型鋼混凝土柱的數(shù)值模擬分析★

王城泉 鄒昀 郭翔

隨著建筑物的高度和跨度都在不斷增大，柱子將要承擔(dān)越來越大的軸向壓力。當(dāng)采用混凝土柱時(shí)，即使提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，由于軸壓比的限制，柱截面往往很大，宜形成短柱，對(duì)抗震不利。但如果改用SRC柱，由于其承載力可比相同截面的混凝土柱高出近一倍，所以柱截面將顯著減少［1，2］。因此，在混凝土(RC)柱中設(shè)置核心型鋼，是RC結(jié)構(gòu)重載柱提高抗震性能的主要組合結(jié)構(gòu)形式之一［3，4］。為了較為準(zhǔn)確的了解型鋼混凝土柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能，利用ABAQUS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性有限元分析。

1 有限元模擬

1.1 模型的基本信息

為了驗(yàn)證有限元分析的有效性與合理性，首先以試驗(yàn)構(gòu)件為研究對(duì)象［5-7］，建立兩根 SRC柱的有限元模型，試件高度為1.35 m。柱截面如圖1所示，采用HRP335的對(duì)稱配筋，縱筋配筋率為1.81%，箍筋6φ@100。構(gòu)件參數(shù)詳細(xì)信息見表1。表1中，ρs，s為鋼骨率，%;bf，tf分別為型鋼的翼緣寬度和厚度;tw，hw分別為腹板的寬度與高度;n0為軸壓比。

分析模型中混凝土、鋼筋及型鋼采用ABAQUS中的Solid單元，如圖2所示;縱筋和箍筋采用Wire單元。

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

1)混凝土材料本構(gòu)關(guān)系。對(duì)于SRC 柱可劃分為箍筋外無約束混凝土區(qū)和箍筋內(nèi)有約束混凝土區(qū)，箍筋外認(rèn)為混凝土處于單軸受壓應(yīng)力狀態(tài)，采用Saenz模型來模擬無約束區(qū)混凝土單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。箍筋內(nèi)認(rèn)為混凝土處于多軸受力狀態(tài)，可等效為單軸受壓應(yīng)力狀態(tài)，所采用的混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖1 SRC柱截面圖

圖2 分析模型

表1 構(gòu)件基本參數(shù)

圖3 混凝土受壓的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系圖 圖4 鋼材本構(gòu)關(guān)系圖

本文涉及到的部分等級(jí)混凝土的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)實(shí)測(cè)鋼材指標(biāo)

2)鋼材本構(gòu)關(guān)系。本文縱筋、箍筋和型鋼均采用常用的多折線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(MKIN)，如圖4所示。泊松比均為0.25。鋼材受拉超過屈服平臺(tái)后進(jìn)入強(qiáng)化段，強(qiáng)化段簡化為直線，屈服平臺(tái)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)變即假設(shè)為εs=4εy。受拉鋼筋和型鋼翼緣的極限拉應(yīng)變根據(jù) fy，fu，E1，E2計(jì)算得到。

計(jì)算分析中采用了與試驗(yàn)構(gòu)件相同的鋼材強(qiáng)度等級(jí)，模型的材料力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

1.3 邊界條件和加載方式

結(jié)合試驗(yàn)中試件的實(shí)際約束邊界及加載方式是:將柱底混凝土節(jié)點(diǎn)的3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度全部約束。加載方式采用靜力加載方案(見圖5)，根據(jù)軸壓比推算出軸向壓力，先在柱頂施加軸向壓力，并在下一步施加側(cè)向力的過程中保持壓力值不變。軸向壓力通過對(duì)柱頂面施加均勻面荷載實(shí)現(xiàn)，這與試驗(yàn)過程軸向壓力加載方式完全相同。然后在柱頂單調(diào)加載，使SRC柱在強(qiáng)軸方向產(chǎn)生彎曲。水平荷載直接施加在柱頂?shù)膯蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，且運(yùn)算不收斂。因此，在水平位移施加之前，對(duì)柱頂所有節(jié)點(diǎn)耦合水平加載方向的平動(dòng)自由度。加載過程僅對(duì)耦合后的主節(jié)點(diǎn)位移加載，這種加載形式能夠很好避免應(yīng)力集中，且操作簡便。

圖5 模型的邊界條件和加載

2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)ABAQUS有限元模型進(jìn)行靜力加載分析，可以得到構(gòu)件在不同加載階段的截面應(yīng)力發(fā)布和構(gòu)件的變形情況。SRC1柱和SRC2柱的頂端水平荷載—水平位移曲線(P—Δ曲線)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖6，圖7所示。以SRC1柱為例，試驗(yàn)得到的屈服荷載Py=102 kN，有限元計(jì)算的Py=115 kN，二者誤差在11%，試驗(yàn)得到的屈服位移Δy=4.8 mm，有限元計(jì)算的Δy=5.3 mm，二者誤差達(dá)10%。SRC2柱的對(duì)比結(jié)果也反映出計(jì)算結(jié)果與計(jì)算比較吻合。同樣，從圖6，圖7可以看出，計(jì)算分析所得P—Δ曲線與試驗(yàn)曲線比較接近。

圖6 SRC1試件的力—位移曲線對(duì)比圖

有限元分析及試驗(yàn)得到的P—Δ曲線上均具有屈服段，說明具有較好的變形能力。SRC1與SRC2柱的鋼骨率分別為1.23%與4.88%，二者的延性系數(shù)分別為3.37與4.41，說明 SRC柱在高軸壓比下也具有良好的變形能力。

圖7 SRC2試件的力—位移曲線對(duì)比圖

3 結(jié)語

1)采用ABAQUS軟件模擬試驗(yàn)過程中構(gòu)件的應(yīng)力和變形情況，在材料本構(gòu)和邊界條件合理設(shè)置的前提下，計(jì)算結(jié)果有較高的可信度。2)SRC柱的鋼骨率對(duì)構(gòu)件的變形能力有明顯的影響。配鋼率在3%以下時(shí)，構(gòu)件具有近乎水平的屈服段以及良好延性性能，SRC柱的鋼骨率宜設(shè)計(jì)在3%以下。3)當(dāng)SRC柱軸壓比超過混凝土規(guī)范的限值0.9時(shí)，仍然具有良好的變形能力。在軸向力較大的混凝土柱中配置核心鋼骨能夠較大幅度改善軸壓比超限柱的變形能力。

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