鋼管再生碎磚混凝土受壓短柱有限元分析

陳艷艷， 梁麗君

(1.南寧學院土木與建筑工程學院，廣西南寧 530200；2.紐卡斯爾大學建筑規劃景觀學院，英國紐卡斯爾，NE1 7RU; 3.桂林電子科技大學，廣西桂林 541004)

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鋼管再生碎磚混凝土受壓短柱有限元分析

陳艷艷1，2， 梁麗君1,3

(1.南寧學院土木與建筑工程學院，廣西南寧 530200；2.紐卡斯爾大學建筑規劃景觀學院，英國紐卡斯爾，NE1 7RU; 3.桂林電子科技大學，廣西桂林 541004)

【摘要】為了研究鋼管再生碎磚混凝土與普通鋼管混凝土受軸力作用下變形的趨勢，以及不同水膠比作用下的再生碎磚混凝土對鋼管再生碎磚混凝土的影響，建立2組普通鋼管混凝土和6組鋼管再生碎磚混凝土有限元模型，進行數值模擬分析。結果表明：鋼管再生碎磚混凝土模型在受軸力作用下的變形趨勢與普通鋼管混凝土一致；再生碎磚混凝土水膠比取值不同，對鋼管再生碎磚混凝土的軸力值影響不同，取值小時軸力大。

【關鍵詞】鋼管混凝土；受壓短柱；水膠比；有限元

鋼管混凝土是將混凝土澆筑到鋼管中制成的鋼-混凝土組合結構[1]，其由于結構自身整體性好，承載力高，抗震性能好等方面的優勢在國內外都得到了良好的發展與運用[2-6]。隨著國家可持續發展戰略的深入，對再生混凝土進行科學研究并運用于工程實踐勢在必然，由于以再生混凝土取代普通混凝土制成的鋼管再生混凝土可以發揮二者的優勢，因此對鋼管再生混凝土的研究逐漸成為新亮點。其研究比較豐富，例如，丘慈長[7]通過對薄壁鋼管再生混凝土軸壓實驗研究，說明了薄壁鋼管再生混凝土的變形破壞形式與普通薄壁鋼管混凝土相似；支正東[8]通過對6根鋼管再生混凝土短柱及3根普通鋼管混凝土短柱進行軸壓試驗，表明了基于試驗驗證普通鋼管混凝土短柱極限承載力計算方法對鋼管再生混凝土短柱的適用性，計算值與試驗值吻合較好；楊有福[9]在確定鋼材與核心再生混凝土本構關系模型的基礎上，提出鋼管再生混凝土壓彎構件承載力的簡化計算公式；肖建莊[10]研究了鋼管約束再生混凝土圓柱試件的受壓破壞特性、軸向荷載-軸向應變關系以及約束再生混凝土的橫向變形系數變化規律。陳娟[11]研究說明可以摻入硅粉、粉煤灰等礦物摻合料以及鋼纖維來提高鋼管再生混凝土軸壓短柱的性能。然而，以上研究的鋼管再生混凝土都是指將廢棄的混凝土塊經過破碎、清洗、分級后，按一定比例與級配混合，部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料)作為再生骨料的鋼管混凝土，對于以碎磚作為再生骨料的鋼管混凝土研究尚少，而在實際建筑廢料中，碎磚占的比例又比較大，所以對鋼管再生碎磚混凝土進行研究具有重要的意義。

1試驗部分

1.1試件設計

為獲取再生碎磚混凝土的立方體抗壓強度，試驗采用粒徑大小為20～40mm的碎磚(其基本性能見表1)作為粗骨料，采用強度等級32.5級的普通硅酸鹽水泥，普通河沙作為細骨料，并摻入Ⅱ粉煤灰制作成尺寸為150mm×150mm×150mm的再生碎磚混凝土立方體試塊。再生碎磚混凝土的配合比如表2所示，共制作3組9個再生碎磚混凝土試塊。采用WE-100型液壓式萬能材料試驗機進行加載試驗。

表1　碎磚骨料的基本性能

表2　再生碎磚混凝土配合比　kg·m-3

1.2試驗結果

經過試驗，不同水膠比下的再生碎磚混凝土的立方體抗壓強度如表3所示，從表中可以看出，隨著水膠比的增加，再生碎磚混凝土的立方體抗壓強度減小。

表3　再生碎磚混凝土抗壓強度

2數值分析

2.1材料應力-應變關系

對于圓鋼管混凝土采用文獻[4]提出的核心混凝土的應力(σ)-應變(ε)關系模型，如下所示：

(1)

(2)

對于鋼管采用簡化了的雙線性模型，即分為彈性階段和強化階段，其中強化階段的模量為鋼材彈性模量Es的1 %，其應力-應變關系曲線如圖1所示。

圖1　鋼筋的應力應變關系曲線

2.2材料特性

再生碎磚混凝土的立方體抗壓強度如表3所示。

鋼管選用Q345級鋼材，其材料具體參數如表4所示，其屈服強度和彈性模量根據文獻[12]取。同時根據文獻[13]，普通混凝土采用C20混凝土。

表4　鋼管材料的具體參數

2.3建立有限元模型

采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對模型進行建模分析，其中，鋼管采用Solid45單元，該單元用于構造三維實體結構，具有塑性、應力強化、大變形和大應變能力等計算性能；采用不含鋼筋的三維實體Solid65單元來模型再生碎磚混凝土，其在具有Solid45單元性能的基礎上，還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變[14]。鋼管和再生碎磚混凝土的有限元單元示意圖如圖2所示。

(a) Solid45單元

(b) Solid65單元圖2　有限元單元示意

據此，建立2組鋼管厚度分別為4mm和6mm的普通鋼管混凝土，編號為P1和P2；建立6組鋼管厚度分別為4mm和6mm，再生碎磚混凝土在3種不同水膠比下的鋼管混凝土，其編號分別為M1～M6，各模型的具體參數見表5，根據各材料屬性建立的有限元模型如圖3所示，模型采用位移加載的方式加載，加載示意圖如圖4所示。

表5　有限元模型參數

(a) 空鋼管

(b) 鋼管混凝土

圖4　加載示意

3結果分析

根據有限元數值模擬得到的結果，取鋼管混凝土底部截面的所有單元的應力平均值，再乘以相應截面面積求出其軸力值。普通鋼管混凝土P1、P2有限元模型的軸力-變形(所占高度的百分比)圖和鋼管再生碎磚混凝土M1～M6有限元模型的軸力-變形(所占高度的百分比)圖如圖5所示。

(a) P1～P2軸力-變形

(b) M1～M3軸力-變形

(c) M4～M6軸力-變形圖5　各模型軸力-變形

從圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)可以看出，鋼管再生碎磚混凝土M1～M6模型的軸力變形趨勢與普通鋼管混凝土P1～P2模型基本一致，均是經歷彈性、塑性和強化等階段；鋼管厚度為4mm的再生碎磚混凝土M1～M3模型，隨著再生碎磚混凝土水膠比的減小，立方體抗壓強度的提高，整個結構的軸力值有所提高，鋼管厚度為6mm的M4～M6模型軸力值的趨勢與M1～M3模型相同；同時，結合圖5(b)和圖5(c)可以看出，在相同的水膠比條件下，鋼管厚度增加，軸力值也增大。結果表明：鋼管再生碎磚混凝土模型的軸力-變形趨勢與普通鋼管混凝土一致；隨著再生碎磚混凝土水膠比的減小，鋼管再生碎磚混凝土的軸力值提高。

4結論

通過對鋼管再生碎磚混凝土短柱進行有限元數值模擬分析，得到如下結論：

(1)鋼管再生碎磚混凝土模型在受軸力作用下的變形趨勢與普通鋼管混凝土一致；

(2)再生碎磚混凝土水膠比取值不同，對鋼管再生碎磚混凝土的軸力值影響不同。

參考文獻

[1]陳宗平，何天瑀，徐金俊，等. 鋼管再生混凝土柱軸壓性能及承載力計算[J]. 廣西大學學報: 自然科學版：2015,40(4):897-907.

[2]KonnoK，SatoY，KakutaY，etal.Thepropertyofrecycledconcretecolumnencasedbysteeltubesubjectedtoaxialcompression[J]．TransactionsoftheJapanConcreteInstitute，1997，19(2): 351-358．

[3]KonnoK，SatoY，UedoT，etal.Mechanicalpropertyofrecycledconcreteunderlateralconfinement[J]．TransactionsoftheJapanConcreteInstitute，1998，20(3): 287-292．

[4]韓林海.鋼管混凝土結構——理論與實踐[M]. 北京：科學出版社，2004.

[5]肖建莊. 再生混凝土[M].北京: 中國建筑工業出版社，2008．

[6]王玉銀，陳杰，縱斌，等. 鋼管再生混凝土與鋼筋再生混凝土軸壓短柱力學性能對比試驗研究[J].建筑結構學報，2011，32(12)：170-177.

[7]邱慈長，王清遠，石宵爽，等.薄壁鋼管再生混凝土軸壓實驗研究[J].實驗力學，2011，26(1)：8-15.

[8]支正東，張大長，徐恩祥，等.鋼管再生混凝土短柱軸壓性能試驗研究[J].工業建筑，2012，42(12)：91-95.

[9]楊有福.鋼管再生混凝土構件荷載-變形關系的理論分析[J].工業建筑，2007，37(12)：1-6.

[10]肖建莊，楊潔，黃一杰，等.鋼管約束再生混凝土軸壓試驗研究[J].建筑結構學報，2011，32(6)：92-98.

[11]陳娟，曾磊.鋼管再生混凝土短柱軸壓力學性能試驗[J].蘭州理工大學學報，2013，39(3)：112-116.

[12]中華人民共和國建設部.GB50017-2003鋼結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[13]中華人民共和國建設部.GB50010-2010混凝土結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2010.

[14]鄒傳龍，包恩和，鄒雪. 印度尼西亞農村磚混結構房屋抗震性能分析[J]. 廣西大學學報:自然科學版：2014,39(1):71-80.

[基金項目]廣西自然科學基金項目(項目編號:2014GXNSFBA118259)

[作者簡介]陳艷艷(1983～)，女，碩士研究生，助教，研究方向：再生碎磚混凝土、鋼結構設計。

【中圖分類號】TU398.9

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2015-12-31