大長寬比鋼骨混凝土短柱腹板栓釘配置數值模擬

2016-09-14 08:43:05張春雷王初翀唐麗娜

四川建筑 2016年4期

關鍵詞：承載力有限元混凝土

張春雷，王初翀，唐麗娜

(四川省建筑設計研究院，四川成都 610000)

大長寬比鋼骨混凝土短柱腹板栓釘配置數值模擬

張春雷，王初翀，唐麗娜

(四川省建筑設計研究院，四川成都 610000)

采用Abaqus有限元分析軟件對某工程大長寬比鋼骨混凝土短柱腹板栓釘配置進行數值模擬。選擇鋼骨腹板兩側不同栓釘構造方式的大長寬比鋼骨混凝土短柱，對數值模擬結果進行分析，得到大長寬比鋼骨混凝土短柱腹板栓釘布置的依據。為大長寬比鋼骨混凝土短柱的栓釘設置提供一定的參考依據。

Abaqus；大長寬比；鋼骨混凝土；短柱；栓釘；數值模擬

1　問題的提出

國內高層、超高層建筑結構大量使用鋼骨混凝土柱，并且在實際工程實踐中，鋼骨混凝土柱常在某一方向上的尺寸受到限制，出現大長寬比矩形截面鋼骨混凝土柱，柱中也常采用大長寬比的鋼骨，導致長方向無側向鋼板約束的鋼骨腹板較長，實際工程中為保證鋼骨與混凝土有效協同工作，常在鋼骨腹板兩側布置栓釘。然而，《高層建筑混凝土結構技術規程》僅對房屋的底層、頂層、鋼骨柱與鋼筋混凝土柱過渡層中的鋼骨提出了設置栓釘的要求；《鋼骨混凝土結構技術規程》僅對柱腳、過渡層、鋼骨與混凝土間傳力較大部位提出了設置栓釘的要求。兩本規程均未對大長寬比鋼骨無側向約束較長的鋼板是否需要層層設置栓釘、以及栓釘間距如何設置做出明確規定。

但是，《鋼骨混凝土結構技術規程》中關于鋼骨混凝土柱承載力計算均按鋼骨部分和鋼筋混凝土部分分別計算，并未考慮鋼骨和鋼筋混凝土界面的不同。是否可以據此猜想：對于這種大長寬比鋼骨無側向約束較長的鋼板如果不布置栓釘，其承載力仍然可以滿足規程的要求；鋼骨腹板兩側栓釘布置的疏密對鋼骨混凝土柱抗震性能沒有影響。因此，本文針對上述兩個問題，采用Abaqus有限元分析軟件對鋼骨腹板采用不同栓釘布置方案的大長寬比鋼骨混凝土短柱的非線性行為進行數值模擬，對比研究鋼骨腹板布置和不布置栓釘對鋼骨混凝土柱承載力的影響、以及研究鋼骨腹板布置栓釘的間距對鋼骨混凝土柱承載力的影響。

Abaqus有限元分析軟件在求解非線性問題時具有非常明顯的優勢，計算精度可靠，計算效率很高；其求解器是智能化的求解器，可以解決其它軟件不收斂的非線性問題；擁有一個豐富的材料模型庫和單元庫，除了許多常用的材料和單元，還包括為特殊應用而開發的材料和單元，提供極大的建模便利。本文選擇的Abaqus有限元分析軟件能很好地平衡計算精度與效率、收斂性、材料本構較少這些有限元分析較為常見的問題。

本文主要是應用Abaqus有限元軟件對鋼骨腹板采用不同栓釘布置方案的大長寬比鋼骨混凝土短柱的非線性行為進行數值模擬，并根據分析結果對這類構件的栓釘設計給出建議。

2　Abaqus有限元軟件介紹

Abaqus是一套功能強大的工程模擬有限元軟件，其解決的問題從線性分析到復雜的非線性問題。Abaqus包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫，并擁有各種類型的材料模型庫。作為通用的模擬工具，Abaqus能解決大量建筑結構工程問題。目前，該程序較好地模擬了包括鋼筋混凝土結構、鋼結構、鋼骨混凝土結構的復雜建筑工程和試驗項目，證明其具有較好的非線性數值模擬精度。

2.1混凝土的本構關系

Abaqus中提供了3種混凝土本構模型：(1)損傷塑性模型(Plasticity damage)，(2)彌散開裂模型(Smeared crack)，(3)脆性開裂模型(Brittle cracking)。本文采用混凝土損傷塑性模型來模擬混凝土材料的本構關系，損傷塑性模型適用于模擬構件在往復荷載作用下混凝土材料的本構關系，并且能夠考慮材料在往復荷載作用下的損傷、裂縫開展、裂縫閉合及剛度恢復等行為。

本文混凝土應力-應變曲線采用《混凝土結構設計規范》附錄C.2.3～C.2.4中的公式描述?；炷翐p傷塑性模型中，分別用受拉損傷因子和受壓損傷因子來模擬由損傷引起的彈性剛度退化。其滯回準則由損傷因子d和損傷恢復系數w共同決定。其中損傷因子d是應力狀態和損傷演化參數dc和dt的函數。目前，關于混凝土損傷塑性模型中損傷因子的計算方法已有較多的研究，本文采用ABAQUS用戶手冊中提供的損傷因子計算模型：

(1)

式中：st，sc為應力狀態的剛度恢復函數，由以下方程定義：

(2)

(3)

拉伸損傷恢復系數wt和壓縮損傷恢復系數wc的值為1時，表示損傷后剛度完全恢復；值為0時表示損傷后剛度不能恢復。

假定混凝土材料的非彈性應變εin中塑性應變εpl所占的比例為β，可求得損傷因子dk的計算公式：

(4)

式中：t，c分別代表拉伸和壓縮；β為塑性應變與非彈性應變的比例系數，受壓時取0.35～0.7，受拉時取0.5～0.95；εin為混凝土拉壓情況下的非彈性階段應變。

2.2鋼材的本構關系

鋼材的應力-應變關系采用理想二折線模型，按下列公式確定：

(5)

式中：fy,r為鋼材的屈服強度代表值，其值可根據實際結構分析需要分別取fy、fyk或fym；

fst,r為鋼材的極限強度代表值，其值可根據實際結構分析需要分別取fst、fstk或fstm；

εy為與fy,r相應的鋼材屈服應變，可取fy,r/Es；

εu為與fst,r相應的鋼筋峰值應變；

k為鋼材硬化段斜率，k=(fst,r-fy,r)/(εu-εy)。

2.3單元類型選擇

Abaqus為用戶提供了大量的單元類型，可根據模型的實際情況和分析需要來選擇合適的單元類型進行計算。本次模型，混凝土單元與鋼骨單元類型均選擇為八結點線性六面體減縮積分單元，即C3D8R；鋼筋的單元類型選擇為二結點線性三維桁架單元，即T3D2。

3　不同栓釘布置方案的大長寬比鋼骨混凝土短柱的數值模擬

3.1模擬試件

本文選擇了3個大長寬比鋼骨混凝土短柱試件作為模擬對象，來考察相同條件下鋼骨腹板兩側不同栓釘配置的大長寬比鋼骨混凝土短柱的數值模擬效果。這3個構件的詳細參數見表1所示。

表1　試件設計參數

3.2滯回曲線和骨架曲線

根據上述材料參數，各試件低周反復荷載作用下的滯回曲線和骨架曲線如圖1所示。

各試件低周反復荷載作用下的滯回曲線和骨架曲線對比如圖1所示。由圖1可以看出，所有構件的滯回曲線都呈飽滿的梭形，表明均具有良好的抗震性能。均在位移荷載加載至10～15 mm后承載力開始下降。

3.3抗剪承載力

將Abaqus計算所得的各試件側向承載力進行對比，如表2所示。

表2　各試件數值模擬極限承載力對比　kN

從表2可以看出，模擬試件2的抗剪承載力最高。分析原因，可能是對于短柱，構件剪切變形占主導地位，在加載初期混凝土與鋼骨之間相對滑移很小，栓釘能夠較好地限制混凝土與鋼骨之間的滑移，隨著加載位移增大和混凝土裂縫開展，栓釘的存在不但沒有能夠有效地抑制裂縫開展，反而是裂縫充分發展。栓釘間距越密，鋼骨腹板表面與混凝土之間的削弱反而越嚴重，伴隨著接觸面裂縫的開展，這部分混凝土損傷加重，有效抗剪面積反而減少，導致其抗剪承載力隨著栓釘間距加密反而降低。

3.4塑性變形能力

3.4.1延性

各個試件數值模擬結果如表3所示。