型鋼活性粉末混凝土柱偏心受壓性能有限元分析

周紹朋

(山東建筑大學 土木工程學院，濟南 250101)

0 引 言

隨著經濟技術的快速發展，高層、超高層以及大跨度建筑在實際工程中不斷涌現，對建筑材料的力學性能提出更高的要求。活性粉末混凝土(reactive powder concrete, RPC)具有高韌性、高耐久性、高抗壓抗折強度等優點，型鋼RPC組合結構可充分發揮鋼材和RPC各自的優勢，在現代化建筑結構中有著良好的應用前景。

何葉等利用有限元軟件Abaqus對不同配箍率和含鋼率的型鋼混凝土柱復合受力下的抗扭性能進行數值模擬，結果表明提高配箍率和含鋼率可以提高型鋼混凝土柱的承載力。王震強考慮配筋率、混凝土強度和含鋼率的影響，對型鋼混凝土柱的承載性能進行有限元模擬分析，結果表明提高含鋼率能夠有效提高試件的承載能力，提高配筋率和混凝土強度能增強試件的延性。鄭山鎖等采用Ansys對不同偏心率和長細比的型鋼混凝土偏壓柱進行數值分析，模擬結果與試驗結果吻合較好。

在型鋼RPC組合結構方面，學者們也展開一系列研究。卜良桃等對6根型鋼外包RPC柱進行軸壓和偏壓試驗，并進行有限元分析，模擬結果與試驗結果吻合度較高。卜良桃等對3根不同RPC強度的型鋼外包RPC柱進行偏壓試驗，結果表明偏心距為60 mm時出現大偏壓破壞形態，且RPC強度越高，試件承載力和剛度越大。卜良桃等考慮偏心距和含鋼率的影響，對6根型鋼RPC柱進行大偏壓試驗，結果表明試件極限承載力隨含鋼率提高而增大，隨偏心距增大而降低。SHI等設計22根鋼筋RPC柱并對其進行大偏壓試驗，考慮RPC配筋率和有無鋼纖維的影響，結果表明RPC強度越高，試件承載力越高，且推導出鋼筋RPC柱在大偏心受壓時的極限載荷計算方法。劉暢考慮不同偏心率的影響，對無筋RPC短柱進行試驗，得到此類構件在不同偏心率時的極限載荷。黎紅兵等對3根不同強度的型鋼RPC柱進行軸壓試驗，結果表明試件的極限承載力隨RPC等級提高而增大。

以上一系列試驗研究為型鋼RPC柱的力學性能提供一定的理論基礎，但是對于不同偏心形式下的型鋼RPC偏壓柱承載性能的試驗研究和模擬分析相對較少。本文設計6個型鋼RPC柱進行偏心受壓試驗，考慮不同偏心距和加載角的影響。利用有限元軟件Abaqus進行模擬分析，對比不同試件極限載荷和載荷-位移曲線的變化規律，探究偏心距和加載角對型鋼RPC偏壓柱承載性能的影響。

1 試件模型及概況

1.1 試件設計

參考《混凝土結構設計規范》《組合結構設計規范》和《活性粉末混凝土》等規范，考慮不同偏心距和不同加載角對型鋼RPC偏壓柱承載性能的影響，共設計6根RPC試件，試件詳細參數見圖1。使用TM800B壓力試驗機采集系統采集試驗過程的豎向壓力和豎向位移，采用三級加載方法，加載裝置見圖2。

圖 1 試件尺寸及配筋,mm

圖 2 加載裝置示意

1.2 材料參數

試件縱筋和箍筋采用HRB400鋼,縱筋直徑12 mm,箍筋直徑6 mm，配置H型鋼為Q235鋼，尺寸為100 mm×100 mm×6 mm×8 mm。型鋼和鋼筋的力學性能按《金屬材料室溫拉伸試驗》的要求進行測試，結果見表1。根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》,制作6個100 mm×100 mm×100 mm的RPC立方體試塊進行抗壓試驗，測得RPC的平均抗壓強度為114.3 MPa，平均彈性模量為40.8 GPa,各試塊測試結果見表2。

表 1 鋼材的力學性能參數 MPa

表 2 RPC試塊的抗壓試驗結果

2 數值模擬

2.1 模型參數

采用有限元軟件Abaqus對型鋼RPC柱建立有限元模型，分析不同偏心距和不同加載角對型鋼RPC柱承載性能的影響。

表 3 試件設計模型參數

2.2 模型建立

在有限元模擬中，RPC采用塑性損傷模型和鄭文忠等提出的本構模型。模型中的鋼材采用理想彈塑性模型，鋼材的本構關系曲線見圖3，其應力-應變關系為

圖 3 鋼材本構關系曲線

(1)

式中：為鋼材的彈性模量；為鋼材的屈服應變。

RPC采用8節點線性六面體單元C3D8R，RPC有限元模型見圖4。型鋼選用三維實體單元C3D8R，型鋼有限元模型見圖5。鋼筋和箍筋選用桁架單元T3D2，鋼筋骨架使用嵌入式區域內置于混凝土中，鋼筋骨架有限元模型見圖6。

圖 4 RPC有限元模型

圖 5 型鋼有限元模型

圖 6 鋼筋骨架有限元模型

3 模型驗證

對型鋼RPC試件的承載性能進行有限元模擬，其極限載荷和極限位移的試驗結果與模擬結果對比見表4。模擬結果與試驗結果存在一定誤差但誤差較小，可認為該模擬結果與試驗結果基本一致。

表 4 RPC試件極限載荷和極限位移試驗結果與模擬結果對比

各個試件載荷-位移曲線試驗結果與模擬結果對比見圖7。可以看出，試驗曲線與模擬曲線的走勢和極限載荷均幾乎相同。在模擬結果中，RPC和鋼材強度均在理想狀態下得到充分發揮，試件破壞時產生的位移略大于試驗結果，可認為所建立的模型可用于分析型鋼RPC偏壓柱的承載性能。

圖 7 各試件載荷-位移曲線試驗結果與模擬結果對比

4 模擬結果及分析

4.1 極限載荷分析

4.1.1 不同偏心距時試件的極限載荷

對不同偏心距的試件1～4進行模擬，其極限載荷值依次為4 988、3 115、2 992和2 160 kN。試件1～4的極限載荷逐漸減小，與試件1相比，試件2、3、4的極限載荷分別減小37.6%、40.0%和56.7%。這表明型鋼RPC柱的承載力隨著偏心距的增大而減小，偏心距對極限承載力的影響較大。

4.1.2 不同加載角時試件的極限載荷

對試件4～6進行不同加載角模擬，其極限載荷值依次為2 160、2 090和2 012 kN。與試件4相比，試件5和6的極限載荷分別下降3.2%和6.9%。這表明當偏心距一定時，極限載荷隨加載角的增加而降低，但加載角對試件承載力的影響相對較小。

4.2 載荷-位移曲線

不同偏心距和不同加載角試件的載荷-位移曲線見圖8和9。在加載前期,偏心受壓試件的載荷-位移曲線基本為線性，表明該階段試件為彈性變形階段，該階段曲線的斜率可以反映試件的剛度大小。隨著載荷的增大，曲線斜率開始下降，縱向位移增長加快，試件內部開始出現裂縫，此階段受拉側型鋼翼緣參與受力，承擔受拉側的拉應力。當加載至極限載荷時，曲線均出現突降，隨著縱向位移的增大，載荷下降，表現為延性較好。

圖 8 不同偏心距試件載荷-位移曲線

圖 9 不同加載角試件載荷-位移曲線

4.2.1 不同偏心距試件的載荷-位移關系

由圖8可知，試件1～4曲線斜率依次減小，表明隨著偏心距的增大，試件的剛度逐漸減小。此外，對于偏心受壓試件，試件的極限位移隨偏心距的增大逐漸增大。總之，偏心受壓試件的承載力和剛度與偏心距成反比，極限位移與偏心距成正比。

4.2.2 不同加載角試件的載荷-位移關系

由圖9可知，加載前期3個試件斜率基本相同，表明加載角對試件剛度影響較小。隨著載荷的增大，試件5、6的曲線斜率明顯大于試件4；最終在試件破壞時，試件4的極限位移大于試件5和6，說明試件極限位移隨加載角的增大逐漸減小。

5 結 論

考慮偏心距和加載角2個因素的影響，對型鋼RPC偏壓柱的承載性能進行分析，采用Abaqus有限元軟件對試件進行模擬，對比試驗結果與模擬結果，驗證RPC有限元模型的準確性，并得出如下結論。

(1)試驗與模擬的載荷-位移曲線和極限載荷均基本一致，模擬結果與試驗結果吻合性較好，表明所建立的型鋼RPC柱有限元模型可靠，可為型鋼RPC偏壓柱承載性能分析提供參考。

(2)偏心受壓時，試件極限載荷隨偏心距的增大而減小，隨加載角的增大而減小，偏心距對承載力的影響更明顯。

(3)試件極限位移隨偏心距的增大而增大，隨加載角的增大而減小。

(4)試件的剛度隨偏心距的增大而減小，加載角對試件剛度影響較小。