鋼管再生碎磚混凝土受壓短柱有限元分析

陳艷艷， 梁麗君

(1.南寧學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530200；2.紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)建筑規(guī)劃景觀學(xué)院，英國紐卡斯?fàn)?，NE1 7RU; 3.桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林 541004)

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鋼管再生碎磚混凝土受壓短柱有限元分析

陳艷艷1，2， 梁麗君1,3

(1.南寧學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530200；2.紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)建筑規(guī)劃景觀學(xué)院，英國紐卡斯?fàn)?，NE1 7RU; 3.桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林 541004)

【摘要】為了研究鋼管再生碎磚混凝土與普通鋼管混凝土受軸力作用下變形的趨勢，以及不同水膠比作用下的再生碎磚混凝土對鋼管再生碎磚混凝土的影響，建立2組普通鋼管混凝土和6組鋼管再生碎磚混凝土有限元模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：鋼管再生碎磚混凝土模型在受軸力作用下的變形趨勢與普通鋼管混凝土一致；再生碎磚混凝土水膠比取值不同，對鋼管再生碎磚混凝土的軸力值影響不同，取值小時軸力大。

【關(guān)鍵詞】鋼管混凝土；受壓短柱；水膠比；有限元

鋼管混凝土是將混凝土澆筑到鋼管中制成的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)[1]，其由于結(jié)構(gòu)自身整體性好，承載力高，抗震性能好等方面的優(yōu)勢在國內(nèi)外都得到了良好的發(fā)展與運(yùn)用[2-6]。隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的深入，對再生混凝土進(jìn)行科學(xué)研究并運(yùn)用于工程實(shí)踐勢在必然，由于以再生混凝土取代普通混凝土制成的鋼管再生混凝土可以發(fā)揮二者的優(yōu)勢，因此對鋼管再生混凝土的研究逐漸成為新亮點(diǎn)。其研究比較豐富，例如，丘慈長[7]通過對薄壁鋼管再生混凝土軸壓實(shí)驗(yàn)研究，說明了薄壁鋼管再生混凝土的變形破壞形式與普通薄壁鋼管混凝土相似；支正東[8]通過對6根鋼管再生混凝土短柱及3根普通鋼管混凝土短柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，表明了基于試驗(yàn)驗(yàn)證普通鋼管混凝土短柱極限承載力計(jì)算方法對鋼管再生混凝土短柱的適用性，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好；楊有福[9]在確定鋼材與核心再生混凝土本構(gòu)關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，提出鋼管再生混凝土壓彎構(gòu)件承載力的簡化計(jì)算公式；肖建莊[10]研究了鋼管約束再生混凝土圓柱試件的受壓破壞特性、軸向荷載-軸向應(yīng)變關(guān)系以及約束再生混凝土的橫向變形系數(shù)變化規(guī)律。陳娟[11]研究說明可以摻入硅粉、粉煤灰等礦物摻合料以及鋼纖維來提高鋼管再生混凝土軸壓短柱的性能。然而，以上研究的鋼管再生混凝土都是指將廢棄的混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、分級后，按一定比例與級配混合，部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料)作為再生骨料的鋼管混凝土，對于以碎磚作為再生骨料的鋼管混凝土研究尚少，而在實(shí)際建筑廢料中，碎磚占的比例又比較大，所以對鋼管再生碎磚混凝土進(jìn)行研究具有重要的意義。

1試驗(yàn)部分

1.1試件設(shè)計(jì)

為獲取再生碎磚混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)采用粒徑大小為20～40mm的碎磚(其基本性能見表1)作為粗骨料，采用強(qiáng)度等級32.5級的普通硅酸鹽水泥，普通河沙作為細(xì)骨料，并摻入Ⅱ粉煤灰制作成尺寸為150mm×150mm×150mm的再生碎磚混凝土立方體試塊。再生碎磚混凝土的配合比如表2所示，共制作3組9個再生碎磚混凝土試塊。采用WE-100型液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)。

表1　碎磚骨料的基本性能

表2　再生碎磚混凝土配合比　kg·m-3

1.2試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過試驗(yàn)，不同水膠比下的再生碎磚混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度如表3所示，從表中可以看出，隨著水膠比的增加，再生碎磚混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度減小。

表3　再生碎磚混凝土抗壓強(qiáng)度

2數(shù)值分析

2.1材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

對于圓鋼管混凝土采用文獻(xiàn)[4]提出的核心混凝土的應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)關(guān)系模型，如下所示：

(1)

(2)

對于鋼管采用簡化了的雙線性模型，即分為彈性階段和強(qiáng)化階段，其中強(qiáng)化階段的模量為鋼材彈性模量Es的1 %，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1　鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

2.2材料特性

再生碎磚混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度如表3所示。

鋼管選用Q345級鋼材，其材料具體參數(shù)如表4所示，其屈服強(qiáng)度和彈性模量根據(jù)文獻(xiàn)[12]取。同時根據(jù)文獻(xiàn)[13]，普通混凝土采用C20混凝土。

表4　鋼管材料的具體參數(shù)

2.3建立有限元模型

采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對模型進(jìn)行建模分析，其中，鋼管采用Solid45單元，該單元用于構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，具有塑性、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變能力等計(jì)算性能；采用不含鋼筋的三維實(shí)體Solid65單元來模型再生碎磚混凝土，其在具有Solid45單元性能的基礎(chǔ)上，還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變[14]。鋼管和再生碎磚混凝土的有限元單元示意圖如圖2所示。

(a) Solid45單元

(b) Solid65單元圖2　有限元單元示意

據(jù)此，建立2組鋼管厚度分別為4mm和6mm的普通鋼管混凝土，編號為P1和P2；建立6組鋼管厚度分別為4mm和6mm，再生碎磚混凝土在3種不同水膠比下的鋼管混凝土，其編號分別為M1～M6，各模型的具體參數(shù)見表5，根據(jù)各材料屬性建立的有限元模型如圖3所示，模型采用位移加載的方式加載，加載示意圖如圖4所示。

表5　有限元模型參數(shù)

(a) 空鋼管

(b) 鋼管混凝土

圖4　加載示意

3結(jié)果分析

根據(jù)有限元數(shù)值模擬得到的結(jié)果，取鋼管混凝土底部截面的所有單元的應(yīng)力平均值，再乘以相應(yīng)截面面積求出其軸力值。普通鋼管混凝土P1、P2有限元模型的軸力-變形(所占高度的百分比)圖和鋼管再生碎磚混凝土M1～M6有限元模型的軸力-變形(所占高度的百分比)圖如圖5所示。

(a) P1～P2軸力-變形

(b) M1～M3軸力-變形

(c) M4～M6軸力-變形圖5　各模型軸力-變形

從圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)可以看出，鋼管再生碎磚混凝土M1～M6模型的軸力變形趨勢與普通鋼管混凝土P1～P2模型基本一致，均是經(jīng)歷彈性、塑性和強(qiáng)化等階段；鋼管厚度為4mm的再生碎磚混凝土M1～M3模型，隨著再生碎磚混凝土水膠比的減小，立方體抗壓強(qiáng)度的提高，整個結(jié)構(gòu)的軸力值有所提高，鋼管厚度為6mm的M4～M6模型軸力值的趨勢與M1～M3模型相同；同時，結(jié)合圖5(b)和圖5(c)可以看出，在相同的水膠比條件下，鋼管厚度增加，軸力值也增大。結(jié)果表明：鋼管再生碎磚混凝土模型的軸力-變形趨勢與普通鋼管混凝土一致；隨著再生碎磚混凝土水膠比的減小，鋼管再生碎磚混凝土的軸力值提高。

4結(jié)論

通過對鋼管再生碎磚混凝土短柱進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論：

(1)鋼管再生碎磚混凝土模型在受軸力作用下的變形趨勢與普通鋼管混凝土一致；

(2)再生碎磚混凝土水膠比取值不同，對鋼管再生碎磚混凝土的軸力值影響不同。

參考文獻(xiàn)

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[基金項(xiàng)目]廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:2014GXNSFBA118259)

[作者簡介]陳艷艷(1983～)，女，碩士研究生，助教，研究方向：再生碎磚混凝土、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【中圖分類號】TU398.9

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2015-12-31