軸向荷載作用下PEC組合柱試驗及數值模擬研究

吳平川 伍文科 謝露露

摘要：本文對PEC組合柱進行了軸向荷載作用下的靜力試驗研究，分析得到其試驗過程特征和協同工作原理及組合作用，研究了該組合結構在軸向荷載作用下的破壞模式。對試驗建立了ABAQUS有限元模型，通過與試驗對比驗證了模型的可靠性。采用此模型對4組共12根H型鋼PEC柱進行分析，研究系桿間距、混凝土強度、型鋼高厚比及含鋼率對PEC柱軸向受力情況下的極限承載力以及其破壞形態的影響。結果表明：系桿間距與混凝土強度對PEC柱的受力性能影響并不明顯;隨著型鋼高厚比的增加，其他條件不變時，PEC柱的變形能力不斷增大;隨著含鋼率的增加PEC柱的極限承載力明顯提升。

Abstract： In this paper， the static test of PEC composite column under axial load is carried out. The characteristics of the test process， the cooperative working principle and the combined action are obtained. The failure mode of the composite structure under axial load is studied. The ABAQUS finite element model is established for the test， and the reliability of the model is verified by comparing with the experiment. This model is used to analyze 12 H-shaped steel PEC columns in four groups. The effects of tie spacing， concrete strength， section steel thickness ratio and steel content on the ultimate bearing capacity and failure mode of PEC columns under axial loading are studied. The results show that the influence of tie spacing and concrete strength on the mechanical properties of PEC columns is not obvious; with the increase of section steel thickness ratio and other conditions unchanged， the deformation capacity of PEC columns increases; with the increase of steel content， the ultimate bearing capacity of PEC columns increases significantly.

關鍵詞：PEC柱;組合結構;受力性能

Key words： PEC columns;composite structure;force performance

中圖分類號：TU398.+9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）13-0154-03

0 ?引言

部分包裹混凝土組合柱是一種新型組合結構形式，英文為Partially Encased Concrete Composite Column，簡稱PEC柱[1]，PEC柱是基于傳統的全包裹H型鋼組合柱，提出的一種新型部分包裹混凝土組合柱[2-3]。PEC柱具有施工速度快、承載力高、延展性好的特點，H 型鋼PEC柱相比于傳統 H 型鋼柱以更小的橫截面積提供了更高的承載力和剛度[4] 。H型鋼PEC組合柱既可用于舊建筑的加固和改造，又可用于新建建筑物的多高層結構中[5]。

中國對PEC柱的研究起步較晚;2006年，趙根田教授[6-8]采用試驗方法研究了軸心荷載下的PEC短柱，分析了PEC柱型鋼與混凝土的粘結機理及影響PEC短柱力學性能的因素。2011年，毛小勇、徐悅軍等人[9]分析了PEC柱耐火性能。2012年，方有珍[10]等人對足尺冷彎薄壁PEC柱試件進行了低周反復加載試驗。

本論文在其他學者研究結論的基礎上，通過改變系桿間距、混凝土強度、型鋼高厚及含鋼率等模型參數，以研究這些參數對PEC組合柱軸向受力性能的影響，得出一些有意義的結論，為工程設計提供指導。

1 ?PEC柱軸向加載試驗

1.1 試驗概況

1.1.1 幾何參數

PEC柱試件截面尺寸為150×150×7×10mm，高1000mm，如圖1所示。

1.1.2 材料特性

試件型鋼為Q235，系桿鋼筋為HPB300。試件采用強度等級為C25的混凝土，混凝土配合比見表1。

1.1.3 試驗加載

試驗采用液壓式試驗機施加反力架，選用配套的千斤頂和手動液壓泵進行加載，加載方式為力控制分級加載，每級50kN，加載完成后持荷10分鐘，連續慢速加載直到試件破壞。采用XL2118A16靜態電阻應變儀采集柱體內應變片預埋位置的實際應變值，采用裂縫觀測儀拍照讀取混凝土的裂縫寬度。

1.2 試驗結果及分析

1.2.1 PEC組合柱試驗破壞特征

在試驗的初始階段，此時試件表面無明顯變化，試件處于彈性變形階段;隨著加載的進行，荷載逐漸增大，試件混凝土表面出現裂縫，橫向位移逐漸增大，柱中型鋼發出響聲，此時試件開始進入彈塑性工作階段;隨著加載繼續進行，試件混凝土剝落，兩系桿間的型鋼出現局部屈曲，系桿局部屈服，試件開始進入破壞階段;具體破壞形式如圖2所示。

1.2.2 PEC柱試驗荷載-撓度曲線

對測試數據進行整理和分析并繪制成荷載-撓度曲線，如圖3所示。從圖中可以看出， PEC柱試件在軸向荷載作用下的荷載-位移曲線分為直線上升階段、曲線上升階段和直線階段。當試件處在彈性變形期，試件撓度與荷載近似成線性增長，當試件應力達到屈服強度后，部分混凝土屈服脫落，曲線斜率減小，進入彈塑性變形狀態，此時撓度繼續增大，但是試件軸向承載力增加速度逐漸減慢，混凝土與型鋼開始分離，型鋼開始屈服，達到極限荷載后，混凝土被壓碎、型鋼翼緣局部屈曲和鋼筋系桿局部屈服，試件進入破壞階段。

2 ?PEC柱有限元分析

采用ABAQUS有限元軟件，建立模型對來模擬上述構件。

2.1 材料特性與本構關系

模型型鋼與系桿鋼筋等級與試件相同，采用理想彈塑性材料本構模型。由于研究型鋼高厚比對PEC柱受力性能的影響，需要考慮柱在受壓時彎曲變形較大導致構件失效的情況，故混凝土采用能反映材料拉壓性能的差異、收斂性更好的塑性損傷模型。

2.2 建模及加載

混凝土和型鋼都選用C3D8R實體單元，鋼筋系桿選用T3D2桁架單元，分別建立三個實體部件，然后將三個組件在組裝在正確的位置，鋼筋部件嵌入混凝土中，混凝土與型鋼采用綁定約束;PEC柱底邊界條件為固定約束邊界。

2.3 結果對比

對比分析試驗與模擬的結果，如圖4所示;在試驗中，由于試件在制作過程中存在材料缺陷及加工誤差，導致試件在試驗中出現型混凝土被壓碎、型鋼翼緣和鋼筋系桿局部屈曲等現象，然而數值模擬是在理想狀態下進行，因此模擬的極限承載力要略高于試驗結果;然而，試驗與模擬曲線總體上趨于一致，因此可以認為數值模擬結果具有良好的精度。

3 ?參數分析

基于上面建立的ABAQUS有限元模型，分析了 4組12根PEC柱，如表2所示，使用MATLAB軟件將參考點提取的數據，繪制成荷載-撓度曲線，分析得出 PEC柱的力學性能與系桿間距、混凝土強度、型鋼高厚比及含鋼率的關系。

3.1 PEC柱受力性能與系桿間距的關系

在不改變其他因素的前提下，荷載-位移曲線總體變化趨勢隨著鋼筋系桿間距的改變沒有明顯的變化， PEC柱的極限承載力和延性隨著系桿間距的增大而減小，如圖5所示。

3.2 PEC柱受力性能與混凝土強度的關系

由于混凝土材料自身的特性，在不改變其他影響因素時，不同混凝土強度度下的曲線變化基本一致;隨著混凝土強度的提高，初始剛度略有提高，破壞階段曲線下降速率增大，但變化幅度都不明顯，即混凝土強度對PEC柱受力特征的影響不大，如圖6所示。

3.3 PEC柱受力性能與型鋼高厚比的關系

隨著型鋼高厚比逐漸增大，在不改變其他影響參數的前提下，試件初始剛度和極限承載力隨型鋼高厚比的增加不斷減小，但是試件變形能力隨著型鋼高厚比的增加不斷增大，如圖7所示。

3.4 PEC柱受力性能與含鋼率的關系

在不改變其他影響因素的前提下，PEC柱的極限承載力以及初始剛度隨含鋼率的增大而增加，同時隨著含鋼率的增大，其變形能力和延展性更好，如圖8所示。

4 ?結論

本文通過對PEC柱的軸向靜載試驗驗證了數值模擬的可靠性，然后采用ABAQUS軟件建立系列模型，分別研究PEC柱的受力性能與系桿間距、混凝土強度、型鋼高厚比及含鋼率的關系，得到以下結論：①由于試驗中材料缺陷和加工誤差，導致試件在試驗中型混凝土被壓碎、型鋼翼緣和鋼筋系桿局部屈曲，然而數值模擬是在理想狀態下進行，因此模擬的極限承載力要略高于試驗結果;但是試驗與模擬曲線總體趨于一致，因此可以認為數值模擬結果具有良好的精度。②雖然系桿及混凝土對型鋼有約束作用，系桿、混凝土與型鋼共同作用能提高組合柱的承載力，但PEC柱在軸向受力時H型鋼仍起著主要的作用。③在軸向荷載作用下，PEC柱的延性性能與系桿間距和構件的含鋼率有關，并且隨著系桿間距的減小及含鋼率增加，構件的延展性增強。④PEC在軸向荷載作用下，型鋼高厚比的增加會降低構架的初始剛度和極限承載力，但是可提高構件變形能力。⑤本文通過研究影響PEC柱軸向受力性能的因素，為此后開展PEC組合柱結構受力性能試驗研究具有重要的意義。

參考文獻：

[1]趙根田，高潮，宋鶴，等.端板與頂底角鋼連接節點PEC柱-鋼梁框架抗震性能比較[J].工程抗震與加固改造，2015，37（5）：28-34.

[2]Muise JL. Behaviour of simple framing connections to partially concrete encased H section columns [D].Toronto Canada： University of Toronto， 2000.

[3]殷占忠，陳偉，陳生林.單向荷載下 PEC 柱受力性能分析[A].第23屆全國結構工程學術會議論文集（第Ⅱ冊）（C）.2014：298-301.

[4]方有珍. 新型卷邊鋼板組合截面 PEC 柱（強軸）滯回性能實驗研究[J].工程力學， 2013，30（3）：181-190.

[5]趙根田，李鵬宇.型鋼部分包裹混凝土組合短柱抗震性能的試驗研究[J].內蒙古科技大學學報，2008，27（4）：351-354.

[6]趙根田，杭美艷，李永和.型鋼混凝土短柱的粘結性能與極限承載力[J].工業建筑，2006，36（4）：36-39.

[7]趙根田，高志軍.外包 H 型鋼混凝土軸壓短柱受力性能研究[J].哈爾濱工業大學學報，2007，39（增刊）：176-178.

[8]趙根田，郝志強，朱曉娟，等.部分包裹混凝土偏心受壓短柱受力性能試驗研究[J].內蒙古科技大學學報，2008，27（2）：178-182.

[9]徐悅軍，毛小勇.標準升溫下PEC柱的耐火極限分析[J].蘇州科技學院學報，2011，24（2）：24-27.

[10]方友珍，陸佳，馬吉，等.薄壁鋼板組合 PEC 柱（強軸）滯回性能試驗研究[J].土木工程學報，2012，45（4）：48-55.