不同構(gòu)造T形鋼管混凝土短柱軸壓性能對比分析

王靖普 區(qū)柱正

(1、中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙410004 2、佛山市公路橋梁工程監(jiān)測站有限公司,廣東 佛山528000)

1 概述

異形鋼管混凝土柱應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中能有效避免柱棱,提高室內(nèi)空間使用率,其主要截面形式為L形、T形和十字形。普通異形鋼管混凝土柱中鋼管對核心混凝土的約束作用較弱,荷載作用下陰角部位的鋼板易發(fā)生較大變形而過早屈服。為提升異形鋼管對核心混凝土的約束作用,國內(nèi)學(xué)者對普通異形鋼管混凝土柱提出了不同的改進(jìn)措施,而國外相關(guān)研究鮮見報(bào)道。

文獻(xiàn)[1-3]分別提出了組合式T形、改進(jìn)組合式T形及多室式T形鋼管混凝土柱。研究表明,上述不同構(gòu)造的T形鋼管雖能有效提高鋼管對混凝土的約束作用,改善和提高柱子塑性變形能力、承載力等受力性能,但翼緣或腹板寬厚比較大,鋼管容易發(fā)生局部屈曲。由此可見,上述改進(jìn)措施雖能有效增強(qiáng)鋼管對混凝土的約束作用,但仍存在不足之處。

為此,本文提出一種新的改進(jìn)措施:將一根方形鋼管和四根U形鋼管通過全熔透二級對接焊縫連接成T形鋼管,進(jìn)而形成多腔T形鋼管混凝土柱。基于截面面積、混凝土用量及含鋼率相等的原則,設(shè)計(jì)了普通T形、組合式T形、改進(jìn)組合式T形、多室式T形和多腔T形等5種不同構(gòu)造的鋼管混凝土短柱(見圖1),并利用有限元軟件ABAQUS計(jì)算分析不同材料強(qiáng)度對其軸壓性能的影響。

圖1 不同構(gòu)造的T形鋼管混凝土短柱截面示意圖

2 有限元分析模型設(shè)計(jì)

有限元分析模型設(shè)計(jì)過程中,為避免模型過短而導(dǎo)致的端部效應(yīng)影響,取長徑比L/D=3.0。其中,L為柱高,D為柱截面外輪廓最大邊長。不同構(gòu)造的T形鋼管混凝土短柱截面如圖1所示,其中a、b、c、d和t分別翼緣高度、腹板寬度、翼緣寬度、腹板高度和鋼管壁厚。T1～T5模型的a、b、c和d尺寸均分別取80mm、80mm、240mm和160mm。在a、b、c和d相同的情況下,通過調(diào)整鋼管壁厚t,以實(shí)現(xiàn)5種不同構(gòu)造T形鋼管混凝土柱的混凝土用量及含鋼率相等。其中,T1～T5模型的鋼管壁厚t分別取4.00 mm、3.46 mm、3.71 mm、3.46 mm和3.04 mm。

3 有限元建模

3.1 材料本構(gòu)

ABAQUS提供的用于模擬混凝土的本構(gòu)模型主要包括:塑性損傷模型、彌散開裂模型和開裂模型,本文選取塑性損傷模型。該模型通過引入混凝土損傷因子并考慮材料受力后的損傷累積,可較好地模擬受約束混凝土的受力狀態(tài)。

考慮到普通T形鋼管混凝土柱中鋼管對核心混凝土的約束作用相對較弱,因此混凝土受壓本構(gòu)采用文獻(xiàn)[4]給出的混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。而組合式T形、改進(jìn)組合式T形、多室式T形和多腔T形鋼管混凝土柱可視作由多個矩形鋼管混凝土單元組合而成,對混凝土產(chǎn)生約束效應(yīng)的實(shí)為矩形鋼管,因此混凝土受壓本構(gòu)采用韓林海[5]給出的矩形鋼管混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線?；炷潦芾緲?gòu)統(tǒng)一采用文獻(xiàn)[4]給出的混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

鋼材采用等向彈塑性模型,該模型滿足von Mises屈服準(zhǔn)則且不考慮鋼材的強(qiáng)化及二次塑流,鋼材本構(gòu)采用文獻(xiàn)[5]給出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3.2 建模方式

建模過程中,核心混凝土和鋼管均采用8節(jié)點(diǎn)縮減積分格式的三維實(shí)體單元(C3D8R),柱上下兩端設(shè)置尺寸略大于柱端尺寸的正方形剛性蓋板。蓋板與柱端面采用綁定(tie)約束,并對柱底施加完全固支約束。鋼管與混凝土接觸界面的切線方向采用庫侖摩擦及小滑移,法線方向采用“硬”接觸,允許材料分離但不互相穿透。本文選用ABAQUS/Standard模塊進(jìn)行計(jì)算分析,并采用位移控制方式進(jìn)行加載,使用Newton-Raphson算法來求解非線性平衡方程。

3.3 模型驗(yàn)證

根據(jù)上述的建模方法,對文獻(xiàn)[1-3,6]中的12根試件進(jìn)行建模分析,得到各試件試驗(yàn)極限承載力Nu和有限元計(jì)算極限承載力Nf的結(jié)果(見表1)。所有試件極限承載力試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值之比Nu/Nf的平均值為1.01 ,標(biāo)準(zhǔn)差為0.046 ,變異系數(shù)為0.045,說明該模型計(jì)算極限承載力的準(zhǔn)確度較好。

表1 試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果比較

4 有限元參數(shù)分析

4.1 混凝土強(qiáng)度

T1～T5模型的鋼管均采用Q235級鋼材,混凝土強(qiáng)度等級分別取C30、C50和C80。經(jīng)分析得到各模型極限承載力隨混凝土強(qiáng)度的變化趨勢,如圖2所示。由圖2可知,當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C30時,T2～T5模型的極限承載力非常接近且均比T1模型高出約200kN。其中,T2～T5模型的極限承載力分別為1650kN、1648kN、1658kN和1666kN。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級由C30提高至C50時,T2～T5模型的極限承載力分別增大了342kN、338kN、350kN和431kN；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級由C30提高至C80時,T2～T5模型的極限承載力分別增大了887kN、829kN、771kN和960kN。由此可見,隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高,多腔T形鋼管混凝土柱的極限承載力增大幅度最顯著,如圖2。

圖2 混凝土強(qiáng)度等級的影響

4.2 鋼材強(qiáng)度

T1～T5模型的混凝土均采用C30,鋼材強(qiáng)度等級分別取并Q235、Q345和Q460。經(jīng)分析得到各模型極限承載力隨鋼材強(qiáng)度的變化趨勢,如圖3所示。由圖3可知,隨著鋼材強(qiáng)度等級的提高,T2～T5模型的極限承載力大致相同且均明顯高于T1。從受力機(jī)理上看,盡管T2～T5模型的鋼管構(gòu)造不同,但其對核心混凝土約束作用均強(qiáng)于T1模型。結(jié)合圖3可知,當(dāng)采用更高強(qiáng)度等級的混凝土?xí)r,更能充分發(fā)揮多腔T形鋼管對混凝土約束作用的優(yōu)勢。

圖3 不同鋼材強(qiáng)度等級的影響

5 結(jié)論

5.1 本文選用的材料本構(gòu)關(guān)系式及有限元建模方法能夠較好的模擬T形鋼管混凝土柱軸心受壓極限承載力。

5.2 改進(jìn)后的4種T形鋼管混凝土短柱軸壓力學(xué)性顯著優(yōu)于普通T形鋼管混凝土短柱,其中以多腔T形鋼管混凝土短柱最優(yōu)。

5.3 對于多腔T形鋼管混凝土短柱,匹配高強(qiáng)混凝土使用能更好地發(fā)揮其優(yōu)勢。