建筑箱形疊合柱結構偏壓受力性能有限元分析

華慶

宣城職業技術學院 建筑藝術系，安徽 宣城 242000

0 引言

為優化人民交通便利性，提升人民生活質量，在地勢條件較差的山區、熱鬧的城市中，構建橋梁與高層建筑時，通常采用技術難度較低的新型箱形疊合柱構件[1-4]。其質量較輕，承載性能、延性、耐火性能較好，在豎向承重結構中廣泛采用[5]。這種結構若出現破壞，對人們的生命財產安全存在嚴重威脅[6-7]。尤其在地震、爆炸等沖擊力較大的荷載作用下，需要檢測此類結構的偏壓受力性能是否滿足應用需求[8]。

戎賢等[5]進行HRB600E鋼筋混凝土偏心受壓柱受力性能試驗研究，分析不同配筋率、偏心距對構件側向撓度、縱向鋼筋應變和受壓邊緣混凝土應變的影響，可相應提升鋼筋混凝土柱的受壓承載力。柯曉軍等[6]計算鋼管高強混凝土組合柱受剪承載力，分析鋼管截面尺寸等參數對組合柱受剪性能的影響,探討受剪強度計算方法，有效提升鋼管高強混凝土組合柱受剪承載能力。陳宗平等[7]提出方鋼管螺旋筋復合約束混凝土柱偏壓性能試驗及承載力計算方法，此方法的計算值與試驗結果吻合較好。鄧明科等[8]對高延性混凝土偏心受壓柱正截面受力性能試驗研究，此方法的偏心受壓構件正截面承載力計算結果與試驗結果吻合良好。郭全全等[9]對鋼管再生混凝土組合柱偏心受壓性能進行試驗研究，結果發現偏壓試件的初始剛度、極限承載力和變形能力減小，鋼管含鋼率增加或長細比減小，試件的抗彎剛度和極限承載力提高。

但上述方法的計算過程較復雜，分析效果不夠全面。本文提出建筑箱形疊合柱結構偏壓受力性能的有限元分析方法，研究建筑箱形疊合柱結構的偏壓受力性能和試件的偏壓承載力，為工程施工和安全檢測提供參考資料。

1 有限元分析

1.1 有限元模型

采用ABAQUS軟件對建筑箱形疊合柱結構進行建模。

1)在有限元程序ABAQUS-Part模板中建立基礎結構、端板與雙刀鉸，采用殼單元S4R建立建筑箱形疊合柱結構的基礎構件，S4R單元在各節點中設置3個平移自由度、轉動自由度；采用C3D8R實體單元模擬端板與雙刀鉸，實體單元中設計8個節點，各節點存在3個平移自由度[9-11]。

2)采用分割程序，在建筑箱形疊合柱結構每個基礎構件中標記真實試件中的螺釘方位[12]。建筑箱形疊合柱結構有限元模型如圖1所示。

圖1 建筑箱形疊合柱結構有限元模型

1.2 試驗方案設計

采用POPWILL電液伺服程控結構試驗機系統與反力門架對箱形疊合柱結構的有限元模型施加豎向模擬荷載，采用DH3816靜態應變測試系統采集箱形疊合柱結構偏壓受力性能數據，并導入有限元軟件中進行偏壓受力性能分析[13]。

試驗前，采用螺栓將試件和固定的上下刀鉸相連，調節試件位置實現幾何對中，連接反力門架的應變片、位移計，將全部試件進行偏壓受力加載[14]。

在箱形疊合柱結構中采用箍筋使建筑箱形疊合柱結構抗剪強度滿足應用需求。箍筋與受力主筋、受壓范圍混凝土聯合作用，提升疊合柱結構抗剪強度[15]。但箍筋肢數對箍筋的使用效果存在影響，目前常用箍筋的肢數分為二肢、三肢、四肢，本文以三肢、四肢為例，分析三肢箱形疊合柱結構、四肢箱形疊合柱結構偏壓受力性能[16-20]。三肢與四肢箍筋肢數的示意圖如圖2所示。

a)三肢 b)四肢

在試驗中，將三肢箱形疊合柱結構、四肢箱形疊合柱結構的截面高度均依次設為145、95 mm，三肢箱形疊合柱結構簡稱為D145型、D95型，四肢箱形疊合柱結構簡稱為P145型、P95型。

2 結果分析

2.1 試驗設計

采用PPSRC-8型加載裝置對建筑箱形疊合柱結構偏壓受力性能進行驗證，如圖3所示。

圖3 加載裝置示意圖

將偏心距依次設為25、35、45 mm，改變三肢、四肢箱形疊合柱結構試件的幾何長度，測試不同偏心距、不同長細比的2種箱形疊合柱結構偏壓受力性能的變化。

四肢箱形疊合柱結構試件編碼格式為P95-950-Dy6(25/35/45)，代表四肢箱形疊合柱結構試件截面高95 mm，試件長950 mm，節段式疊合柱，半徑6 cm，偏心距依次設置為25、35、45 mm。

所設計試件編碼與分析參數如表1所示。

表1 長細比變參數分析偏壓試件詳情

2.2 四肢箱形疊合柱結構

2.2.1 長細比

P95型、P145型四肢箱形疊合柱結構偏壓受力性能有限元分析結果如表2所示，破壞模式均為繞y軸偏壓。

表2 長細比對P95型、P145型疊合柱偏壓受力性能的影響

由表2可知：P95型、P145型疊合柱中，偏心距相同時，隨繞y軸長細比的增大，最大承載力呈遞減趨勢。長細比相同時，隨偏心距增大，最大承載力減小。

2.2.2 偏心距

偏心距對疊合柱偏壓受力性能的影響如表3所示。

表3 偏心距對P95型、P145型疊合柱偏壓受力性能的影響

由表3可知：四肢箱形疊合柱結構偏壓受力時的最大承載力隨偏心距增大而減小，繞x軸的偏壓承載力高于繞y軸；偏心距增大，疊合柱結構繞y軸的偏壓承載力減小幅度小于繞x軸，P95型試件的偏壓承載力減小幅度小于P145型試件。

2.3 三肢箱形疊合柱結構

2.3.1 長細比

長細比對D95型、D145型疊合柱結構偏壓受力性能的影響如表4所示。

表4 長細比對D95型、D145型疊合柱結構偏壓受力性能的影響

由表4可知：D95型、D145型疊合柱的最大承載力隨長細比的增大而減小，D95型疊合柱結構的最大承載力減小幅度小于D145型疊合柱結構。

2.3.2 偏心距

實際的三肢箱形疊合柱結構中，疊合柱出現偏心受壓的情況較多[21-25]。測試三肢箱形疊合柱結構偏壓受力性能時，改變加載點位置，對三肢箱形疊合柱偏壓受力狀態進行變參數測試。將三肢箱形疊合柱的偏壓距離設置為繞y軸、繞x軸2類，繞x軸偏壓距離依次是5.5、10.5、20.5、30.5、40.5、50.5 mm，繞y軸偏壓距離依次是±5.5、±10.5、±20.5、±30.5、±40.5、±50.5 mm。三肢箱形疊合柱結構中，2種類型疊合柱的試件長度依次是950、3050、6650 mm。

D95型、D145型疊合柱偏壓受力性能的有限元分析結果如表5、6所示。

表5 偏心距對 D95型疊合柱偏壓受力性能的影響

表6 偏心距對D145型疊合柱偏壓受力性能的影響

由表5、6可知：不論是繞x軸偏壓還是繞y軸偏壓，偏心距增大，D95型疊合柱、D145型疊合柱試件的偏壓最大承載力均減小；繞x軸偏壓，三肢疊合柱試件最大承載力的減小幅度小于繞y軸偏壓。

為獲取不同方法下疊合柱偏壓受力性能差異，采用有限元方法與傳統方法計算最大承載力，并與實際承載力對比，結果如表7所示。(為提升試驗的普適性，隨機選擇測試樣品，表7中誤差均取絕對值。)

表7 有限元、傳統方法下最大承載力與實際承載力比較

由表7可知：有限元方法的分析誤差遠小于傳統方法，前者分析結果更貼近實際結果。

3 結論

1)對建筑箱形疊合柱結構偏壓受力性能進行試驗研究，四肢、三肢箱形疊合柱結構偏壓承載力隨長細比增大而逐漸減小，隨偏心距增大而減小。

2)不論是繞x軸偏壓還是繞y軸偏壓，偏心距增大，三肢、四肢箱形疊合柱試件的偏壓最大承載力均減小，但P95型試件的偏壓承載力減小幅度小于P145型試件，三肢箱形疊合柱結構繞x軸的偏壓承載力減小幅度小于繞y軸。

3)采用有限元方法計算建筑箱形疊合柱結構偏壓最大承載力比傳統方法更接近實際承載力。