十字形鋼管混凝土柱抗震性能有限元分析

2022-04-26 07:05:08MdSajibHossain劉孝禹肖家浩

四川建材 2022年4期

Md.Sajib Hossain，劉孝禹，肖家浩，翟荃，楊浩

(1.長江大學城市建設學院，湖北荊州 434023；2.深圳市恒泰基建筑工程有限公司，廣東深圳 518055)

0 前言

鋼管混凝土結構作為一種傳統組合結構，其不僅具備鋼結構和混凝土結構自重輕、承載力強、延性好的優點，而且以鋼管代替混凝土結構內部鋼筋和外部施工模板，大大簡便了施工過程。由于鋼管混凝土結構優良的力學性能，這種結構已經被廣泛地應用于高層建筑當中[1-3]。然而，隨著城市化進程的不斷推進，城市居住面積日漸緊缺，傳統矩形和圓形的鋼管混凝土結構不再能滿足實際使用的需求。為解決工程需要，異形鋼管混凝土結構作為一種新型組合結構被提出[4]。異形鋼管混凝土結構繼承了矩形和圓形鋼管混凝土結構的優點，同時可以避免室內倒角的出現，從而節約室內面積，便于空間的利用。對于這種新型結構，近年來已有許多學者對其進行了試驗研究和有限元模擬[5-6]。

熊清清等[7]以軸壓比、寬厚比、長細比、鋼管截面尺寸和材料強度為變量，建立了L形鋼管混凝土柱的有限元模型，其模擬結果與實際試驗吻合較好，并提出了L形鋼管混凝土柱的水平承載力計算公式。許逸民等[8]采用ABAQUS對3組不同長細比、高寬比、偏心距的T形鋼管混凝土長柱進行了單向偏壓試驗。結果表明，試件偏心距越大，其承載力越低，但延性越好。雷敏[9]在以往T形鋼管混凝土中長柱偏心受壓試驗的基礎上，對T形鋼管混凝土柱的軸壓穩定性進行了有限元研究，試驗提出了穩定承載力系數計算公式。然而，大部分學者的研究集中于T形和L形截面，對十字形截面研究較少。

本文使用ABAQUS軟件建立了十字形鋼管混凝土柱模型，以鋼管壁厚、長寬比和軸壓比為變量對9根十字形鋼管混凝土柱進行了低周反復荷載試驗，并與實際試驗結果相比較，分析了不同變量對其抗震性能的影響。

1 有限元模型

1.1 試件參數設計

本文設計了9根十字形鋼管混凝土柱，所有柱長均為1 400 mm，十字形鋼管由一個矩形鋼管與兩個U形鋼板焊接得到，所有鋼材均采用Q235級鋼，鋼管截面如圖1所示。鋼管內部澆筑C40混凝土，并封有上下蓋板。為保證有限元分析結果與試驗數據對比的相關性，試件參數均與文獻[10]一致，具體試件參數如表1所示。

圖1 十字形鋼管截面(單位：mm)

表1 試件參數表

1.2 有限元模型建立

采用ABAQUS軟件對試件進行低周往復荷載下的有限元分析。為準確模擬鋼管對管內混凝土之間的套箍作用，將鋼管與混凝土的相互作用屬性設置為面與面的接觸，切向摩擦系數設置為0.25。矩形鋼管與兩塊U形鋼板采用綁定約束，使得組成十字形鋼管的各構件連成一個整體。鋼管的上下蓋板設置為剛體以保證其在模擬過程中不會出現變形，對于上蓋板只允許其產生水平力加載方向上的位移與轉角，而下蓋板限制其全方向上的位移和轉角。有限元模擬時所加的豎向荷載和水平荷載均由試驗值確定。有限元模型網格的劃分如圖2所示。

圖2 網格劃分

2 抗震性能分析

2.1 破壞模式

圖3為有限元模擬得到的應力云圖。通過觀察發現，有限元模擬構件的破壞發生在十字形柱的底部加勁肋的上方，且受力方向上的U形鋼板底部應力最為集中，而矩形鋼管及其內部混凝土變形不大。這是由于十字形鋼管側面的兩肢在加載中間接受力，減輕了矩形鋼管及其內部混凝土的變形。有限元模擬結果與試驗現象一致，證明本文模型能較好模擬十字形鋼管柱的破壞過程。

(a)鋼管混凝土柱

(b)鋼管

(c)混凝土

2.2 滯回曲線

圖4展示了試件在低周往復荷載下的有限元模擬滯回曲線。與試驗值相比較，模擬值的滯回曲線沒有明顯的捏縮現象，說明有限元模型過大地估計了試件的抗震性能。這可能是由于有限元模型沒有考慮實際構件的初始缺陷和循環荷載下的損傷積累。在試件的最大承載力上，模擬值與試驗值擬合較好，對實際工程具有借鑒意義。表2為試件極限承載力的模擬值和試驗值。從表2中可以發現，隨著試件鋼管壁厚與長寬比的增大，其極限承載力也相應增大；而試件軸壓比增大時，其極限承載力減小。本文有限元模型能較好模擬試件各相關參數對極限承載力的影響。