配筋空心方鋼管高強(qiáng)混凝土偏壓短柱有限元分析

楊志堅(jiān)，彭書存，李幗昌,叢曉磊

(1.沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.中建二局第四建筑工程有限公司，天津 300457)

空心鋼管混凝土被廣泛應(yīng)用于輸電和變電工程中，全國已建成使用的空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)輸電塔架多達(dá)上百個[1]?？招匿摴芑炷僚c實(shí)心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)相比，耗鋼量相同，但內(nèi)部空心節(jié)約混凝土，自重較輕[2]，便于運(yùn)輸和施工；與鋼結(jié)構(gòu)相比，可以節(jié)約大量鋼材?？招匿摴芑炷两Y(jié)構(gòu)既可以充分發(fā)揮鋼材和混凝土的力學(xué)性能,又避免了兩種材料在單獨(dú)應(yīng)用時的缺點(diǎn),具有良好的共同工作能力和力學(xué)性能[3]。為了進(jìn)一步提升空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能，楊志堅(jiān)等[4]提出了一種新型配筋空心鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由鋼管混凝土與預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管柱組成。預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管柱(PHC管柱)是在工廠采用先張法預(yù)應(yīng)力和離心成型工藝，經(jīng)過高溫高壓蒸養(yǎng)而制成的一種空心構(gòu)件。鋼管與PHC管柱之間澆筑混凝土從而形成配筋空心鋼管混凝土構(gòu)件。

近年來，國內(nèi)很多學(xué)者對實(shí)心鋼管混凝土、空心鋼管混凝土以及配筋鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了眾多試驗(yàn)研究，而關(guān)于配筋空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究較少。丁發(fā)興等[5]采用試驗(yàn)和有限元分析結(jié)合的方法對方鋼管混凝土軸壓短柱進(jìn)行了研究，提出了一種新的承載力計(jì)算公式。韋建剛等[6]對9根圓高強(qiáng)鋼管超高性能混凝土短柱軸壓受力性能進(jìn)行試驗(yàn)，分析了含鋼率、鋼材強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度變化對其力學(xué)性能的影響，并建立了有限元模型進(jìn)行參數(shù)變化擴(kuò)展分析。徐禮華等[7]通過對21根鋼管自應(yīng)力自密實(shí)高強(qiáng)混凝土柱進(jìn)行偏心受壓試驗(yàn)，分析了試件的破壞形態(tài)和各參數(shù)變化對偏壓試件受力性能的影響，并且根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出了試件在偏心受壓下承載力計(jì)算公式。王宏偉等[8]進(jìn)行了55根不同截面的空心鋼管混凝土柱軸壓試驗(yàn)，研究表明圓形截面與其他類型截面的試件相比承載力更大，隨著空心率減小構(gòu)件的承載力逐漸增大，并且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了空心鋼管混凝土柱軸壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。趙均海等[9-13]通過方鋼管螺旋筋混凝土柱軸心受壓試驗(yàn)，分析了構(gòu)件破壞機(jī)理、受力過程及各參數(shù)對其受力性能的影響，并推導(dǎo)了方鋼螺旋筋混凝土的承載力計(jì)算公式。陳宗平等[14]對方鋼管螺旋筋混凝土柱進(jìn)行了偏壓試驗(yàn)研究，分析試件的受力全過程和破壞形態(tài)，研究了各參數(shù)對試件偏心受壓力學(xué)性能的影響規(guī)律，建立了試件偏心受壓的承載力計(jì)算公式。H.S.Hu等[15]對方形螺旋約束高強(qiáng)鋼管混凝土柱進(jìn)行了軸壓及偏壓試驗(yàn)，研究表明混凝土破碎是導(dǎo)致混凝土承載能力降低的主要原因，螺旋鋼筋對提高承載能力效果不明顯，但是可以顯著改善試件的延性，并且基于試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)了構(gòu)件承載力計(jì)算公式。

傳統(tǒng)的空心鋼管混凝土構(gòu)件承載力較低，抗震性能稍差，而實(shí)心鋼管混凝土構(gòu)件承載力較高但自重較大。為改善空心鋼管混凝土構(gòu)件和實(shí)心鋼管混凝土構(gòu)件的不足，筆者利用有限元軟件ABAQUS建立了配筋空心方鋼管高強(qiáng)混凝土偏壓短柱模型，對構(gòu)件的受力全過程進(jìn)行分析，研究鋼材屈服強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度、偏心距和含鋼率等參數(shù)對其受力性能的影響，為配筋空心方鋼管混凝土組合柱試驗(yàn)研究提供參考依據(jù)。

1 構(gòu)件設(shè)計(jì)

配筋空心方鋼管高強(qiáng)混凝土柱內(nèi)部為圓形空心高強(qiáng)混凝土，外部為方形鋼管。由外至內(nèi)依次為方鋼管、夾層混凝土、PHC管柱、預(yù)應(yīng)力筋和螺旋箍筋。構(gòu)件高度為1 200 mm，截面長×寬為400×400 mm。PHC管柱外徑為150 mm，內(nèi)徑為80 mm,混凝土強(qiáng)度等級為C80。箍筋屈服強(qiáng)度為650 MPa，預(yù)應(yīng)力筋屈服強(qiáng)度為1 420 MPa，普通鋼筋型號為HRB400。構(gòu)件參數(shù)見表1,構(gòu)件截面形式如圖1所示。

表1 構(gòu)件參數(shù)

圖1 構(gòu)件截面形式

2 建立有限元模型

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

構(gòu)件使用鋼材包括鋼管、預(yù)應(yīng)力筋、普通鋼筋和箍筋。鋼管采用低碳鋼五折線模型[2]；鋼筋采用二折線模型[2]，分為彈性段和強(qiáng)化段，強(qiáng)化段的彈性模量為彈性段的0.01倍，取0.01Es。構(gòu)件中混凝土包括PHC管柱和夾層混凝土。PHC管柱在構(gòu)件中處于無約束受力狀態(tài)，采用過鎮(zhèn)海[17]提出的混凝土單軸受壓本構(gòu)模型；由于外鋼管和PHC管柱對夾層混凝土的約束效應(yīng)，使其處于三向受力狀態(tài)，選用韓林海[2]提出的鋼管混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

2.2 模型建立

配筋空心方鋼管高強(qiáng)混凝土偏壓短柱中蓋板、鋼管、夾層混凝土和PHC管柱均采用C3D8R實(shí)體單元；預(yù)應(yīng)力筋、普通鋼筋和箍筋均采用T3D2桁架單元。蓋板在材料屬性中將其等同于剛體?？紤]到外鋼管與夾層混凝土之間的摩擦滑移作用，將接觸界面定義為法線方向硬接觸和切線方向庫倫摩擦，界面摩擦系數(shù)取0.6[2]?；炷僚c蓋板之間采用法線方向硬接觸，夾層混凝土與PHC管柱之間為綁定約束(Tie)，預(yù)應(yīng)力筋、普通鋼筋和箍筋內(nèi)置嵌入PHC管柱中，采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力。加載方式采用位移加載，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3 有限元模擬分析

3.1 受力全過程分析

選取ERHCFST-16構(gòu)件作為典型構(gòu)件，對配筋空心方鋼管高強(qiáng)混凝土偏壓短柱進(jìn)行受力全過程分析。其荷載-中截面撓度(Nu-Δ)曲線如圖3所示。構(gòu)件的受力全過程大致可分為以下四個階段。

圖3 ERHCFST-16構(gòu)件荷載-中截面撓度曲線

彈性階段(OA)。構(gòu)件在加載初期時，鋼管、夾層混凝土和PHC管柱均處于彈性工作階段，荷載-撓度曲線呈線性增長，鋼管與夾層混凝土各自單獨(dú)受力工作，鋼管對夾層混凝土沒有產(chǎn)生約束作用。A點(diǎn)時構(gòu)件均處于全截面受壓狀態(tài)，鋼管近似于進(jìn)入彈塑性階段的起點(diǎn),受壓區(qū)Mises應(yīng)力接近345 MPa，預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋處于彈性階段。構(gòu)件受到的荷載約為極限承載力73.62%。

彈塑性階段(AB)。隨著荷載繼續(xù)增加，鋼管受壓區(qū)Mises應(yīng)力達(dá)到345 MPa，發(fā)生屈服，而受拉區(qū)仍處于彈性狀態(tài)。夾層混凝土的受壓側(cè)鼓曲變形，因此外鋼管對夾層混凝土開始逐漸產(chǎn)生約束作用，抑制混凝土鼓曲變形的發(fā)展。夾層混凝土受到鋼管和PHC管柱約束作用而處于三向受力狀態(tài)，因此混凝土壓應(yīng)力得到提升?？缰薪孛嬷泻洼S緩慢向受壓側(cè)移動，預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋仍處于彈性狀態(tài)。構(gòu)件受到的荷載約為極限承載力的89.93%。

塑形強(qiáng)化階段(BC)。受壓側(cè)鋼管和部分普通鋼筋已經(jīng)屈服進(jìn)入塑性變形階段，鋼管對夾層混凝土約束效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，使兩者之間接觸壓力不斷增加。在特征點(diǎn)C時，構(gòu)件中截面撓度變形增大，夾層混凝土中和軸逐漸向受壓側(cè)移動，中截面夾層混凝土發(fā)生開裂。構(gòu)件的承載力達(dá)到最大值。

下降階段(CD)。在特征點(diǎn)C之后構(gòu)件進(jìn)入下降階段，中截面?zhèn)认驌隙炔粩嘣黾印ｄ摴懿荒茉贋榛炷撂峁┯行Ъs束，混凝土縱向應(yīng)力分布也變得不均勻，鋼管中截面塑性區(qū)域不斷向內(nèi)部發(fā)展。構(gòu)件的整體剛度持續(xù)減小，剩余承載力逐漸趨于穩(wěn)定。

3.2 應(yīng)力分析

3.2.1 夾層混凝土的縱向應(yīng)力

構(gòu)件ERHCFST-16夾層混凝土中截面的縱向應(yīng)力分布如圖4所示。從圖中可以看出，在特征點(diǎn)A和特征點(diǎn)B時，夾層混凝土縱向應(yīng)力分布均勻且最大值集中在受壓區(qū)，分別為0.95fc和1.01fc，在A點(diǎn)時混凝土受拉側(cè)應(yīng)力達(dá)到最大值，大約為3.89 MPa，混凝土發(fā)生開裂。在特征點(diǎn)C時構(gòu)件達(dá)到極限承載力，夾層混凝土受壓側(cè)角部區(qū)域應(yīng)力達(dá)到最大值，約為1.26fc，受壓側(cè)應(yīng)力增加至1.11fc，受拉側(cè)應(yīng)力減小至3.69 MPa。鋼管對混凝土有效約束集中在角部區(qū)域。在特征點(diǎn)D時，構(gòu)件處于下降階段，夾層混凝土縱向應(yīng)力持續(xù)降低且分布不均勻，受壓側(cè)應(yīng)力減小至0.35fc，而受拉側(cè)應(yīng)力減小至2.75 MPa。在整個受力階段中性軸逐漸向受壓區(qū)移動。

圖4 夾層混凝土縱向應(yīng)力分布

3.2.2 PHC管柱的縱向應(yīng)力

構(gòu)件ERHCFST-16的PHC管柱混凝土中截面縱向應(yīng)力分布如圖5所示。從圖中可以看出，在特征點(diǎn)A和B時，PHC管柱縱向應(yīng)力分布均勻且最大值集中在受壓區(qū)，分別為0.76fc和0.93fc。在彈性和彈塑性階段PHC管柱處于全面受壓狀態(tài)。在特征點(diǎn)C點(diǎn)時，PHC管柱受壓側(cè)縱向壓應(yīng)力逐漸增加至0.96fc，受拉區(qū)應(yīng)力大約為1.94 MPa。在特征點(diǎn)D時，PHC管柱縱向應(yīng)力分布不均勻，受壓側(cè)應(yīng)力逐漸減小至0.51fc，受拉側(cè)應(yīng)力增加至3.20 MPa，混凝土發(fā)生開裂。

圖5 PHC管柱縱向應(yīng)力分布

3.2.3鋼管Mises應(yīng)力

構(gòu)件ERHCFST-16的鋼管Mises應(yīng)力云圖如圖6所示。從圖中可以看出，在特征點(diǎn)A時，鋼管Mises應(yīng)力從受拉側(cè)至受壓側(cè)呈帶狀均勻分布，在彈性段鋼管接近發(fā)生塑性應(yīng)變狀態(tài)，最大應(yīng)力約為345 MPa，最小應(yīng)力約為74.68 MPa，鋼管整體處于全截面受壓狀態(tài)。隨著荷載繼續(xù)增加，在彈塑性階段受壓側(cè)鋼管Mises應(yīng)力持續(xù)增加，鋼管開始發(fā)生屈服且受壓側(cè)屈服區(qū)域持續(xù)擴(kuò)大。在特征點(diǎn)B時，受壓側(cè)最大應(yīng)力大約為受拉側(cè)4.12倍，應(yīng)力分布規(guī)律與彈性段大致相同。在特征點(diǎn)C時，構(gòu)件達(dá)到極限承載力狀態(tài)，鋼管屈服區(qū)域進(jìn)一步向受拉側(cè)擴(kuò)大，鋼管受拉側(cè)Mises應(yīng)力大約為77.12 MPa。在特征點(diǎn)D時，構(gòu)件進(jìn)入下降階段，隨著剩余承載力的持續(xù)減小，鋼管中截面塑性區(qū)域繼續(xù)向受拉側(cè)發(fā)展，但鋼管端部受拉側(cè)未達(dá)到屈服狀態(tài)。

圖6 鋼管Mises應(yīng)力云圖

3.2.4 預(yù)應(yīng)力筋Mises應(yīng)力

預(yù)應(yīng)力筋在初期剩余預(yù)拉力為801.7 MPa，由于彈性階段構(gòu)件處于全截面受壓狀態(tài),預(yù)應(yīng)力筋受壓后Mises應(yīng)力逐漸減小。預(yù)應(yīng)力筋Mises應(yīng)力云圖如圖7所示。從圖中可以看出，在特征點(diǎn)A時，受壓側(cè)與受拉側(cè)預(yù)應(yīng)力筋Mises應(yīng)力相差較大，受壓側(cè)應(yīng)力大約為受拉側(cè)1.34倍。在特征點(diǎn)B時，受壓側(cè)與受拉側(cè)預(yù)應(yīng)力筋Mises應(yīng)力不斷減小。從特征點(diǎn)C至D時，受壓側(cè)預(yù)應(yīng)力筋Mises應(yīng)力逐漸增加且達(dá)到屈服狀態(tài)，而受拉側(cè)Mises應(yīng)力減小至461.7 MPa。

圖7 預(yù)應(yīng)力筋Mises應(yīng)力云圖

4 參數(shù)分析

4.1 鋼材強(qiáng)度的影響

鋼管屈服強(qiáng)度對構(gòu)件荷載-撓度影響曲線如圖8所示。從圖中可以看出，構(gòu)件在彈性階段曲線幾乎重合，初始剛度基本相同。構(gòu)件在彈塑性階段以后，曲線呈非線性增長。鋼材屈服強(qiáng)度Q460與Q235相比，構(gòu)件極限承載力增加了24.14%。隨著鋼材屈服強(qiáng)度增大，構(gòu)件的極限承載力和剩余承載力越大，后期的延性也變好。

圖8 鋼管屈服強(qiáng)度對荷載-撓度曲線的影響

4.2 混凝土強(qiáng)度的影響

夾層混凝土強(qiáng)度對構(gòu)件荷載-撓度影響曲線如圖9所示。從圖中可以看出，夾層混凝土強(qiáng)度對構(gòu)件受力性能的影響主要在塑性強(qiáng)化段,荷載-撓度曲線呈非線性增長。混凝土強(qiáng)度等級C100與C60相比，構(gòu)件極限承載力增加了19.61%。增加夾層混凝土強(qiáng)度可以提高構(gòu)件極限承載力，但后期的延性變差。

圖9 混凝土強(qiáng)度對荷載-撓度曲線的影響

4.3 偏心距的影響

偏心距對構(gòu)件荷載-撓度影響曲線如圖10所示。從圖中可以看出，偏心距對構(gòu)件受力性能的影響從彈性階段開始，偏心距增加構(gòu)件初始剛度和剩余承載力逐漸減小。隨著偏心距增大，構(gòu)件側(cè)向撓度逐漸增加，極限承載力逐漸降低。

圖10 偏心距對荷載-撓度曲線的影響

4.4 含鋼率的影響

含鋼率對構(gòu)件荷載-撓度影響曲線如圖11所示。從圖中可以看出，含鋼率對構(gòu)件力學(xué)性能影響在彈塑性階段以后。含鋼率α=0.106與α=0.06相比，構(gòu)件極限承載力增加了22.82%。隨著含鋼率的增加，構(gòu)件的剩余承載力逐漸增大，延性越好。

圖11 含鋼率對荷載-撓度曲線的影響

4.5 普通鋼筋的影響

普通鋼筋對荷載-撓度影響曲線如圖12所示。從圖中可以看出，配普通鋼筋對構(gòu)件的受力性能影響主要在塑性強(qiáng)化段。普通鋼筋主要改善了PHC管柱的受力性能，由此來提高構(gòu)件的極限承載力，使構(gòu)件后期延性變好。從圖12可以看出，PHC管柱有普通鋼筋和無普通鋼筋構(gòu)件相比，極限承載力提高3.94%。當(dāng)鋼筋直徑從16 cm增加至18 cm時，極限承載力提高不明顯；當(dāng)鋼筋直徑增加到20 cm時，極限承載力和初始剛度顯著提高，與鋼筋直徑18 cm構(gòu)件相比，極限承載力提高2.98%。

圖12 普通鋼筋對荷載-撓度曲線的影響

5 結(jié) 論

(1)配筋空心方鋼管高強(qiáng)混凝土偏心受壓短柱受力全過程分為彈性階段、彈塑性階段、塑性強(qiáng)化段和下降階段。其中夾層混凝土和PHC管柱承擔(dān)主要荷載，當(dāng)構(gòu)件達(dá)到極限承載力時，鋼管和普通鋼筋均達(dá)到屈服狀態(tài)，核心混凝土發(fā)生破壞，充分發(fā)揮了材料受力性能。

(2)提高鋼材屈服強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度能夠增加構(gòu)件的極限承載力，其中鋼材屈服強(qiáng)度提高使構(gòu)件的延性變好，而混凝土強(qiáng)度提高使構(gòu)件的延性變差；偏心距越大構(gòu)件的極限承載力越小，初始剛度和剩余承載力也逐漸減小。

(3)增加含鋼率使構(gòu)件的極限承載力顯著提高，同時具有較好的延性；配普通鋼筋可以改善構(gòu)件的延性和受力性能，提高構(gòu)件的極限承載力。