L 形鋼管混凝土組合柱有限元分析

郭 翔

異形鋼管混凝土組合柱由異形鋼筋混凝土組合柱和鋼管混凝土柱發(fā)展而來，其具有抗壓承載力高、塑性和韌性好、耐火性好等優(yōu)點。它的應(yīng)用可以滿足高層和超高層建筑對大跨度以及重載的要求，不僅彌補了異形鋼筋混凝土承載力不足的缺陷，還避免了廢梁廢柱以及房間出現(xiàn)棱角等，適合建筑布局，增大建筑使用面積［1］。異形鋼管混凝土組合柱常見的形式有三種，即十字形、T形和L形。本文主要針對異形柱中的L形柱進行研究，利用有限元軟件ABAQUS模擬試件，對三個不同鋼管直徑的L形鋼管混凝土組合柱進行軸心壓力作用下的受力性能分析。

1 試件截面尺寸

本文取核心鋼管直徑分別為89 mm，108 mm和133 mm，壁厚均為4 mm，建立三種鋼管直徑大小不同的L形鋼管自密實混凝土組合柱，試件外包截面尺寸為300 mm×300 mm，肢寬150 mm，肢長75 mm，柱高度均為900 mm。縱向鋼筋與水平箍筋均采用HPB235級鋼筋，其中縱向鋼筋直徑10 mm，水平箍筋直徑8 mm。三種試件的截面尺寸示意圖如圖1所示。

圖1 試件尺寸

2 材料的本構(gòu)關(guān)系

1)混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型。外部自密實混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型采用胡瓊《自密實混凝土基本力學(xué)性能試驗研究》中的本構(gòu)關(guān)系模型［2］，如圖2所示。

圖2 鋼管外混凝土的本構(gòu)關(guān)系圖

2)核心混凝土的本構(gòu)關(guān)系。核心混凝土采用韓林海提出的圓鋼管核心混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系模型［3］，如圖3所示。

3)鋼材的本構(gòu)關(guān)系。本文縱筋、箍筋和鋼管均采用多折線性隨動強化模型(MKIN)，如圖4所示。泊松比均為0.25。鋼材受拉超過屈服平臺后進入強化段，強化段簡化為直線，屈服平臺對應(yīng)的最大應(yīng)變即假設(shè)為εs=4εy。

圖3 核心混凝土的本構(gòu)關(guān)系圖

圖4 鋼材的本構(gòu)關(guān)系圖

3 有限元模擬的確定

為了能夠使計算收斂，本分析中的Time period為0.1;Nlgeom為 on;Maximum number of increments為 100;Initial為0.001;Minimum為1E－005;Maximum為0.1。

圖5 鋼管應(yīng)力云圖

圖6 變形圖

結(jié)合試驗中試件的實際約束邊界及加載方式，將柱底混凝土節(jié)點的3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度全部約束。加載方式采用靜力加載方案，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。軸向壓力通過對柱頂面施加均勻面荷載實現(xiàn)，這與試驗過程軸向壓力加載方式完全相同。然后在柱頂單調(diào)加載，水平荷載直接施加在柱頂?shù)膯蝹€節(jié)點會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，且運算不收斂。因此，在水平位移施加之前，對柱頂所有節(jié)點耦合水平加載方向的平動自由度。加載過程僅對耦合后的主節(jié)點位移加載，這種加載形式能夠很好避免應(yīng)力集中，且操作簡便。

4 結(jié)果分析

圖5為鋼管的應(yīng)力云圖，從云圖上可以看出，鋼管的應(yīng)力分布為柱身中部處最大，荷載由柱端向柱身中部傳遞，試件破壞最大的部位為柱身中部處。可以看出，鋼管中間截面變形凸出，鋼管在柱身中部處體積增大，而鋼管在荷載作用下的長度明顯的變小，說明鋼管此時產(chǎn)生了縱向與環(huán)向變形，柱身中部處的變形最大。

荷載作用下鋼管核心混凝土與外部混凝土及核心混凝土的破壞形態(tài)與鋼管基本一致，同樣是在柱身中部處應(yīng)力最大，此處產(chǎn)生的變形也為最大，混凝土向外鼓曲，中間截面的體積明顯增大，如圖6所示。

圖7 三種試件的荷載—位移曲線

比較三種試件的承載力與縱向位移的數(shù)值，并繪制成荷載—位移曲線，如圖7所示。

從圖7可以看出，三種試件的荷載—位移曲線的形狀大致相同，其達到峰值荷載時所對應(yīng)的位移基本相同，但試件的承載力卻不相同。從圖7中可以得到Y(jié)Z-L133的承載力最大，為2 858.5 kN;YZ-L108 次之，為2 755.7 kN;而 YZ-L89 最小，為2 699.0 kN。

通過荷載—位移曲線可以看出，三種試件在施加荷載的初期，曲線均為直線上升趨勢增長，且三條曲線基本重合，材料處于彈性變化范圍內(nèi)。當(dāng)荷載施加到試件的極限承載力時，試件的荷載—位移曲線開始下降，說明此時試件已經(jīng)出現(xiàn)破壞，承載力降低，試件材料開始屈服，進入了彈塑性階段。從各曲線下降段的斜率看，試件YZ-L89的斜率較大，曲線的下降段較陡，而試件YZL108的次之，較YZ-L89的緩，而YZ-L133的曲線下降段趨于平直線。以上可以定性的說明試件延性性能的大小，相比之下，試件YZ-L89的延性最差，當(dāng)荷載達到極限荷載之后，曲線立即下降，下降的趨勢和速度最大，而另外兩種試件的延性要好于YZ-L89。

5 結(jié)語

1)通過對L形截面試件的有限元模擬分析，可知試件的中間截面破壞最為嚴(yán)重，柱身中部處鋼管與鋼筋的縱向變形與橫向變形最為明顯。2)隨著核心鋼管直徑的增大，試件的極限承載力也逐漸增大，但三種試件極限承載力所對應(yīng)的位移基本相同，說明各試件的峰值位移與鋼管直徑的大小無關(guān)。

［1］ 湯杰瑤，吳超華.軸壓鋼管混凝土的有限元分析［J］.山西建筑，2010，36(17):69-70.

［2］ 胡 瓊，顏偉華，鄭文忠.自密實混凝土基本力學(xué)性能試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2008(10):90-93.

［3］ 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)——理論與實踐［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.