T形鋼管再生混凝土柱軸壓力學性能研究

盧夢瀟

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

周立

(中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

查春光

(北京新京潤房地產有限公司，北京 100022)

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T形鋼管再生混凝土柱軸壓力學性能研究

盧夢瀟

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

周立

(中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

查春光

(北京新京潤房地產有限公司，北京 100022)

為進一步深入了解T形截面鋼管再生混凝土柱在豎向荷載作用下的力學性能，在選擇合適的本構關系后，利用有限元軟件ABAQUS對其進行了數值模擬。基于已建立的模型，選取再生骨料取代率、鋼管壁厚、核心混凝土等級等作為變化參數，用該模型對T形截面鋼管再生混凝土軸壓力學性能進行了研究。研究結果表明，鋼管和混凝土之間的相互作用十分明顯，再生混凝土受到鋼管約束處于三軸受壓狀態，極大改善了再生混凝土強度低及延性差的缺點；T形截面鋼管再生混凝土柱同普通鋼管混凝土相似，也擁有較好的承載性能和變形能力；不同比例的骨料取代率對T形柱的軸壓承載能力影響較小；鋼管壁厚越大，柱各階段承載力值都越大，且提高了柱的初始剛度；再生混凝土等級越大，能夠一定程度提高柱的極限承載力，但曲線下降段更迅速，延性比較差；有限元可以很好模擬T形截面鋼管再生混凝土柱的荷載-變形全過程，研究成果可供實際工程設計參考。

T形截面；鋼管再生混凝土柱；軸壓；力學性能；有限元分析

隨著近些年我國城市化進程的不斷加快，建筑的拆遷造成了大量的廢棄混凝土，如果更加合理有效的處理這些廢棄混凝土同時又不給環境帶來污染，已成為一個社會難題[1]。再生混凝土概念的提出和利用無疑對這一難題提供了一條很好的出路。再生混凝土指的是將廢棄混凝土破碎清洗成再生骨料，再按一定的比例配置成混凝土。國內外學者進行了一系列的研究[2～4]表明，再生混凝土可以用于工程實際中。

鋼管混凝土結構因其優異的抗震性能，在我國抗震設防區得到大規模應用[5，6]，將再生混凝土填充至鋼管內形成的鋼管再生混凝土結構已成為科研工作者研究的熱點。Konno等[7]、Yang等[8]、吳波等[9]分別進行了鋼管再生混凝土柱的軸壓試驗。為了避免建筑結構出現棱角及獲取更大布局空間，常常將柱子做成異性，如T形、L形、十字形等。黎志軍等[10]、蔡健等[11]、杜國鋒等[12]對L形、T形截面鋼管混凝土進行了軸壓力學性能的試驗和理論研究。現有的研究主要集中在方形和圓形截面再生混凝土柱和異性截面普通混凝土柱的的軸壓研究，較少涉及到異性截面再生混凝土柱軸壓力學性能的研究。

為深入了解異性截面再生混凝土柱的軸壓力學性能，筆者選擇T形截面鋼管再生混凝土柱作為研究對象，選取合適的有限元模型對其進行數值模擬。基于已建立的模型，選取再生骨料取代率、鋼管壁厚、核心混凝土等級等作為變化參數，用該模型分析了這些因素對柱承載力的影響，以期為實際工程實際提供理論依據。

1　T形截面柱概況

圖1　T形柱構造示意圖

進行有限元非線性分析之前，首先需要確定T形柱的幾何構造尺寸及材料的力學性能。T形截面鋼管柱用200mm×100mm的矩形鋼管和100mm×100mm的U形鋼管組合連接形成，柱有效高度取1200mm，鋼管壁厚取4mm，具體構造尺寸見圖1。鋼管內填充再生混凝土，再生混凝土的骨料取代率為50%，混凝土等級為C40。核心再生混凝土的軸心抗壓強度取40.2MPa，4mm厚鋼材的屈服強度取273.8MPa，抗拉強度取387.0MPa，彈性模量取201GPa。

2　有限元模型建立

2.1鋼材和混凝土本構關系

1)鋼材的本構模型二次塑流模型既能考慮到鋼材的強化，又能十分真實反映出材料的力學特性，目前已被廣泛應用于分析鋼管混凝土結構。二次塑流模型的數學表達式為：

(1)

式中，fy、fu分別為鋼材的屈服強度和極限抗壓強度，MPa；E、E′分別為彈性模量及強化模量，MPa；εe1為彈性極限應變，εe2=10εe1，εe3=100εe1。

圖2　有限元模型示意圖

2)再生混凝土的本構模型混凝土材料目前是最為廣泛使用的建筑材料，其不均勻性導致受力性能差異較大。考慮到混凝土位于T形鋼管內，受力較為特殊和復雜，選取的本構關系參考文獻[12]。它既可以考慮鋼管對混凝土的套箍約束作用，又能考慮不同再生骨料取代率的影響。

2.2單元選取和網格劃分

為了提高計算過程中的精度和準確度，再生混凝土和鋼管分別采用C3D8R單元及S4R單元。這2類單元均是線性縮減積分單元，S4R單元的優點在于程序可以隨著殼厚度的不斷改變而在計算時自動選擇相適宜的厚殼或者薄殼理論，而C3D8R單元可以進行大應變分析，并能模擬網格屈曲。劃分網格時，對T形截面鋼管混凝土柱采用結構化網格劃分技術。有限元模型見圖2。

2.3界面模型及邊界條件

為了更加真實的模擬實際加載過程，柱底板施加固段約束的邊界條件，柱頂端施加位移荷載。T形鋼管和核心再生混凝土的界面模擬分為兩部分，分別為法向的接觸以及切向的黏結滑移。法向接觸行為選擇硬接觸，切向力選擇庫倫摩擦模型進行計算。

3　有限元結果及分析

圖3　試件的荷載-軸向變形關系曲線

用有限元建模計算得到該試件的荷載-軸向變形關系曲線見圖3。從圖3可知，整個加載過程可分為彈性工作階段、彈塑性工作階段及后期工作階段。試件處于彈性階段時，其軸向剛度大體保持不變；等到鋼管屈服之后，曲線才出現了拐點，過該拐點后荷載驟降，此時軸壓剛度逐漸開始降低。這主要是由于T形截面鋼管柱達到極限荷載后，端部的鋼管全部出現屈服，而剪切滑移線也已經布滿整個端部，且T形鋼管對核心再生混凝土的約束應力不均勻，表現為角部應力較大，而中點處應力接近于零。這些原因的共同作用造成了荷載驟然下降。試件處于破壞階段時，曲線基本保持水平，剛度變化較為平緩，表現了較好的延性，也表明T形截面鋼管再生混凝土柱同普通鋼管混凝土相似，擁有較好的承載性能和變形能力。再生混凝土的力學性能要較普通混凝土差，說明這種T形截面鋼管再生混凝土柱的組合形式具有其優點，優點在于再生混凝土受到鋼管約束處于三軸受壓狀態，極大改善了再生混凝土強度低及延性差的缺點。

將模擬結果與文獻[13]相比，可得出如下結論：T形截面鋼管對核心混凝土的約束效應介于方鋼管和圓形鋼管之間，比圓形鋼管要差，但比方鋼管要好。因為圓形鋼管對混凝土產生的側向約束力沿著圓周分布，方形和T形鋼管約束應力分布不均，造成了其與混凝土在承受荷載時的協同作用較差，而混凝土也不能對鋼管形成較好的側向支撐，導致了核心混凝土在加載過程中迅速被壓碎。而T形鋼管獨特的構造形式，其不是空心T形，而是方形加U形的組合形式，可以有效約束核心混凝土的橫向膨脹變形，故其荷載-變形曲線要好于方形鋼管。

4　影響因素分析

有限元分析的好處在于其計算快捷，可以模擬不同影響因素下對柱軸壓力學性能的影響，節省了人工和時間。擬根據已建立的有限元，通過改變不同參數來分析各參數對T形截面鋼管再生混凝土柱的軸壓力學性能的影響規律。模型采用的混凝土等級為C40，其中的再生骨料取代率為50%。

4.1再生骨料取代率的影響

選擇再生骨料取代率(γ)為50%、70%、100%為研究對象，用有限元計算得到的荷載-位移曲線見圖4，不同骨料替代率對極限承載力的影響見圖5。從圖4和圖5可知，在選取的再生骨料取代率參數范圍內，不同比例的再生骨料取代率對試件的極限承載力影響很小，取代率為70%和100%的極限承載力較取代率為50%的試件降低了4.9%、10.6%，說明再生骨料取代率越大，試件極限承載力降低程度越大。再生骨料取代率對試件的初始剛度影響較小，取代率越大，初始剛度有降低的趨勢，但在加載后期，3者曲線基本重合，均表現了較好的延性。

圖4　不同骨料取代率的荷載-位移關系曲線

圖5　不同骨料取代率的影響

4.2鋼管壁厚的影響

選取鋼管壁厚(t)3、4、5mm為研究對象，用有限元計算得到的荷載-位移曲線見圖6，不同鋼管壁厚對極限承載力的影響見圖7。

圖6　不同鋼管壁厚的荷載-位移關系曲線

圖7　不同鋼管壁厚的影響

從圖6和圖7可知，隨著鋼管壁厚變大，初始剛度加大，構件在不同工作階段的極限承載力較大，極限荷載越高，鋼管壁厚5mm、4mm的極限荷載較鋼管壁厚為3mm的試件極限承載力分別提高了28.6%、50.9%。鋼管壁厚越大，到達極限荷載后下降段也較為平緩，且后期的殘余承載力也較大，延性較好，這主要是得益于鋼管壁厚越大，鋼管對內部核心混凝土的約束作用越大，即套箍作用更大，故其在加載過程中表現出了更優越的受力性能和延性性能，具有較好的安全保障。

4.3再生混凝土等級的影響

選取鋼管壁厚再生混凝土等級C40、C50、C60作為研究對象，用有限元計算得到的荷載-位移曲線見圖8，不同混凝土等級對極限承載力的影響見圖9。

從圖8和圖9可知，在選定的混凝土等級參數范圍內，混凝土等級對試件初始剛度基本沒影響。但核心再生混凝土等級越大，極限荷載也有一定程度提高，其中，C60、C50等級的混凝土極限荷載較C40試件分別提高了10.6%、17.2%。超過極限荷載后，混凝土等級越大的試件下降段更迅速，且表現出的延性更差。這可能是由于混凝土等級越大，軸心抗壓強度越大，提高了所能達到的極限荷載，但超過極限荷載后，混凝土等級越高脆性越大，內部裂縫快速發展，導致荷載下降速度加快，表現出的延性較差。

圖8　不同混凝土等級的荷載-位移關系曲線

圖9　不同混凝土等級的影響

5　結論

1)建立的T形截面鋼管再生混凝土模型可以很好的分析該類截面柱的軸壓力學性能，且用該模型可以很好的進行影響因素分析。

2)T形截面鋼管再生混凝土柱同普通鋼管混凝土相似，也擁有較好的承載性能和變形能力。

3)T形截面鋼管對核心混凝土的約束效應介于方鋼管和圓形鋼管之間，比圓形鋼管要差，但比方形鋼管要好。

4)影響T形截面鋼管再生混凝土柱承載力和延性的主要因素有再生骨料取代率、鋼管壁厚、核心混凝土等級。不同比例的骨料替代率對T形柱的軸壓承載能力影響較小，鋼管壁厚主要影響極限承載力的提高程度，提高再生混凝土強度等級可以提高T形柱的極限承載力，但柱的延性會變差。

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[編輯]計飛翔

2016-04-20

湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊計劃項目(20146503)。

盧夢瀟(1988-)，男，碩士生，現主要從事型鋼混凝土方面的研究工作；E-mail：mx_lu@qq.com。

TU398.9

A

1673-1409(2016)22-0045-05

[引著格式]盧夢瀟,周立，查春光.T形鋼管再生混凝土柱軸壓力學性能研究[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(22)：45～49.