SC樁抗震性能有限元分析

陸　濤，趙　林，毛永平

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥　230009；2.安徽保利房地產開發有限公司，安徽 合肥　230081；3. 建華建材投資有限公司，江蘇 鎮江　212413)

?

SC樁抗震性能有限元分析

陸濤1，趙林2，毛永平3

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥230009；2.安徽保利房地產開發有限公司，安徽 合肥230081；3. 建華建材投資有限公司，江蘇 鎮江212413)

摘要：文章利用Abaqus軟件對SC樁在低周往復荷載作用下的抗震性能進行有限元模擬，根據有限元模擬結果對其破壞特征和骨架曲線進行初步分析，并通過改變壁厚，分析其對SC樁承載力、剛度產生的影響。結果表明, SC樁的破壞表現出明顯的塑性特征，塑性變形能力強；滯回曲線形狀飽滿，耗能能力好；隨著鋼管壁厚的增加，承載力近似呈線性增加；混凝土壁厚在一定范圍內對SC樁承載力有較大影響。

關鍵詞：SC樁；擬靜力分析；有限元模擬；骨架曲線

鋼管混凝土管樁(簡稱SC樁)是在鋼管內離心澆筑混凝土,并通過蒸汽養護而形成的空心組合構件，具有承載力高、塑性和韌性好及種類多等優點[1-3]，這對于彌補常用的PHC樁抗剪、抗彎性能較差以及脆性等缺陷[4]具有重要意義。但是，目前國內對于SC樁的研究還較少，且主要集中在靜力性能方面[3,5-6]，而對于其抗震性能的研究則尚未見研究報道，這嚴重限制了SC樁在高烈度地區的推廣應用。

本文以SC管樁的擬靜力有限元模擬為基礎，對其抗震性能進行初步分析和研究。

1試件設計

為研究SC樁的破壞形態、耗能能力及承載力等抗震性能，設計一個試件進行擬靜力有限元分析，模擬時管樁一端完全固結，對另一端施加水平低周反復荷載[7],主要參數見表1所列。

表1　SC樁試件的主要參數

2有限元模型

2.1材料本構關系

(1) 鋼材本構關系。本文在有限元分析中采用Abaqus軟件中的塑性分析(Plastic)模型，該模型在多軸應力狀態下滿足經典的Von.Mises屈服準則，采用各向同性的強化準則，并服從相關流動法則。鋼材理想化的單軸應力-應變關系曲線，如圖1所示。

圖1　鋼材應力-應變關系曲線

(2) 混凝土本構關系。在Abaqus軟件的材料庫中有3種不同的混凝土塑性本構關系模型,即混凝土損傷塑性模型、混凝土彌散開裂模型及混凝土裂紋模型，其中混凝土損傷塑性模型可以用來分析在循環和動力荷載作用下的混凝土等準脆性材料結構[8]，且收斂性好，因此，本文選用該模型模擬鋼管混凝土中離心混凝土材料特性。混凝土塑性損傷模型單軸應力-應變關系如圖2所示。

圖2　混凝土應力-應變關系曲線

2.2單元類型和材料接觸

本文對SC樁進行有限元建模時，離心混凝土采用六面體實體單元(C3D8R),鋼管既可以采用殼單元，也可以采用實體單元。

根據文獻[3]計算經驗，發現使用實體單元的結果更接近于實際，且容易收斂，故本文有限元建模時，鋼管也采用六面體實體單元。

界面法線方向的接觸和切線方向的粘結滑移構成了鋼管與混凝土的界面模型。本文對鋼管與混凝土界面法線方向的接觸采用“硬”接觸[9]；界面切向力模擬采用庫侖摩擦模型，鋼管與混凝土之間的摩擦系數按照文獻[10]建議值取0.6。

2.3加載制度

對于擬靜力水平反復加載，常采用加載制度有位移控制加載法、荷載控制加載法及荷載位移-混合控制加載法[7]。本次模擬采用荷載-位移混合控制加載法，在試件屈服前以荷載控制加載，每級荷載反復1次，試件屈服后以位移控制加載，每級反復3次。

3有限元計算結果

3.1應力云圖和破壞特征

提取有限元軟件的Mises應力云圖，如圖3所示，從圖中可以看出，有限元模擬的最大應力出現在管樁的根部，距底端約25 mm處。在荷載控制階段加載到最大值160 kN時，管樁根部開始出現鼓屈，鋼管和混凝土脫開，鋼管應力達到屈服。

位移控制加載階段，管樁根部鋼管的應力不斷增大，隨著反復加載，呈橢圓形逐漸向周邊強化，并且鼓屈現象越來越明顯。

圖3　SC樁試件的Mises應力云圖

3.2荷載-位移滯回曲線

試件的荷載-位移滯回曲線如圖4所示，由圖4可見，SC樁的滯回曲線形狀飽滿，包圍的面積較大，反映出SC樁塑形變形能力強，耗能能力好。

3.3荷載-位移骨架曲線

荷載-位移滯回曲線中,各級第一循環的峰值點依次相連形成的包絡曲線稱為骨架曲線，提取SC樁的荷載-位移骨架曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，SC樁在彈塑性階段表現出較為明顯的屈服特性，并且在大位移的情況下仍保持較高的承載力。

圖5　SC樁試件的骨架曲線

4參數分析

4.1鋼管壁厚影響分析

對于SC樁，在其他參數不變的情況下，改變鋼管壁厚，壁厚分別為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm，分析結果如圖6所示。

圖6　SC樁不同鋼管厚度下有限元結果對比

從圖中可以看出，隨著鋼管壁厚的增加，承載力逐漸增大，鋼管厚度從6 mm到8 mm試件承載力變化最大，4 mm到6 mm承載力最為接近，尤其在彈性階段，基本重合。

由于受到鋼材的本構關系和有限元軟件模擬的局限性，SC樁荷載-位移骨架曲線中無法直接讀取極限荷載，本文選擇加載到最大位移108 mm時的荷載作承載力比較。

當鋼管壁厚分別為4、6、8、10 mm時，其壁厚對承載力的影響近似呈線性提高。

4.2混凝土壁厚影響分析

在其他參數不變的情況下，改變SC樁混凝土的壁厚，壁厚分別為90 mm、100 mm、110 mm、120 mm，分析結果如圖7所示。

圖7　SC樁不同混凝土厚度下有限元結果對比

從圖中可以看出，混凝土壁厚對SC樁的承載力有一定的影響，混凝土壁厚從90 mm到100 mm承載力變化不大，從100 mm到110 mm承載力變化最為明顯，110 mm到120 mm骨架曲線基本重合，承載力幾乎沒有變化，說明混凝土壁厚對SC樁的抗震性能提高并非越大越好。

當壁厚分別為90 mm、100 mm、110 mm、120 mm時，其承載力分別為233.5 kN、237.9 kN、287.5 kN、289.4 kN,可見混凝土壁厚在一定范圍內對承載力影響較大。

5結論

(1) SC樁具有較強的塑性變形能力和耗能能力，且在大位移情況下仍保持較高的承載力。

(2) 鋼管壁厚對SC樁的承載力影響較大，隨著鋼管壁厚的增加，承載力近似呈線性增加。

(3) 混凝土壁厚在一定范圍內對SC樁承載力有較大影響。

〔參考文獻〕

[1]鐘善桐.鋼管混凝土結構[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2]韓林海.鋼管混凝土結構-理論與實踐(第2版)[M].北京：科學出版社，2007.

[3]汪春雨.鋼管混凝土樁的力學性能研究[D].沈陽：沈陽工業大學, 2010.

[4]張星宇,柳炳康,凌應軒,等.預應力混凝土管樁與承臺結合部抗剪承載力的試驗研究[J].建筑結構, 2008,38(4):11-14.

[5]卓楊,曹進捷,邱松.大直徑離心鋼管混凝土管樁抗彎承載力研究[J].巖土工程學報, 2011,33(S2):135-138.

[6]李立權.鋼管混凝土管樁[J].混凝土與水泥制品, 1994(1):41-42.

[7]JGJ 101-96，建筑抗震試驗方法規程[S].

[8]王金昌.ABAQUS在土木工程中的應用[M].杭州：浙江大學出版社，2006.

[9]Hibbit, Karlson, Sorenson. ABAQUS Version 6.4; Theory Mannual, Users' Mannual, Verification Mannual and Example problems Mannual[M]. Hibbt, Karlson and Sorenson Inc, 2003.

[10]羅瑤.四肢鋼管混凝土格構柱抗震性能研究[D].長沙：中南大學，2013.

收稿日期：2016-03-10；修改日期：2016-03-15

作者簡介：陸濤(1990-)，男，安徽合肥人，合肥工業大學碩士生．

中圖分類號：TU473

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0204-03