H型鋼混凝土柱的極限承載力試驗及有限元分析

■陳惠惠，劉 凡■.鹽城工業職業技術學院，江蘇 鹽城 4000；.蘇州科技大學 江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇 蘇州 50

1 試件及試驗

1.1 試件

本次試驗共設計了3根試件進行對比試驗。橫截面尺寸均為250mm×800mm。焊接H型鋼的截面尺寸為100×120×10×10（mm），材質為Q235B。混凝土采用C30。SRCZ-1和SRCZ-2試件軸壓比相同，均為7，SRCZ-3試件軸壓比為14；SRCZ-1試件柱長2000mm，長細比為8，SRCZ-2和SRCZ-3試件柱長1500mm，長細比相同，均為6。

本試驗采用江蘇省結構工程重點實驗室電液伺服加載系統，試驗開始時首先通過豎直千斤頂加載至所需軸力，由于軸壓比不同，所加豎向力值亦不同，在試驗中使豎向力保持定值，然后由水平向作動器施加反復水平力。

1.2 試驗方法

本試驗加載采用荷載與位移雙控制方法。豎向軸力通過千斤頂加載，為滿足軸壓比不同的要求，3個試件的豎向力分別為200kN、200kN和400kN，在施加水平力時，豎向荷載需保持不變。

2 結果分析

2.1 試件破壞形態

3個試件的破壞過程如下：當荷載較小時，處于彈性階段，不產生裂縫，當荷載達到一定數值時，柱子中下部兩側開始出現水平裂縫，然后隨著荷載的增加，水平裂縫亦逐漸增加，同時試件中下部開始出現斜裂縫，并且不斷向柱縱向中心或柱底延伸，斜裂縫角度大致成45度；最終斜裂縫匯交成多條“X”型斜裂縫，隨著斜裂縫裂縫寬度的逐漸增大，柱底角部混凝土被壓潰，試件最終破壞。最終破壞情況見圖1。

圖1 試件最終破壞情況

2.2 試件強度

試驗實測得到的三個試件的極限荷載值分別為：SRCZ-1、SRCZ-2、SRCZ-3三個試件的極限荷載值分別為為421.03KN、491.85KN和530.02KN。

3 薄壁型鋼混凝土柱極限承載力的有限元分析

3.1 單元選取

本文研究的H型鋼混凝土柱，在豎向荷載和水平低周反復荷載共同作用下發生的變形是彎曲變形，對于內嵌的型鋼而言，其沿厚度方向的應力較大，不能忽略，不能采用有限元單元里面的膜單元，而應該采用實體單元C3D8R，鋼筋采用只考慮軸向變形的桁架單元T3D2（三維二節點），柱身網格扭曲嚴重，根據實際情況，混凝土采用實體單元C3D8R（減縮積分單元）。

3.2 本構關系

本文在模擬分析時采用混凝土損傷塑性模型本構關系曲線以及對損傷因子作了具體規定，再根據材性試驗實際測得的混凝土抗壓強度值進行修正，得到混凝土有限元模擬所需的應力-應變關系。本次模擬采用雙折線彈塑性模型作為型鋼的應力-應變關系模型，采用理想彈塑性模型作為鋼筋的應力-應變關系模型。

3.3 有限元模型的建立

根據試驗情況和研究內容，本文在建立有限元模型時，加載點與構件以及構件與構件之間采用的約束方式如下：（1）加載點與墊塊之間采用耦合（coupling）約束；（2）墊塊與柱身之間采用綁定（tie）約束；（3）綴板與型鋼之間采用綁定約束；（4）鋼筋骨架與混凝土柱身之間采用嵌入約束；（5）型鋼與混凝土表面采用surfacesurface接觸關系。混凝土部分，采用掃略網格的方法，種子單元定義為0.05，型鋼和鋼筋骨架部分，網格劃分的方法是自動網格法，種子單元定義為0.04。以SRCZ-1試件為例，網格劃分如圖2所示。

圖2 網格劃分

3.4 荷載-位移曲線對比

3個試件的極限荷載模擬值分別是：SRCZ-1極限荷載值為474.3KN，SRCZ-2極限荷載值為561.85KN，SRCZ-3極限荷載值為601.02KN，3個試件的有限元模擬值與試驗值列表比較，結果見表1。可以看出，SRCZ-1試件試驗值與模擬值的比值為0.88；SRCZ-2試件試驗值與模擬值的比值為0.87；SRCZ-3試件試驗值與模擬值的比值為0.88。

根據試驗結果和模擬結果對比分析來看，有限元模擬結果總體較好，說明運用ABAQUS有限元軟件分析驗證試驗數據結果可行，在建模時采用的材料本構關系、網格的劃分方法等基本合理。

同時，有限元模擬結果相較于試驗值結果總體偏大，存在誤差的原因可能是：①有限元軟件中的混凝土應力-應變關系考慮過于簡單，材料破壞過程中只分成彈性階段和塑性階段，而混凝土在彈性階段以后會出現內力重分布現象，模擬過程中并未考慮該情況；②建立模型時，試件底部的約束條件不符合試驗情況，因為基座本身在荷載作用下必定也會產生一定的水平位移。

表1 試驗值與理論計算值

4 結論

（1）長細比的增大降低了H型鋼混凝土柱的極限承載力；軸壓比的增大可抑制了裂縫的出現與開展，提高柱的極限承載力。

（2）試件開裂前，模擬值與試驗值吻合較好；試件開裂后，由于混凝土實際剛度的下降、材料的離散性和試件在加載過程中的滑移等原因，數值模擬極限荷載值和試驗值有所偏差。

［1］劉凡，袁曉靜.鋼筋混凝土柔性墩柱抗震性能的試驗研究［J］.地震工程與工程震動，2010，30（3）：59-63.

［2］王帥.板壁式型鋼混凝土柔性墩柱的抗震性能研究［D］.蘇州科技學院，2014.

［3］李俊華.低周反復荷載下型鋼高強混凝土柱受力性能研究［D］.西安建筑科技大學，2005.

［4］JGJ101-1996建筑抗震試驗方法規程［S］.