部分預制UHPC方形疊合柱軸壓性能數(shù)值模擬分析

何敏秀，徐其功

（1、廣東省建科建筑設計院有限公司 廣州 510010；2、廣東省廣建設計集團有限公司 廣州 510010）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，簡稱“UHPC”）是一種具有卓越性能的新型建筑材料，UHPC 與普通混凝土對比，具有超高的抗壓強度、極佳的耐久性與韌性［1-2］。近年來，由于其優(yōu)異的性能，可以有效減輕結構重量、縮減結構尺寸、降低造價、節(jié)省資源，UHPC在橋梁、建筑和結構工程、加固工程等領域得到了廣泛的應用［3-5］。隨著建筑結構的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，越來越多的建筑項目開始采用UHPC作為主要結構材料，尤其是在裝配式建筑中，以滿足對結構強度和耐久性的要求。

一些學者對超高性能混凝土柱力學性能開展了相關研究，王中強等人［6］對3 個不同UHPC 加固厚度鋼筋混凝土圓形柱進行了軸壓模擬，加固后的鋼筋混凝土柱的承載力得到了有效提高；周建庭等人［7］對4 組不同壁厚的UHPC 方形中空短柱進行軸壓試驗，得出各試件的破壞特征以及壁厚對承載力的影響；黃卿維等人［8］對一種配筋的圓管UHPC 與普通混凝土芯柱組成的短圓柱進行了軸壓受力研究，并提出了承載力計算方法。

然而，對預制UHPC 方管作為外殼的方形疊合柱結構的力學性能研究還相對較少。因此，本文提出了一種部分預制UHPC 方形疊合柱［9］，為了解此柱在軸壓作用下的基本受力狀態(tài)及性能表現(xiàn)，運用Abaqus2021 軟件建立適當?shù)哪Ｐ烷_展了不同參數(shù)對其承載力的影響，為進一步研究UHPC 疊合結構的設計和應用提供依據(jù)。

1 部分預制UHPC方形疊合柱

目前預制柱規(guī)格的選擇難以做到標準化，為提高豎向構件生產標準化，降低造價，提出了一種新型的部分預制UHPC 方形疊合柱（見圖1），由配置了縱筋和箍筋的預制UHPC 方管和現(xiàn)澆核芯混凝土組成，同時，現(xiàn)澆核芯混凝土部分設置了一定數(shù)量縱筋和箍筋并綁扎形成鋼筋骨架，兩端縱筋不通長，預制UHPC方管的鋼筋不伸出端面，方管可充當模板使用同時協(xié)同核芯混凝土共同受力，實際連接時，取消套筒連接，由核芯混凝土區(qū)域的鋼筋骨架穿過節(jié)點區(qū)實現(xiàn)上柱與下柱的連接。在本研究中部分預制UHPC方形疊合柱所有試件的長度均為1 500 mm，全截面均為尺寸均為400 mm×400 mm，核芯縱筋長度兩端均為500 mm，所有鋼筋的型號采用HRB400 級鋼筋，UHPC 混凝土強度等級采用C120，現(xiàn)澆混凝土采用普通混凝土。

圖1 部分預制UHPC方形疊合柱Fig.1 Partially Prefabricated UHPC Square Composite Column （mm）

2 有限元模型

2.1 模型建立

部分預制UHPC方形疊合柱的性能和承載力受多種因素的影響，為了準確分析疊合柱在軸壓作用下受不同參數(shù)影響的基本受力性能、變形模式和破壞機制，建立了13 個模型，每個模型采用分離式建模，后通過裝配組成整體構件，有限元模型以PUC1 示意，如圖2所示。其中PUC1、PUC2、PUC3 為核芯混凝土強度等級不同的模型，以PUC1 作為基本模型，分別建立PUC4、PUC5 方管壁厚不同，PUC6、PUC7 方管箍筋間距不同，PUC8、PUC9 核芯箍筋間距不同，PUC10、PUC11核芯箍筋直徑不同，PUC12、PUC13核芯縱筋直徑不同的模型，具體試件信息如表1所示。

表1 試件信息Tab.1 Specimen Information

圖2 有限元模型Fig.2 Finite Element Mode

2.2 混凝土和鋼筋的本構關系

模型中有3 種材料需要定義屬性：UHPC、普通混凝土、鋼筋。在Abaqus中混凝土的屬性設置采用CDP模型，該模型通過定義混凝土的受拉和受壓特征來確定混凝土力學性能。UHPC 的受壓應力-應變關系采用楊劍等人［10］提出的受壓本構關系；核芯區(qū)的混凝土受壓本構關系采用MANDER 等人［11］提出的Mander約束混凝土本構關系，CDP 模型中的損傷因子采用能量等價原理［12］計算；鋼筋采用雙折線本構模型。

2.3 相互作用

疊合式構件必然會存在新舊混凝土的接觸面，接觸面處理的目的是模擬不同部分之間的接觸和相互作用，以更真實地反映結構的力學行為。因此，在本研究的模型中預制方管與核芯混凝土之間的相互作用屬性采用庫倫摩擦準則模擬，切向行為采用摩擦公式“罰函數(shù)”，摩擦系數(shù)取0.6［13］，法向行為設置為“硬”接觸，通過“硬”接觸傳遞壓力，使得接觸面之間沒有穿透行為，接觸對脫離時也不產生拉力。鋼筋采用內嵌區(qū)域方法，不考慮與混凝土粘結滑移的影響。

2.4 荷載與邊界條件

對于軸壓性能分析來說，主要需要定義柱體底部的固定邊界條件和柱體頂部的加載邊界條件，首先在柱底中心向下偏移50 mm 布置參考點RP1，并將該點耦合到柱底面，對耦合點施加6 個自由度方向完全固定的約束邊界條件，即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0；然后在柱頂中心向上50 mm 距離處布置參考點RP2并將其耦合到整個柱頂面，采用位移加載控制的方法施加荷載，即對RP2 耦合點進行軸向位移加載控制，施加總位移量為15 mm。

2.5 網格劃分和單元類型

使用合適的網格劃分和單元類型，可以保證模型的精度和可靠性。本研究中預制方管和現(xiàn)澆核芯混凝土均采用C3D8R單元，該單元類型具有較好的收斂性和穩(wěn)定性，能夠較準確地模擬混凝土的行為，鋼筋采用兩結點線性三維桁架單元T3D2；預制UHPC方管網格尺寸為25 mm，方形螺旋箍筋和縱筋網格尺寸均為25 mm；現(xiàn)澆核芯混凝土網格尺寸為30 mm，現(xiàn)澆區(qū)域的鋼筋籠網格尺寸為30 mm。

3 有限元計算結果

3.1 荷載-位移曲線

根據(jù)有限元分析結果，繪制得到了各模型在軸壓作用下的荷載-位移曲線，如圖3 所示，各試件的位移-荷載曲線變化趨勢基本一致，各試件的峰值承載力和峰值位移如表2 所示。根據(jù)結果可知，各試件在加載初期，荷載隨著位移量的增加呈線性增長，此時試件處于彈性階段，隨后過了屈服荷載，進入塑性階段，開始呈非線性增長，增長到一個最高點-峰值點，即試件達到峰值荷載，過了峰值點，部分UHPC 開始退出工作，曲線開始下降且下降段較陡，表明UHPC具有一定脆性破壞的特征，當下降到一定值時，曲線開始進入一段平緩段，核芯區(qū)的混凝土繼續(xù)承載，破壞后的試件還具有一定的殘余變形能力，表明構件仍具有一定的延性。

表2 峰值承載力及峰值位移Tab.2 Peak Bearing Capacity and Peak Displacement

圖3 各試件的荷載-位移曲線Fig.3 Load-Displacement Curves for Each Specimen

3.2 參數(shù)分析

3.2.1 核芯混凝土的影響

從表2 中PUC1、PUC2、PUC3 的結果可以看出，隨著混凝土強度增高，峰值承載力越高，極限位移越小，PUC2 的峰值承載力比PUC1 提高了7.85%，PUC3 的峰值承載力比PUC2 提高了8.02%。另一方面，圖3 的曲線顯示，核芯混凝土強度越高，曲線下降得越突然，過了峰值點隨著曲線的下降，核芯混凝土強度越高的構件，承載力反而越低，這可能是當混凝土強度越高時，特別是PUC3 核芯為C60 等級，裂縫的形成使構件局部強度變低及高強混凝土脆性更大，導致承載力越低。

3.2.2 方管壁厚

對于城鎮(zhèn)居民對廁紙的處理方式通常分為兩種，投入馬桶，最終進入水體和丟進紙簍形成固廢[5-7].采用調查問卷的方式，了解當前普通居民的廁紙?zhí)幚矸绞剑瑫r調查居民選擇不同的廁紙?zhí)幚矸绞降目紤]因素.抽樣調查遼寧科技大學在校學生和鞍山市不同地區(qū)的居民，以及采用網上調查(QQ、微信、公共平臺、論壇等)方式抽樣調查全國各地的居民.

從表2 中PUC1、PUC4、PUC5 的結果可以看出，隨著方管的壁厚越厚，承載力就越高，PUC4 和PUC5 的峰值承載力分別比PUC1 提高了6.80%、7.87%，與受核芯混凝土強度試件不同的是，荷載達到峰值后，曲線的下降段沒有那么突然。

3.2.3 方管箍筋間距

從表2 中PUC1、PUC6、PUC7 的結果可以看箍筋的密度與峰值承載力之間存在正相關關系，PUC6 相較于PUC1 提高了1.56%，而PUC7 相較于PUC6 提高了1.23%。且箍筋的間距比核芯區(qū)箍筋的間距更小的試件延性更好，箍筋的加密可以為核芯混凝土提供更多約束力，有助于提高峰值承載力，且構件具有更好的延性能力。

3.2.4 核芯箍筋間距

根據(jù)表2 中PUC1、PUC8、PUC9 的峰結果可以明顯看出，核芯區(qū)箍筋的間距密度并不是越高就一定導致峰值承載力越高。事實上，間距為100 mm 的PUC8模型的峰值承載力相較于間距為75 mm 的PUC1 模型，反而提高了0.7%，這種現(xiàn)象的主要原因在于方管的箍筋間距和核芯區(qū)的箍筋間距剛好重合，雙重約束，從而為核芯混凝土提供了更多有效的橫向約束力。因此，在設計時，應盡量確保預制方管的箍筋與核芯區(qū)的箍筋間在同一個截面或者方管的箍筋間距小于核芯區(qū)箍筋的間距，以實現(xiàn)更好的性能表現(xiàn)。

3.2.5 核芯區(qū)箍筋直徑

從表2 中PUC1、PUC10、PUC11 的結果可以明顯觀察到箍筋的直徑大小對峰值承載力幾乎沒有顯著的影響。且從圖3 可以觀察到當這3 個模型的位移-荷載曲線在進入平緩段時，它們的承載力幾乎相等。因此，在設計時，應該優(yōu)先考慮其他因素，以確保柱子的性能和承載能力滿足設計要求。

從表2 中PUC1、PUC11、PUC12 的結果可以看出，核芯縱筋的直徑增大似乎反而導致峰值承載力降低，但影響不顯著。具體來說，直徑為22 mm 的PUC12 相較于直徑為20 mm的PUC1峰值承載力下降了0.78%，而PUC1與直徑為18 mm 的PUC13相比峰值承載力也下降了0.78%。這種情況可能是由于在增加核芯縱筋直徑時，影響柱子的彎曲行為，導致應力分布發(fā)生變化，承載力降低，若要找出承載力降低的確切原因，仍需進行下一步分析。另一方面，由圖3 可知，與PUC10、PUC11 模型一樣，當承載力降至某個點時，位移-荷載曲線進入一個平緩段，此時剩余承載力幾乎相等。

3.3 破壞形態(tài)

在受到軸向壓力作用下，各個試件的破壞形態(tài)表現(xiàn)出基本一致的破壞特征，在整個受壓過程中，預制UHPC 方管中部損傷及核芯區(qū)損傷最為嚴重，預制UHPC 方管破壞呈X狀，且受壓后微微外鼓，鋼筋也進入了屈服狀態(tài)。本文以PUC1的破壞形態(tài)云圖為例進行示意，如圖4所示。

圖4 破壞形態(tài)Fig.4 Destructive Form

4 結論

根據(jù)以上的分析，可以得出以下主要結論：

⑴核芯現(xiàn)澆混凝土強度等級的提高和預制UHPC 方管壁厚的增加對柱子的承載力影響最顯著。相對于提高核芯混凝土強度等級，增加UHPC 壁厚更有利于改善方形疊合柱的力學性能。

⑵預制方管箍筋的密度與承載能力呈正相關，但核芯區(qū)箍筋的間距并不一定導致峰值承載力的增加；預制方管的箍筋間距小于核芯區(qū)箍筋的間距，或者預制方管的箍筋與核芯區(qū)的箍筋在同一截面更有助于約束核芯混凝土，從而改善柱子的承載能力和延性。

⑶核芯區(qū)箍筋的直徑大小對柱子的承載能力幾乎沒有影響，而核芯區(qū)縱筋的直徑增加會降低構件的承載能力。

然而，為深入了解這種新型疊合柱結構的力學性能，更進一步的分析和研究是很有必要的。