不同鋼-混凝土組合柱力學性能的數值分析

楊正俊

(無錫汽車工程高等職業技術學校,江蘇 無錫 214153)

近年來,由于鋼-混凝土組合結構體系能夠結合鋼材以及混凝土的優勢,已廣泛應用于橋梁、建筑結構以及地震頻發區域。因此,鋼-混凝土組合結構受到越來越多的關注[1]。

目前,傳統形式的鋼-混凝土組合柱有兩種,分別為型鋼混凝土(SRC)柱和鋼管混凝土(CFT)柱。在SRC柱中(圖1a),外包混凝土可以防止型鋼的局部屈曲并增強結構的耐火性,核心的型鋼則能夠有效提升柱的抗剪能力。然而,置于截面中心的型鋼其抗彎能力不能被充分發揮,并且結構整體的現場施工比較復雜。對于CFT柱,內部填充的混凝土可以有效防止薄壁鋼管的局部屈曲,且外包鋼管可以約束核心混凝土并提升其抗壓強度。但CFT柱由于鋼管外露,因而其抗火性能較弱。

鑒于此,有學者提出在CFT柱外側包裹約束混凝土(RC),形成CFST柱(圖1b)。其具有較好的抗火及耐腐蝕性能,并且外部的約束混凝土能夠有效延緩鋼管的屈曲。Soliman等[2]通過對CFST和SRC柱進行軸壓試驗,探究不同類型柱對其受力特征的影響。韓林海通過建立三維有限元模型,分析了CFST柱在軸壓下的力學性能[3]。丁發興等[4]結合試驗及數值模擬對STSRC柱進行軸壓性能研究,提出了試驗柱的極限承載力簡化計算公式。為了增強混凝土的約束效應以及便于灌漿,Gan Dan等[5]通過設計STSRC和CTSRC柱(圖1c、圖1d)試件并進行低周往復分析,得出這兩種柱的延性及耗能均優于傳統SRC柱[5]。

圖1 鋼-混凝土組合結構柱

本文利用有限元軟件ABAQUS對比分析了在軸壓作用下SRC、CFST、STSRC以及CTSRC柱的破壞狀態、荷載-位移曲線、承載力以及延性性能,并同時探究了不同截面柱內置型鋼的約束效應,旨在為不同截面組合柱在實際工程中的應用提供參考和借鑒。

1 試件設計

本文共設計4個試件進行數值計算模擬,SRC(S1)、CFST(S2)、STSRC(S3)以及CTSRC(S4)的基本尺寸及細節構造見圖2。其中,S1和S3的型鋼及鋼管截面分別為工字型和矩形,S2和S4為圓環型。各試件的截面凈高為3 600 mm,截面尺寸均為360 mm×360 mm,截面含鋼率均為8.2%。對于SRC柱,型鋼放置在截面中心(圖2a),4根直徑為12 mm的縱筋置于柱截面四角,并在其外圍綁扎箍筋,箍筋直徑為6 mm,間距為200 mm。CFST柱的鋼筋布置與SRC柱相同,圓鋼管被置于截面中心(圖2b)。STSRC和CTSRC柱分別在外側采用方鋼管以及圓鋼管,并在截面中心放置工字型鋼(圖2c、圖2d)。S1～S4試件混凝土強度均為C60,型鋼和鋼管采用Q235鋼材,鋼筋采用HRB500級。

圖2 截面的尺寸及細節構造

2 有限元模型

2.1 模型的建立

采用ABAQUS有限元軟件對各試件柱進行模擬。混凝土、型鋼以及鋼管均采用8節點減縮積分格式的三維實體單元C3D8R,并采用結構化網格劃分技術對其進行網格劃分。采用三維桁架單元T3D2模擬縱筋及箍筋。有限元模型見圖3。

圖3 有限元模型

2.2 材料模型

在所有試件模型中,型鋼、鋼管以及鋼筋的應力應變關系均采用理想彈塑性模型,見圖4b),其本構表達式如下：

圖4 材料應力-應變關系曲線

(1)

其中,Es為鋼材的彈性模量,fy為鋼材的屈服強度,εy為鋼材達到屈服強度所對應的應變,σ、ε分別為鋼材的應力和應變。鋼材的屈服強度、彈性模量取實測值,泊松比為0.3。

2.3 相互作用及加載方式

S1和S2試件模型均采用Embed約束,將鋼筋固嵌到混凝土當中,并在嵌入單元與主單元之間建立節點關系；假定各模型中的型鋼、鋼管與混凝土之間均不產生滑移,采用tie約束將其兩兩綁定。

為防止柱端出現局部破壞,在柱頂和柱底設置鋼帽,鋼帽與試件模型進行綁定。在頂部鋼帽表面建立耦合約束,并對參考點進行位移加載；對柱底鋼帽的底面進行固接。

2.4 模型的驗證

為了驗證有限元模型的合理性,本文將SRC、CFST、CTSRC和STSRC柱軸壓試驗進行數值模擬,其對比結果見表1。由表1可知,有限元和試驗軸壓承載力計算結果吻合較好,兩者比值在0.94～1.11之間。由此可知,本文采用的有限元模型及材料本構是可靠的。

表1 試驗和有限元極限承載力對比

3 有限元計算結果及分析

3.1 荷載-位移關系曲線

圖5給出了各試件的荷載-位移關系對比曲線。從圖中可以看出,4條曲線的變化趨勢近乎一致,各試件模型在軸壓下的受力特性可以分為：彈性階段,彈塑性階段以及破壞階段。

圖5 S1～S4荷載-位移曲線

在彈性階段,各試件模型均產生彈性變形,荷載-位移關系近乎是一條直線,S1～S4柱的初始剛度差別不大；隨著位移的繼續增大,試件模型進入彈塑性階段,該階段內型鋼及鋼管達到屈服強度,各試件的剛度均有所下降；當位移達到6.23 mm時,模型開始發生破壞,承載力下降,且內部構件含圓鋼管的試件(S2、S4)在相同位移下承載力下降更為緩慢,延性更好。圖6給出了各試件的最終破壞模態,由圖6可知,內部型鋼或外包鋼管的截面為圓鋼管的S2和S4柱對局部缺陷的敏感度更高,破壞時柱中向一側屈曲；S1和S3柱最終發生傳統軸壓破壞形式,其破壞位置分別為柱中及柱兩側。

3.2 承載能力

圖7給出了S1～S4試件柱的極限承載力對比曲線。從圖7中可以看出,相比于S3柱,S2、S1以及S4柱的承載力分別增長了68.93、75.47 kN及185.99 kN,說明當含鋼率相同時,CTSRC柱的軸壓承載能力最強。這是由于外包圓鋼管對內部混凝土的環向約束作用更強,從而增強了混凝土的抗壓強度,提升了柱整體的承載力。

3.3 延性

延性系數作為判斷結構性能的重要指標之一,是用于表征結構后期變形能力的重要參數。根據文獻[6],用位移延性系數μ表示：

(2)

其中,Δu為承載力下降到峰值荷載85%對應的位移值,Δy為屈服荷載對應的位移。

由表2可以看出,相比于S4,S1～S3柱的延性系數分別降低了24.9%、20.8%以及26.3%,表明CTSRC柱在軸壓作用下其塑性變形能力更強。此外,S2柱比S1柱的延性系數提升了5.1%,S4比S3柱的延性系數提升了22.4%,由此說明將型鋼或外包鋼做成圓鋼管的形式可以改善構件的塑性變形,使其整體具有更好的延性。

表2 各試件的屈服位移、極限位移以及延性系數

3.4 約束效應分析

圖8給出了各試件軸向位移分別為3.45、6.23、9.01、12.7 mm時柱中部型鋼對混凝土的約束效應對比圖。圖中橫坐標為型鋼跨中截面的應變率,由其橫向應變與豎向應變的比值確定；縱坐標為沿跨中截面的應力分布位置。由圖8可知,各試件型鋼的約束效應隨著位移的增大而提高,且在位移達到9.01 mm時提升最為明顯。對于型鋼為工字型的S1、S3及S4柱,翼緣和腹板連接處的約束效應強于腹板處，且隨著位移加載,兩者的約束效應逐漸趨于一致。此外,當位移為6.23 mm時,S1、S2中截面的平均應變率(0.563、0.559)大于S3和S4柱(0.465、0.497),表明SRC柱和CFST柱在極限承載力下內置型鋼具有較強的約束作用。對比S1和S2柱可知,雖然SRC柱在6.23 mm時的約束效應略高,但CFST柱的約束作用分布更為均勻,更利于受力。極限荷載之后,S4柱的約束效應明顯大于S3柱,這是由于圓鋼管的約束區域大于方鋼管,因而CTSRC柱中混凝土對型鋼的擠壓面積更大,型鋼的約束效應更強。

圖8 S1～S4跨中位置的應變率分布

4 結 語

利用ABAQUS有限元軟件對不同截面形式柱進行軸壓力學性能分析,可以得到如下結論：

1)《混凝土結構設計規范(GB 50010—2010)》中推薦的混凝土本構關系可運用于ABAQUS有限元分析中,并且能較好地反映混凝土的受力特性。

2)各試件的荷載-位移曲線的變化趨勢基本一致,且截面中包含圓鋼管的CFST和CTSRC柱易于發生屈曲破壞。

3)在相同含鋼率下,CTSRC柱的軸壓承載力最強；對比四種截面柱,CTSRC柱的塑性變形能力最強,且在構件內嵌入圓鋼管可有效提高其整體延性。

4)各試件內型鋼約束效應隨位移加載而增大,且從峰值位移至極限位移內增長最為顯著。此外,在極限承載力下CFST柱內型鋼的綜合約束效應優于其余截面形式柱,并且峰值荷載后CTSRC柱的約束效應大于STSRC柱。