離心鋼管混凝土樁抗剪性能研究

湯青森，楊俊峰，王為民

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥　230009)

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離心鋼管混凝土樁抗剪性能研究

湯青森，楊俊峰，王為民

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥230009)

摘要：針對離心鋼管混凝土樁(普通SC樁),建立有限元橫向受剪模型,并利用該模型進行參數分析,試件的參數包括材料的強度、鋼管的壁厚、樁壁的壁厚和剪跨比。結果表明,剪跨比λ≤0.8的普通SC樁構件為剪切破壞,0.8<λ≤1.0的普通SC樁構件為彎剪破壞,λ>1.0的普通SC樁構件為彎曲破壞。根據有限元計算結果,擬合推導出離心鋼管混凝土樁抗剪承載力的經驗公式。

關鍵詞：離心鋼管混凝土樁;有限單元法;抗剪承載力;剪跨比

0引言

離心鋼管混凝土樁[1](普通SC樁),是采用鋼板卷曲成型焊接制成鋼管,并在鋼管內澆筑混凝土,通過離心成型制成承受較大豎向荷載和水平荷載的新型基樁制品。與預應力混凝土管樁(PHC樁)生產工藝相比,普通SC樁工藝簡單。工序減少,生產效率提高,從而為降低工程建設成本提供了可能性,同時普通SC樁還具備彈塑性好、剛度大、自重輕、可工廠加工等優點,已經廣泛應用于工業、電力等領域的實際工程應用中。目前對鋼管混凝土抗剪研究主要集中在圓鋼管混凝土柱方面[1-4]。本文基于有限元軟件ABAQUS建立了普通SC樁在橫向受剪荷載作用下的有限元模型,并基于此理論模型進行參數分析,主要分析材料的強度、鋼管的壁厚、樁壁的壁厚、剪跨比等主要參數對其荷載-變形曲線的影響參數。最終基于參數分析的數據和結論,擬合推導離心鋼管混凝土樁抗剪承載能力經驗公式。

1有限元模型

普通SC樁構造如圖1所示,其中D指鋼管的外徑,t指的是樁壁壁厚,ts表示鋼管的厚度,L表示樁長。

圖1　SC樁試件構造

1.1材料的本構關系

在建立有限元模型時,選擇合理的材料模型是有限元分析的關鍵。本文利用有限元軟件ABAQUS建立模型時,鋼管本構關系以文獻[5]提出的二次塑流模型基礎,將其簡化成雙折線型,即只有彈性段和強化段,方便模型有利于收斂,其公式為

(1)

混凝土采用ABAQUS中的混凝土塑性損傷模型。其本構關系采用文獻[6]綜合經驗公式和實測數據提出的混凝土應力-應變關系。

1.2單元模型、裝配、相互作用及網格劃分

鋼管采用四節點有限膜應變線性減縮積分殼單元(S4R單元),S4R單元性能穩定,與S4單元(四節點有限膜應變線性完全積分殼單元)相比,其適用范圍更廣。

混凝土、加載板和樁卡采用三維八節點六面體線性減縮積分單元(C3D8R單元),兩種材料均采取線性減縮積分單元,與普通的完全積分相減縮積分單元在每個方向上比完全積分少一個積分點,而線性減縮積分單元只在單元中心有一個積分點。采用線性減縮積分單元,對位移的求解比較精準。按幾何位置關系定義相對關系,將各個部件裝配形成整體模型,其中樁卡作為實驗的支座。鋼管及混凝土與加載板、樁卡均采用綁定約束,保證加載板和混凝土在接觸面上位移一致。網格劃分采用網格試驗的方法來確定合理的網格密度。

1.3載荷和邊界條件

離心鋼管混凝土樁橫向受剪模型通過在加載板上施加力進行求解。在加載板施加壓強,壓強的大小為力的大小除以加載板的面積。需要經過多次的實驗來確定力值的大小。在支座底端設置的邊界條件為一端固定鉸支,一端滑動鉸支。

2抗剪性能參數分析

根據文獻[7]行業標準內樁的結構形狀,選擇生產最常見的樁型為典型算例:公稱直徑D為400 mm,樁壁厚度為90 mm;鋼管厚度為6 mm,單節樁長選擇3 m,鋼管的牌號為Q235,混凝土的強度等級為C80,剪跨比為1。觀察各模型剪力-撓度曲線的變化。其中剪力指剪跨段的剪力,而撓度指的是樁身跨中撓度。

2.1鋼材強度的影響

為了分析不同的鋼材的強度對普通SC樁構件抗剪性能的影響,本文選擇三種不同的鋼管牌號Q235、Q345、Q460,其他基本參數保持不變。觀察不同鋼材強度下,其模型的剪力-撓度曲線的影響,從圖2可看出,隨著鋼材強度的增加,構件的抗剪承載力均勻增大,幅度明顯。彈性階段剛度幾乎不變,而曲線的形態和發展趨勢較為一致。

圖2　不同鋼材強度的剪力-撓度曲線

2.2混凝土強度的影響

圖3給出了混凝土的強度對剪力-撓度曲線的影響。本文選擇混凝土等級為C60、C70、C80。

從圖3中可看出,在其他參數不變的情況下,隨著混凝土強度的提高,普通SC樁的抗剪承載能力也逐步增大,但提高的幅度較小,彈性階段剛度也提高較少,剪力-撓度曲線的形態和發展趨勢基本保持一致。

2.3鋼管壁厚的影響

保持截面的其他尺寸不變,那么截面的含鋼率(α=As/Ac,式中As和Ac分別表示鋼管和混凝土的橫截面積)與鋼管的壁厚有關,含鋼率隨著鋼管壁厚的增加而增加。

本文選擇三種不同的鋼管厚度,圖4給出了三種不同的鋼管厚度的剪力-撓度曲線,從圖4中可以看出,隨著鋼管的厚度的提高,普通SC樁的抗剪承載力越來越大,增加的幅度也較為均勻,曲線的形態基本保持不變。

圖3　不同混凝土強度的剪力-撓度曲線

圖4　不同鋼管厚度的剪力-撓度曲線

2.4樁壁壁厚的影響

普通SC樁樁壁壁厚包括鋼管壁厚加上混凝土的壁厚,保持其他參數不變,那么壁厚的增加也就是混凝土的壁厚的增加。圖5給出了不同壁厚情況下的剪力-撓度曲線,從圖5中可以看出,隨著壁厚的增加,構件的抗剪承載能力逐步增加,但增加的幅度很小。一開始,幾條曲線幾乎是一條重合的曲線,在達到比例極限后依次分開,彈性階段的剛度也幾乎沒有變化。

圖5　不同樁壁壁厚的剪力-撓度曲線

2.5剪跨比的影響

本文選擇幾種不同的剪跨比(λ=0.5、λ=0.8、λ=1、λ=1.2、λ=1.5),其他基本參數保持不變。圖6給出了不同剪跨比下剪力-撓度曲線,從圖6中可以看出,隨著剪跨比的減小,抗剪承載力逐漸增大,提高的幅度也越大,特別是當剪跨比λ=0.5時,抗剪承載力相比λ=0.8時的承載力提高了30%,隨著剪跨比的增大,曲線越趨于平滑。

圖6　不同剪跨比的剪力-撓度曲線

為了進一步進行抗剪分析,圖7給出了不同剪跨比情況下的τ-γ曲線(τ=V/Asc,γ為截面的最大剪應變),隨著剪跨比λ的增大,τ-γ曲線峰值不斷減小。當剪跨比在0.8和1之間時,抗剪承載力變化幅度最大,而當剪跨比大于1和小于0.8時,承載力變化幅度較小,可以定義當剪跨比λ≤0.8時,普通SC樁破壞形式為剪切破壞;當剪跨比0.8<λ≤1.0時,普通SC樁破壞形式為彎剪破壞;當剪跨比λ>1.0時,普通SC樁破壞形式為彎曲破壞。

圖7　不同剪跨比的τ-γ曲線

3抗剪承載力計算公式

文獻[8]將剪跨比等于零時的“純剪”受剪承載力V0設置成鋼管混凝土結構受剪承載力的上限。

V0=0.2Acfck+0.6Asfs=

(2)

根據參數分析中剪跨比影響的模型數據,隨著剪跨比的增加,抗剪承載力逐漸減小,圖7給出了有限元計算構件的Vu/V0和剪跨比λ的關系曲線,將圖7中各數值點進行擬合,得到離心鋼管混凝土樁抗剪承載力的經驗公式,即

(3)

圖8　普通SC樁抗剪承載力關系曲線

4結束語

采用大型通用有限元軟件ABAQUS模擬薄壁離心鋼管混凝土樁橫向受剪下的力學性能?；诖死碚撃Ｐ?可對各主要參數,包括材料的強度、鋼管的壁厚、樁壁壁厚和剪跨比等主要參數進行參數分析,并通過對剪跨比影響的主要分析,確定當剪跨比λ≤0.8時,普通SC樁破壞形式為剪切破壞;當剪跨比0.8<λ≤1.0時,普通SC樁破壞形式為彎剪破壞;當剪跨比λ>1.0時,普通SC樁破壞形式為彎曲破壞。本文還通過對有限元計算結果的擬合,提出了離心鋼管混凝土樁的抗剪承載力計算經驗公式。

〔參考文獻〕

[1]徐春麗.鋼管混凝土柱抗剪承載力試驗研究[D].濟南:山東科技大學,2004.

[2]錢稼茹,崔瑤,方小丹.鋼管混凝土柱受剪承載力試驗[J].土木工程學報,2007,40(5): 1-9.

[3]堯國皇.鋼管混凝土構件在復雜受力狀態下的工作機理研究[D].福州:福州大學,2006.

[4]郭淑麗.鋼管混凝土柱抗剪力學性能研究[D].福州:福州大學,2008.

[5]韓林海.鋼管混凝土結構——理論與實踐(第1版)[M].北京:科學出版社,2007.

[6]丁發興,余志武,蔣麗忠.圓鋼管混凝土結構非線性有限元分析[J].建筑結構學報,2006,27(4):110-115.

[7]JG-T 272-2010,預制高強混凝土薄壁鋼管樁[S].

[8]蔡紹懷.現代鋼管混凝土結構[M].北京:人民交通出版社,2003.

收稿日期：2016-03-18

作者簡介：湯青森(1987-),男,安徽蕪湖人,合肥工業大學碩士生．

中圖分類號：TU 473.01

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0247-03