應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以選用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB10010—2010 中規(guī)定的單軸本構(gòu)方程。[11]對(duì)于鋼筋及鋼骨，文獻(xiàn)[12]提出了多種本構(gòu)關(guān)系，包括雙折線(xiàn)、三折線(xiàn)等，為了保證計(jì)算效率和模型的收斂性，選用雙折線(xiàn)彈塑性模型，屈服后應(yīng)力不再增大，應(yīng)變持續(xù)增大。

2.2 相互作用

若考慮黏結(jié)滑移，則計(jì)算成本較大，且現(xiàn)有研究在對(duì)型鋼十字形異形柱抗震性能模擬時(shí)考慮了黏結(jié)滑移，但對(duì)結(jié)果影響不大，[13]因此省略了鋼筋、鋼管、T 型鋼與混凝土之間的黏結(jié)特性，使用嵌入方式與混凝土結(jié)合，同時(shí)忽略了加載裝置及加載端頭的建模，直接在加載點(diǎn)設(shè)置耦合參考點(diǎn)，在此參考點(diǎn)施加荷載。

2.3 邊界條件及加載方式

根據(jù)抗震試驗(yàn)基本實(shí)驗(yàn)方法，柱腳需要固定，因此約束試件底部3 個(gè)方向的位移及轉(zhuǎn)動(dòng)，并在參考點(diǎn)施加恒定軸壓力，隨后在下一個(gè)分析步施加與試驗(yàn)加載制度一致的往復(fù)位移荷載。

2.4 網(wǎng)格劃分

經(jīng)試算，混凝土網(wǎng)格尺寸采用邊長(zhǎng)為25 mm 的立方體時(shí)可以保證較高的計(jì)算精度及計(jì)算效率，建立完成的模型如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格劃分后的ABAQUS 有限元模型

2.5 模型驗(yàn)證

滯回曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3 可見(jiàn)，有限元計(jì)算的滯回曲線(xiàn)出現(xiàn)了與試驗(yàn)一致的“捏攏”（見(jiàn)圖3曲線(xiàn)中部），包裹面積和加卸載剛度基本一致，承載力和初始剛度有一定誤差主要是因?yàn)槲纯紤]鋼筋在混凝土中的黏結(jié)滑移，且試驗(yàn)存在不可避免的誤差，因此前期剛度較大。

圖3 滯回曲線(xiàn)對(duì)比圖

圖4 為試驗(yàn)與有限元破壞形態(tài)對(duì)比。由圖4 可見(jiàn)，有限元結(jié)果得到的混凝土受拉損傷云圖與試驗(yàn)結(jié)果裂縫圖十分相似，混凝土均出現(xiàn)了間隔開(kāi)裂。根據(jù)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，裂縫間距與箍筋間距接近，試驗(yàn)實(shí)測(cè)SRC-4 極限抗剪承載力和延性系數(shù)分別為207.1 kN 和4.58，有限元分析結(jié)果極限抗剪承載力和延性系數(shù)分別為203.2 kN 和4.86，平均誤差在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明此模型能可靠地模擬T 型鋼-方鋼管混凝土柱的抗震性能。

圖4 破壞形態(tài)對(duì)比

2.6 應(yīng)力分析

圖5 為不同加載位移下鋼材的塑性應(yīng)變，當(dāng)鋼材出現(xiàn)塑性應(yīng)變時(shí)視為鋼材屈服。試件處于彈性階段以前，鋼材并未出現(xiàn)屈服，而當(dāng)位移達(dá)到10 mm 時(shí)，受壓及受拉區(qū)T 型鋼翼緣首先出現(xiàn)屈服；當(dāng)達(dá)到極限荷載附近時(shí)，縱筋及T 型鋼腹板出現(xiàn)屈服；隨著水平位移不斷增大，核心區(qū)鋼管出現(xiàn)屈服。由此可見(jiàn)，增大T 型鋼翼緣厚度是提高抗震性能的有效方式。

圖5 不同加載位移下鋼材的塑性應(yīng)變

3 參數(shù)分析

以SRC-4 模型作為基準(zhǔn)，以軸壓比n和T 型鋼翼緣厚度tf為變化參數(shù)設(shè)計(jì)了9 個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算，具體參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。圖6 為各試件骨架曲線(xiàn)對(duì)比。對(duì)比不同參數(shù)下試件的性能，可得到如下結(jié)論：

圖6 不同參數(shù)下的試件骨架曲線(xiàn)

1) 隨著軸壓比的增大，試件的極限承載力逐漸降低，而延性呈先上升后降低的趨勢(shì)。與軸壓比為0.34 的試件相比，軸壓比為0.4、0.5、0.6、0.7 的試件的極限承載力分別降低了1.2%、3.9%、8.3%、13.9%；軸壓比為0.4 的試件延性增大了3.2%，軸壓比為0.5、0.6、0.7 的試件延性分別降低了20.4%、18.4%、21.9%。這說(shuō)明軸壓比是影響T 型鋼-方鋼管混凝土柱抗震性能的關(guān)鍵影響因素，參照相關(guān)規(guī)范對(duì)延性系數(shù)的要求發(fā)現(xiàn)，T 型鋼-方鋼管混凝土柱在高軸壓比下仍具有較好的抗震性能。

2) 隨著T 型鋼翼緣厚度的增大，試件的極限承載力和延性逐漸增大。與T 型鋼翼緣厚度為4 mm 的試件相比，厚度為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm 的試件的極限承載力分別增大了3.7%、6.4%、10.6%、14.5%，延性分別增大了4.6%、8.2%、10.6%、14.9%。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)9 個(gè)T 型鋼-方鋼管混凝土異形柱進(jìn)行的抗震性能有限元建模分析得到以下結(jié)論：①模型的破壞形態(tài)、分析所得的滯回曲線(xiàn)和骨架曲線(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果誤差在10%以?xún)?nèi)，吻合較好。②試件處于彈性階段以前，鋼材并未出現(xiàn)屈服，隨后受壓及受拉區(qū)T 型鋼翼緣先出現(xiàn)屈服。在極限荷載附近時(shí)，縱筋及T 型鋼腹板出現(xiàn)屈服，水平位移不斷增大，核心區(qū)鋼管出現(xiàn)屈服，增大T 型鋼翼緣厚度是提高抗震性能的有效方式。③軸壓比增大時(shí)，試件的極限承載力和延性出現(xiàn)退化，但采用T 型鋼-方鋼管的配鋼形式可以使十字形柱在高軸壓比下抗震性能滿(mǎn)足規(guī)范要求。隨著T 型鋼翼緣厚度的增大，試件的極限承載力和延性逐漸增大，延性最大增幅達(dá)14.9%。