空腹箱形SRC柱壓彎剪扭復合受力性能提升研究

李帥 齊海鵬 孫拴虎

摘要：利用非線性有限元軟件ABAQUS建立了配斜拉鋼筋的空腹箱形鋼骨混凝土（SRC）柱有限元分析模型，在選取相關試驗試件對有限元計算可靠性驗證的基礎之上，進一步研究了配斜拉鋼筋對空腹箱形SRC柱受力機理及破壞形態的影響。結果表明：有限元模擬計算得到的滯回曲線及破壞形態與試驗結果總體較為吻合，可以較為準確地模擬配斜拉鋼筋的空腹箱形SRC柱的受力機理及破壞過程;配斜拉鋼筋可以提高壓彎剪扭復合作用下空腹箱形SRC柱的峰值荷載，降低峰之后荷載一位移曲線的下降速度，有益于提高空腹箱形SRC柱的延性;斜拉鋼筋的存在可以對空腹箱形SRC柱的混凝土形成保護，抑制斜裂縫的展開，且能有效分擔內部鋼管及箍筋所受的扭矩，可以作為空腹箱形SRC柱提升壓彎剪扭受力性能的有效措施。

關鍵詞：鋼骨混凝土柱;斜拉鋼筋;壓彎剪扭;有限元;受力機理

中圖分類號：TU398文獻標志碼：A

地震作用下，平面布置不規則或剛度突變結構的柱子不僅會承受壓彎剪的共同作用，往往還可能受到扭矩作用的影響，這不但不利于柱子的延性，同時還會導致其耗能能力下降，剛度退化加快。目前，壓彎剪扭復合受力作用下的抗震性能研究多針對于鋼筋混凝土柱，對于鋼骨混凝土（SRC）柱的研究則較少見于報道，且《組合結構設計規范》也未對承受壓彎剪扭復合作用的組合構件給出相應計算方法。根據型鋼配置形式的差異，SRC柱又可分為實腹式和空腹式兩大類，其中空腹式因為抗彎剛度大、方便施工及自重較輕等優點，可以有效降低結構設計剪力、基礎設計要求及工程造價，使得此類構件具有很好的工程應用前景。袁書強等以扭彎比為分析參數對7個sRc柱進行了低周往復加載試驗，分析了扭彎比對sRc柱受力及變形性能的影響，結果表明彎扭復合作用降低了sRc柱的抗彎能力。許協隆等為改善彎扭復合作用下空腹箱型SRC柱的受力性能，在柱子中段設計了斜拉鋼筋，并對其進行了低周往復加載試驗研究，結果表明配置斜拉鋼筋不僅可以有效提高構件的抗扭剛度及極限承載力，還明顯能減緩極限承載力的后承載力退化速度。

為進一步研究配斜拉鋼筋對壓彎剪扭作用下空腹箱形SRC柱的受力性能的影響，本論述利用有限元軟件ABAQus建立了其有限元分析模型，分析了配置斜拉鋼筋對空腹箱形SRC柱受力機理及破壞形態的影響，從而為后續的研究提供理論依據。

1有限元模型

1.1分析模型

有限元分析模型幾何尺寸參照文獻中的試件TMP-3，模型上下兩端450mm為箍筋加密區，中間段箍筋內側綁扎直徑為8mm的斜拉鋼筋，此斜拉鋼筋由兩根以每間隔240mm在平面內沿相反方向交替彎折90。形成的鋸齒形鋼筋綁扎而成。所有鋼筋都采用HRB400級鋼筋，內部箱形鋼管為方形，鋼管截面寬為150mm，厚為4.5mm，采用Q345級鋼，混凝土等級為c60，軸壓比為0.3，扭彎為0.25。分析模型尺寸及配筋情況見圖1。

1.2有限元分析模型建立

配斜拉鋼筋的空腹箱形SRC柱包含了混凝土與鋼材兩類型材料。其中混凝土采用ABAQUS自帶的塑性損傷模型，選用約束混凝土模型來模擬其單軸壓應力一應變關系。鋼材部分選用雙折線隨動強化模型，對于強化段的彈模取初始彈性模量的0.01倍。根據材料自身的特點，混凝土采用C3D8R單元，而鋼筋采用T3D2單元，內部鋼管采用SR4單元。內部鋼管與混凝土的法向接觸以硬接觸來模擬，切向接觸則應用庫倫摩擦模型模擬，u（界面摩擦系數）取0.25。鋼筋和混凝土的接觸應用“Embeded”將整個鋼筋籠內嵌到后者中，不考慮二者的黏結滑移。加載方式參考試驗加載過程，第一個分析步在柱子頂端加載梁的上部分割面上施加豎向荷載，第二個分析步在加載梁側面施加水平偏心荷載，水平偏心荷載以位移進行控制。約束柱子下端混凝土和鋼管所有方向的位移和轉角，模擬嵌固結邊界條件。有限元分析模型如圖2所示。

2有限元計算可靠性驗證

采用本論述的建模方法對文獻[9]中的試驗試件TMP3的加載過程進行了模擬計算。圖3為有限元計算與試驗滯回曲線對比，由圖可知，二者的承載力、剛度及滯回全過程整體變化趨勢基本一致，由于材料性能及邊界條件較為理想，有限元計算的峰值承載力及初始剛度略高于試驗。

圖4為有限元計算所得的破壞模式與試驗對比，由圖可知，有限元計算與試驗的破壞模式均為彎扭破壞，塑性鉸都處于距柱子底部約300mm的范圍內，由于角處無斜拉鋼筋的保護作用，混凝土塑性變形主要由角處向上發展。綜合分析滯回曲線及破壞形態對比可以看出，有限元計算可以較為準確的模擬試件的受力性能及破壞過程。

3受力機理及破壞形態分析

圖5為有限元分析模型計算的荷載一位移曲線，由圖可知，配置斜拉鋼筋的柱子承載力為150.4kN，未配置斜拉鋼筋的柱子承載力為145.7kN，說明配置寫斜拉鋼筋有益于提高壓彎剪扭復合作用下空腹箱型SRC柱的承載力。此外，配置斜拉鋼筋的柱子荷載一位移曲線在峰值后下降明顯較緩，可知延性比未配斜拉鋼筋的模型更好。在配斜拉鋼筋模型的荷載一位移曲線中選取4個特征點進行分析：點1為柱下部混凝土開裂的時刻;點2時，縱筋及內部鋼管屈服;點3為模型達到峰值荷載;點4為試件的破壞點。

圖6、圖7分別為分析模型特征點的鋼材的應力分布和混凝土等效塑性應變分布。由圖可知，加載初期（即加載位移達到1點時），柱子下部混凝土部分首先開裂，在與加載方向垂直的兩個面上主要受彎矩影響，裂縫以水平裂縫為主，而在與加載方向平行的兩個面上主要受扭矩影響，裂縫以斜向45°裂縫為主，此時鋼材未見明顯屈服;隨著加載位移的增加（達到2點時），混凝土塑性區域逐漸由柱腳處向上延伸，塑性應變增大，接著縱筋、內部鋼管相繼發生屈服，最大應力達到416.8MPa;當加載位移進一步增大時（達到3點時），由于斜拉鋼筋的保護作用，與加載方向平行的兩個面上混凝土的塑性應變增加量較小，斜裂縫發展緩慢，而與加載方向垂直的兩個面上混凝土的塑性應變增長則較快，水平裂縫增大迅速，直至荷載達到了峰值;此后繼續加載（達到4點時），扭矩逐漸增大，斜拉鋼筋起到了分擔扭矩的作用，使荷載一位移曲線下降減緩，破壞時斜拉鋼筋逐漸屈服，內部鋼管向內發生了輕微鼓起，混凝土的塑性應變在與加載方向垂直的面上較大，并主要由棱角處向上發展。

4結論

（1）利用本文的建模方法對配斜拉鋼筋的空腹箱形SRC柱在壓彎剪扭復合受力下的試驗試件進行了有限元模擬計算，得到的滯回曲線、破壞形態與試驗結果總體較為吻合，驗證了有限元計算的準確性。

（2）配斜拉鋼筋可以提高壓彎剪扭復合作用下空腹箱形SRC柱的峰值荷載，降低峰之后荷載一位移曲線的下降速度，有益于提高空腹箱形SRC柱的延性。

（3）在壓彎剪扭復合作用下，配斜拉鋼筋的空腹箱形SRC柱破壞形態表現出扭轉受力的特征，配置斜拉鋼筋可以對混凝土形成保護，抑制斜裂縫的展開，且能有效分擔內部鋼管及箍筋所受的扭矩，可以作為空腹箱形SRC柱提升壓彎剪扭受力性能的有效措施。