中空夾層鋼管鋼筋混凝土長柱壓彎扭力學(xué)性能分析

王興雨, 王建超

(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧沈陽 110168)

0 引言

中空夾層鋼管鋼筋混凝土柱是兩根鋼管之間澆筑鋼筋混凝土而成,相比于普通的中空夾層鋼管混凝土柱而言,該類構(gòu)件具有更高的承載能力和延性,可應(yīng)用于塔桿、高層建筑和橋梁工程中。目前,中空夾層鋼管混凝土柱在壓彎扭共同作用下的力學(xué)性能研究較為充分,如黃宏[1-2]對方中空夾層鋼管混凝土壓彎扭構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)研究和工作機(jī)理分析,作者指出當(dāng)構(gòu)件軸壓比n大于 0.2時(shí),抗扭承載力降低。洪志堅(jiān)[3]對圓中空夾層波紋鋼管鋼筋混凝土短柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn),試驗(yàn)表明構(gòu)件破壞模式為剪切破壞,波紋管壁厚越大,構(gòu)件承載能力和延性顯著提高。一般來講,工程中的構(gòu)件很少有單一的受力狀態(tài),因此對于復(fù)雜受力狀態(tài)下構(gòu)件性能研究是很有必要的。鋼管鋼筋混凝土柱是指一種新型的鋼混組合結(jié)構(gòu),該類構(gòu)件在復(fù)合受力下的力學(xué)性能研究較少,為此本文對壓彎扭共同作用下的圓中空夾層鋼管鋼筋混凝土長柱進(jìn)行有限元模擬,考察偏心率、體積配箍率及混凝土強(qiáng)度等參數(shù)對構(gòu)件力學(xué)性能的影響,總結(jié)各參數(shù)對構(gòu)件的影響規(guī)律,同時(shí)對典型構(gòu)件進(jìn)行了受力全過程分析。

1 有限元模型

1.1 模型參數(shù)

文獻(xiàn)[4]指出當(dāng)Le/D>4時(shí)為長柱,其中Le為柱的計(jì)算長度,D為截面直徑。本文采用λ=μl/i的方法計(jì)算構(gòu)件的長細(xì)比,μ為長度系數(shù)。本文圓中空夾層鋼管鋼筋混凝土長柱的參數(shù)為:柱高L=3600 mm,長細(xì)比λ=46,外鋼管外直徑D0=600 mm,內(nèi)鋼管外直徑Di=180 mm,鋼管壁厚t=10 mm,外鋼管為Q345,內(nèi)鋼管為Q235,縱筋采用8根直徑為φ16 mm鋼筋,箍筋間距為100 mm,縱筋和箍筋均為HRB400級,保護(hù)層厚25 mm。模型截面網(wǎng)格劃分示意如圖1所示。模型參數(shù)見表1。

圖1 模型網(wǎng)格劃分示意

1.2 各材料的本構(gòu)模型

鋼管采用文獻(xiàn)[5]中所建議的五階段本構(gòu)關(guān)系式。鋼筋采用雙折線本構(gòu)模型,強(qiáng)化段的彈性模量為0.01ES,鋼材的彈性模量ES和泊松比μs分別為206 GPa和0.3。混凝土采用ABAQUS中的塑性損傷模型,夾層混凝土的單軸受壓和單軸受拉本構(gòu)關(guān)系分別按照文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]中的建議選取。不同強(qiáng)度混凝土的彈性模量EC按照文獻(xiàn)[7]取值,泊松比μc為0.2。

1.3 單元類型、相互作用及邊界條件

鋼管和混凝土的單元類型均采用C3D8R,縱筋和箍筋采用T3D2。鋼筋籠嵌入混凝土中,鋼管與混凝土之間選擇表面與表面接觸,其中混凝土表面為從面(Slave),鋼管表面為主面(Master)。鋼管與夾層混凝土的法向行為采用硬接觸,切向行為采用庫倫摩擦模型,摩擦系數(shù)為0.6[5]。模型兩端的邊界條件為底端固定,加載端自由。加載板與柱的兩端采用綁定連接,通過加載板上的RP1點(diǎn)先施加恒定偏心荷載并保持不變,然后在加載板中心位置RP2點(diǎn)處施加轉(zhuǎn)角位移UR3,幾何初始缺陷即初始偏心距按照L/1 000取值[8]。構(gòu)件有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2 參數(shù)分析

2.1 偏心率

圖3給出了不同偏心率時(shí)構(gòu)件扭矩(T)-轉(zhuǎn)角(θ)的關(guān)系曲線。偏心率的變化對于加載初期的剛度沒有影響,但是偏心率增大導(dǎo)致構(gòu)件的抗扭承載力和延性降低。模型NMT-ER02、模型NMT-ER05和模型NMT-ER08的扭矩分別為1 637.59 kN·m、1 592.54 kN·m 和1 421.72 kN·m,偏心率為0.5和0.8的構(gòu)件抗扭承載力較偏心率為0.2的構(gòu)件抗扭承載力分別降低2.75%和13.18%。

圖3 偏心率率對扭矩-轉(zhuǎn)角曲線的影響

2.2 混凝土強(qiáng)度

圖4給出了不同混凝土強(qiáng)度對構(gòu)件扭矩(T)-轉(zhuǎn)角(θ)關(guān)系曲線的影響。混凝土強(qiáng)度的變化對于加載初期的剛度沒有影響,混凝土強(qiáng)度增加會使構(gòu)件的抗扭承載力有一定程度的提高。模型NMT-CS30、模型NMT-CS40和 模型NMT-CS50的扭矩分別為1 637.59 kN·m、1 680.80 kN·m 和1 711.20 kN·m,混凝土強(qiáng)度為C40和C50的構(gòu)件抗扭承載力較C30的構(gòu)件抗扭承載力分別提高2.64%和4.50%。

圖4 混凝土強(qiáng)度對扭矩-轉(zhuǎn)角曲線的影響

2.3 體積配箍率

圖5所示為不同體積配箍率對構(gòu)件扭矩(T)-轉(zhuǎn)角(θ)關(guān)系曲線的影響。同樣地,體積配箍率的變化只會提高構(gòu)件的抗扭承載力。模型NMT-SV53、模型NMT-SV14和 模型NMT-SV21的扭矩分別為1 637.59 kN·m、1 701.45 kN·m 和1 756.72 kN·m,體積配箍率為2.1%和1.36%的構(gòu)件抗扭承載力較體積配箍率為0.53%的構(gòu)件抗扭承載力分別提高3.90%和7.30%。

圖5 體積配箍率對扭矩-轉(zhuǎn)角曲線的影響

3 受力全過程分析

本節(jié)選取NMT-ER08進(jìn)行受力全過程分析,其扭矩(T)-轉(zhuǎn)角(θ)關(guān)系曲線如圖6所示,圖中A點(diǎn)表示構(gòu)件的扭矩大約達(dá)到0.7Tu、B點(diǎn)表示構(gòu)件達(dá)到極限抗扭承載力Tu,C點(diǎn)表示加載結(jié)束。在各特征點(diǎn)時(shí)鋼管應(yīng)力分布和混凝土塑性應(yīng)變分布見圖7～圖9。

圖6 NMT-ER08扭矩-轉(zhuǎn)角曲線

圖7 外鋼管應(yīng)力分布

圖8 混凝土塑性應(yīng)變分布

圖9 內(nèi)鋼管應(yīng)力分布

(1) 彈性階段(OA):構(gòu)件在受到偏心荷載作用的同時(shí),逐漸施加轉(zhuǎn)角位移,此時(shí)A點(diǎn)扭矩為1 010.81kN·m,鋼管剛好達(dá)到屈服強(qiáng)度值,混凝土縱向塑性應(yīng)變最大值為936 με,鋼筋應(yīng)力為254.3 MPa。構(gòu)件處于彈性工作階段,扭矩-轉(zhuǎn)角為線性關(guān)系。

(2)彈塑性階段(AB):繼續(xù)施加轉(zhuǎn)角位移,會發(fā)現(xiàn)扭矩的增長速度遠(yuǎn)慢于轉(zhuǎn)角的增長速度,在B點(diǎn)之前外鋼管已經(jīng)屈服,混凝土縱向塑性應(yīng)變迅速發(fā)展,縱向應(yīng)變最大值為7 630 με,出現(xiàn)在構(gòu)件與加載板的連接處,從混凝土塑性應(yīng)變分布可知,此時(shí)混凝土外邊緣應(yīng)變已經(jīng)超過了極限壓應(yīng)變值。受力鋼筋的應(yīng)力為371.1 MPa,已屈服。

(3) 塑性階段(BC):由于鋼管壁厚較大,且兩鋼管對核心鋼筋混凝土有較強(qiáng)的約束作用,使構(gòu)件具有較高的延性。在達(dá)到極限扭矩值后,扭矩-轉(zhuǎn)角曲線呈現(xiàn)出緩慢平穩(wěn)的下降,在C點(diǎn)時(shí),構(gòu)件的扭矩為1 328.93 kN·m,內(nèi)鋼管已經(jīng)屈服。

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)軸壓比一定,偏心率由0.2增大到0.8時(shí),壓彎扭共同作用下的圓中空夾層鋼管鋼筋混凝土長柱的抗扭承載力降低13.18%,相比于提高混凝土強(qiáng)度等級,增大體積配箍率更有利于提高圓中空夾層鋼管鋼筋混凝土長柱的抗扭能力。

(2) 偏心率、體積配箍率或者混凝土強(qiáng)度等級變化對加載初期的剛度影響很小。

(3) 壓彎扭共同作用下的圓中空夾層鋼管鋼筋混凝土長柱其受力過程可分為彈性、彈塑性和塑性三個(gè)階段,由于兩個(gè)鋼管能夠提供較強(qiáng)的約束作用,使構(gòu)件具有較高的承載能力和抵抗變形的能力。