型鋼高強混凝土組合柱偏心受壓性能試驗研究

孫文澤 王 鈞

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

型鋼混凝土結構(Steel Reinforced Concrete簡稱SRC)因其優越的抗震性能與較高的承載力被廣泛應用于大跨度橋梁與超高層建筑中。將型鋼混凝土結構與高強混凝土相結合，可有效改善高強混凝土脆性強、延性差等缺點，充分發揮型鋼與高強混凝土的力學性能優勢，具有較高工程實際意義與經濟價值。

目前已有學者對型鋼高強混凝土柱進行了相應的研究。王清湘等[1]開展了鋼骨—鋼管高強混凝土柱軸壓受力性能試驗研究，結果表明，內置鋼骨可有效提高鋼管高強混凝土柱的承載力，并抑制混凝土剪切裂縫的開展；應武擋等[2]通過12根型鋼高強混凝土推出試驗，發現增加混凝土保護層厚度與配箍率可有效提升高強混凝土與型鋼的黏結強度，且機械咬合力為黏結力最重要組成部分；朱偉慶等[3]進行了27根型鋼高強混凝土柱的低周反復加載試驗，分析其結果發現型鋼高強混凝土柱的抗震性能明顯好于鋼筋高強混凝土柱，通過合理的配置箍筋可避免試件發生脆性破壞，且栓釘在試件變形性能較好時可有效提高結構的抗震性能。但目前對于型鋼高強混凝土柱的研究多集中于結構的軸壓與抗震性能，對其偏壓性能研究尚不夠深入。因此筆者設計了2根型鋼高強混凝土組合柱，并結合有限元模擬結果，分析不同參數對組合柱承載力的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本次試驗共設計2根型鋼高強混凝土偏心受壓試件，柱高1 200 mm，混凝土強度等級為C100，型鋼為焊接H型鋼，鋼材強度等級為Q345，縱筋與箍筋分別為C12與C8的HRB400級鋼筋。具體試件參數見表1，試件截面及型鋼截面示意圖如圖1所示。

表1 試驗參數

1.2 材料力學性能

型鋼與鋼筋材性實測值如表2所示；高強混凝土原料為P.O52.5R水泥、天然河砂、石子、硅粉、粉煤灰、城市自來水，減水劑采用聚羧酸高效減水劑，具體配合比見表3。

表2 鋼材力學性能

表3 高強混凝土配合比設計

1.3 試驗裝置

試驗在液壓試驗機上進行，為防止牛腿提前破壞，在柱頂200 mm范圍內進行碳纖維布加固處理，具體加載裝置如圖2所示。在正式加載前，對組合柱預加載以檢驗試驗儀器是否正常工作，組合柱承載力下降至極限承載力70%后，試驗結束。

1.4 破壞形態對比

由圖3a)，圖3b)對比可以看出，大偏心受壓試件PZ1在破壞時，試件側向變形不明顯，受拉側混凝土表面有數條較寬的水平裂縫，混凝土壓潰區高度約為40 cm。清除被壓潰混凝土后可以看到箍筋約束部分混凝土較為完好，未見明顯破壞；小偏心受壓試件PZ2在破壞前預兆不明顯，試件達到極限承載力時，加載點遠端混凝土無裂縫產生，試件未見明顯側向變形，受壓側混凝土壓潰現象更為嚴重，混凝土壓潰高度約為55 cm，清除壓潰混凝土可以看出，混凝土破壞程度大于PZ1，箍筋內部混凝土已被壓碎。

2 SRC柱有限元模型分析

2.1 有限元模型的建立

根據型鋼高強混凝土偏心受壓試驗結果，采用ABAQUS有限元分析軟件對組合柱進行建模。其中鋼筋選用T3D2桁架單元，型鋼與混凝土采用C3D8R實體單元。由于鋼筋與混凝土可較好的協同工作，因此鋼筋采用嵌入式相互作用；而型鋼與混凝土之間粘結應力較小，因此接觸面法線方向為硬接觸，切線方向摩擦系數選取為0.25[4]。鋼筋材料本構根據表2中材料實測值確定；混凝土根據所受約束不同劃分為型鋼約束混凝土、箍筋約束混凝土與無約束混凝土[5]三個部分，如圖4所示。

2.2 混凝土約束本構的選擇

組合柱中混凝土由于受到約束效應的不同，其應力—應變關系有明顯區別。對于箍筋約束混凝土，根據Mander等[4]的研究，以有混凝土強度提升系數kg表示有效約束應力fl對混凝土的約束作用，本文箍筋約束kg取值為1.06，具體計算方法見式(1)；型鋼約束混凝土則選用趙憲忠等[5]所提出簡化的混凝土約束本構。本文型鋼約束混凝土強度提高系數ks取值為1.11，具體計算方法見式(2)。

(1)

(2)

式中：fl——混凝土受到的側向約束應力；

fc——無約束混凝土抗壓強度；

fl1,fl2——兩個水平方向上的有效約束應力；

kh——型鋼約束混凝土強度提高系數ks的上限解；

kl——型鋼約束混凝土強度提高系數ks的下限解。

2.3 有限元分析結果驗證

圖5為有限元模擬出荷載—位移曲線與試驗結果的對比，可以看出，模擬曲線與試驗曲線承載力發展趨勢較為一致，由于實際試驗存在初始缺陷等不可控因素，導致試驗曲線上升段斜率略低于有限元模擬曲線。但因兩者整體上較為吻合，考慮混凝土約束效應的有限元模型可較為準確地模擬高強型鋼混凝土柱偏心受壓試驗的全過程，可用于進一步參數分析。

3 SRC柱有限元擴參數分析

在現有模型的基礎上，進行了6根不同鋼材強度的高強混凝土組合柱偏心受壓模擬，分析不同鋼材強度對組合柱力學性能的影響，具體模擬結果見表4。

表4 有限元模擬結果對比

3.1 小偏心受壓影響分析

圖6為在不同鋼材強度下的小偏心受壓構件荷載—位移曲線，可以看出，鋼材強度由380 MPa提升至524 MPa與703 MPa后，試件承載力僅提高3.7%與4.9%，提升極小。由受壓型鋼的受力情況可以看出，達到極限承載力時，Q460型鋼接近屈服，而Q690型鋼遠未達到屈服應力，材料并沒有完全發揮作用。但觀察曲線承載力下降段可以看出，高強度鋼材試件的曲線下降更為平緩，且試件XP3的承載力可再次上升。受壓型鋼應力云圖如圖7所示。

3.2 大偏心受壓影響分析

圖8為在不同鋼材強度下的大偏心受壓構件荷載—位移曲線，可以看出，鋼材強度由380 MPa提升至524 MPa與703 MPa后，試件承載力可提高4.9%與7.9%，提升幅度略大于小偏心受壓試件。試件達到極限承載力時，Q460受拉型鋼已經屈服，但Q690型鋼受拉翼緣應力僅為536 MPa，材料并沒有完全發揮作用。但由于DP3型鋼強度較大，承載力達峰值后下降極小，試件延性較好。受拉型鋼應力云圖見圖9。

4 結論

本文通過型鋼高強混凝土偏心受壓柱試驗與有限元分析，得出以下結論：

1)型鋼高強混凝土偏心受壓柱在不同偏心距下破壞形式有較明顯區別，大偏壓試件受拉側混凝土存在橫向裂縫，小偏壓試件破壞前無明顯預兆。且小偏壓試件受壓側混凝土壓潰程度遠大于大偏壓試件。2)采用ABAQUS建立了考慮混凝土約束作用的偏心受壓柱模型，對比于試件荷載位移曲線，二者擬合較好，可用于進一步擴參數分析。3)利用有限元模型分析鋼材強度對型鋼高強混凝土柱偏心受壓力學性能的影響，發現鋼材強度的提高對試件承載力影響較小，但可有效提高組合柱的延性。