L形配筋鋼管混凝土異形柱壓彎性能

韓云山，鄭 亮

（中北大學 土木工程系，太原 030051）

異形柱是指截面幾何形狀分別為L形、T形或十字形，且截面各肢的肢高和肢厚比不大于4的柱子[1]。異形柱結構可以避免室內出現柱楞，增加其使用面積，能夠更好地滿足人們對建筑物的使用要求，是一種具有廣泛應用前景的結構形式。為克服鋼筋混凝土異形柱的軸壓比限值較低、抗震性能較差的弱點，同時考慮到鋼管混凝土具有承載力高、延性好及施工簡便的優點，因此學者對鋼管混凝土異形柱的受力性能進行了研究。同濟大學對T，L形鋼管混凝土柱的抗震性能進行了研究[2-3]。華南理工大學[4-5]對6根L形及6根T形帶約束拉桿鋼管混凝土柱的軸心受壓進行了研究，天津大學對L形方鋼管混凝土組合異形柱的軸壓穩定性研究[6]。總的來說，目前對不同截面形式的鋼管混凝土異形柱的試驗研究仍然較少。筆者為了研究L形鋼管混凝土異形柱壓彎的性能，同時為進一步提高鋼管混凝土異形柱的承載力和塑性變形能力，對L形鋼管混凝土異形柱的內部配置螺旋形箍筋并研究其壓彎性能。

筆者分析了L形配筋及未配筋鋼管混凝土異形柱的截面形式及加載點的布置，如圖1所示。應用ABAQUS通用有限元軟件對L形鋼管混凝土異形柱的壓彎性能進行了數值模擬研究，試件的基本參數如表1所示。在鋼管寬度為100mm的前提下，著重考察了鋼管混凝土異形柱的軸壓和壓彎性能及配筋對鋼管混凝土異形柱的軸壓和壓彎性能的影響。

圖1 L形配筋及未配筋鋼管混凝土的截面形式及加載點的布置

表1 未配筋試件參數及承載力

1 有限元模型的建立

1.1 模型單元類型及邊界條件

在ABAQUS有限元模型中，混凝土采用8節點減縮積分格式的三維實體單元（C3D8R），鋼管均采用四節點完全積分格式的殼單元（S4），為了滿足一定的計算精度，在殼單元厚度方向采用9個積分點的simpson積分。鋼筋采用wire單元。鋼管和混凝土界面模型由切向滑移和法向接觸兩部分組成，沿接觸面切向采用庫侖摩擦及有限滑移（limited sliding），剪切滑移系數取為0.6[7]；沿接觸面法向取為硬接觸（hard contact），允許材料分離但不允許互相穿透，能較好地模擬真實的界面性能。鋼筋與混凝土兩種不同材料在鋼管混凝土中共同工作，并且它們之間具有足夠的粘結強度，因此在ABAQUS中采用埋入單元（Embedded element）來模擬鋼管混凝土中鋼筋和混凝土的相互作用。異形柱上下表面邊界條件采用鉸接連接，柱上表面約束X、Y方向的位移，柱下表面約束X、Y、Z方向的位移，在柱頂采用位移加載的方式。

1.2 模型材料模型

在ABAQUS有限元軟件中混凝土的材料采用CONCRETE DAMAGED PLASTICITY模型，其混凝土抗壓模型采用單軸受壓應力-應變全曲線方程[8]：

上式中的縱、橫坐標為：

參數αa，αd分別按下式計算：

混凝土抗拉模型采用單軸受拉應力-應變全曲線方程[8]：

上式中的縱、橫坐標為：

參數αt按下式計算：

混凝土材料參數，軸心抗壓強度fc為19.1MPa，抗拉強度為2.04MPa，彈性模量E為3.6×104MPa，泊松比υc為0.2。

鋼材采用理想的彈塑性模型，屈服強度fy為345MPa，彈性模量Eg取為2.1×105MPa，泊松比υg取為0.3。

2 計算結果分析

2.1 偏心距e的影響

通過ABAQUS有限元軟件對L形鋼管混凝土異形柱及配筋L形鋼管混凝土異形柱進行了非線性數值模擬，偏心距e沿著L形異形柱對角線（45°）變化，得到L形鋼管混凝土及L形配筋鋼管混凝土柱的異形柱荷載F-D變化曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 鋼管混凝土異形柱F-D曲線（t＝4mm）

圖3 鋼管混凝土異形柱F-D曲線（t＝5mm）

從圖2，3可以看出，配筋及未配筋L形鋼管混凝土異形柱的荷載（F）-位移（D）曲線可以分為四個階段：彈性階段（曲線中的直線上升段）、彈塑性階段（曲線中的上升段中的曲線段，曲線段在上升段）、穩定上升段。鋼管混凝土異形柱達到彈塑性階段后，承載力會有一定程度的增長，但承載力增長較為緩慢，而變形增長較快。因鋼管截面面積較小，對混凝土的約束較強，并且鋼管受到彎曲的作用，故配筋及未配筋L形鋼管混凝土異形柱的荷載-位移曲線未呈現出矩形鋼管混凝土柱荷載-位移曲線典型的破壞特征。

通過荷載-位移曲線可知：

1）隨著沿L形鋼管混凝土異形柱45°角偏心距e的增加，荷載-位移曲線的彈性階段由短變長，再由長變短，并且彈性階段的抗彎剛度由小變大，再由大變小，而彈塑性階段則與彈性階段呈現相反的變化規律；

2）配筋及未配筋鋼管混凝土柱的承載力在偏心距為125mm時達到最大，大于或小于125mm時最大承載力逐漸減小；

3）在偏心距e為125mm時，對于鋼管混凝土異形柱達到極限承載力后，承載力有微小的下降，而對于配筋鋼管混凝土異形柱，由于螺旋箍筋對混凝土的約束作用，承載力只有上升段而無下降段；

4）軸心受壓的荷載-位移曲線與偏心受壓的荷載-位移曲線基本相近。

通過分析可知，鋼管混凝土異形柱沿著30°和15°加載時，荷載-位移曲線隨偏心距增加呈現相同的變化規律。但達到最大承載力時的偏心距e減小。

2.2 角度變化的影響

通過有限元軟件ABAQUS對L形鋼管混凝土異形柱及配筋L形鋼管混凝土異形柱進行了非線性數值模擬，加載角度分為15°、30°、45°變化，得到L形鋼管混凝土及L形配筋鋼管混凝土柱的異形柱荷載（F）-位移（D）在不同加載角度下的變化曲線，如圖4，5所示。

圖4 鋼管混凝土異形柱F-D曲線（t＝4mm，e＝50mm）

圖5 鋼管混凝土異形柱F-D曲線（t＝4mm，e＝100mm，Φ＝8mm）

通過荷載-位移曲線可知：

1）在相同的偏心距e的條件下，隨加載角度的增加荷載-位移曲線的彈性階段由短變長，45°角時，彈性階段達到最長，并且彈性階段的抗彎剛度由小變大，45°角加載時抗彎剛度達到最大；

2）在相同的偏心距e的條件下，配筋及未配筋L形鋼管混凝土異形柱的承載力在45°角加載時達到最大，大于或小于45°時最大承載力逐漸減小；

3）隨著偏心距e的增加，最大承載力相差也逐漸加大。

因此，在相同偏心距的條件下，加載點位于L形鋼管混凝土異形柱的角平分線（即45°）時，對L形鋼管混凝土異形柱最有利。

2.3 管壁厚度和配筋率的影響

通過有限元軟件ABAQUS對L形鋼管混凝土異形柱及配筋L形鋼管混凝土異形柱的進行了非線性數值模擬，在不同壁厚和配筋率的條件下，得到L形鋼管混凝土及L形配筋鋼管混凝土柱的異形柱荷載（F）-位移（D）的變化曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 鋼管混凝土異形柱F-D曲線（e＝100mm）

圖7 鋼管混凝土異形柱F-D曲線

通過荷載-位移可知：

1）在相同偏心荷載下，鋼管壁厚的增加可提高對混凝土的約束能力，故壁厚的增加可增加鋼管混凝土異形柱的承載力；

2）在相同的條件下，配筋率的增加也可在一定程度上增加鋼管混凝土異形柱的承載能力；

3）與增加配筋率相比，增加壁厚可以較大程度提高承載力和鋼管混凝土異形柱的彈性抗彎剛度。

2.4 鋼管混凝土異形柱的鋼管及鋼筋的變形

在偏心和軸心荷載作用下，鋼管混凝土異形柱的鋼管及配筋的變形如圖8所示。

圖8 軸壓荷載作用下不配筋鋼管混凝土異形柱鋼管的變形

配筋及未配筋鋼管混凝土異形柱在軸心荷載作用下：

1）不配筋鋼管混凝土異形柱和配筋鋼管混凝土異形柱，其變形形式發生了較大的變化。兩種鋼管混凝土異形柱都發生剪切型破壞，但破壞的方式不同，對于不配筋鋼管混凝土異形柱角柱中部發生局部屈曲，邊柱則在中上部和中下部發生局部屈曲，邊柱在兩屈曲之間鋼管混凝土沿著角柱和邊柱中心的連線向外鼓曲，在邊柱和角柱屈曲處的連線上可以明顯看出兩條剪切變形的線；對于配筋鋼管混凝土異形柱則是角柱中上部和中下部發生局部屈曲，角柱在兩屈曲之間鋼管混凝土沿著異形柱45°角線外側鼓曲，邊柱在中部發生局部屈曲，在邊柱和角柱屈曲處的連線上可以明顯的看出兩條剪切變形的線。

配筋鋼管混凝土異形柱在軸心荷載作用下：

1）縱鋼筋全部達到屈服荷載，并在屈曲處發生側向的彎曲變形；

2）螺旋箍筋除在屈曲變形處達到屈服荷載，其余均未達到屈服荷載。

配筋及未配筋鋼管混凝土異形柱在偏心荷載沿45°角的作用下：

1）當偏心荷載小于100mm時，鋼管混凝土異形柱將沿著異形柱的對角線向角柱方向發生彎曲，角柱將全截面受壓，并沿著自身的對角線發生雙向彎曲；邊柱也發生雙向彎曲，但邊柱截面隨著偏心距的變化有可能受拉也可能受壓。

2）當偏心荷載大于125mm時，鋼管混凝土異形柱將沿著異形柱的對角線向邊柱方向發生彎曲，邊柱將全截面受壓，并沿著自身的對角線發生雙向彎曲；角柱也發生雙向彎曲，但截面隨著偏心距的變化有可能受拉也可能受壓。

3）當異形柱偏心距e從100mm向125mm變化時，鋼管混凝土異形柱的彎曲變形方向將從偏向角柱的彎曲變形向偏向邊柱的彎曲變形變化。

4）不配鋼筋鋼管混凝土異形柱在彎曲受壓側發生明顯的局部屈曲，而配筋鋼管混凝土異形柱來說，由于螺旋箍筋對混凝土的約束作用，受壓側的局部屈曲不明顯。

通過對加載角度為30°、15°的鋼管混凝土異形柱的分析可知：

1）當偏心荷載為100mm時，鋼管混凝土異形柱將沿著異形柱的對角線向角柱方向發生彎曲，但隨著加載角度的減小，彎曲變形偏向加載側；

2）當偏心荷載為150mm時，鋼管混凝土異形柱將向發生彎曲，但彎曲不在趨向沿異形柱對角線，而是趨向于沿著異形柱的邊彎曲，并且隨著加載角度的減小，彎曲變形偏向加載側。

配筋鋼管混凝土異形柱在45°角的偏心荷載作用下：

1）彎曲受壓側的縱向鋼筋全部達到屈服強度，并發生相應的彎曲變形；

2）彎曲受壓側的箍筋全部達到屈服，而另一側的螺旋箍筋并未達到屈服強度。

從箍筋的屈服程度來看，受壓側混凝土有明顯的膨脹趨勢，并從側面反映出箍筋對核心混凝土有一定的約束能力。

3 結論

1）由于配筋的作用，配筋鋼管混凝土異形柱和不配筋鋼管混凝土異形柱的破壞模式不相同。

2）壁厚和配筋率的增加，將提高鋼管混凝土異形柱的抗彎承載力，但增加壁厚對提高抗彎承載力作用更明顯。

3）隨加載角度和偏心距的變化，鋼管混凝土異形柱的變形方式將發生較顯著變化。

[1]JGJ149-2006.混凝土異形柱結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.

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