帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱偏壓承載力特性研究

蔡 健 華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,廣東廣州510640 華南理工大學土木與交通學院,廣東廣州510640

朱昌宏,林煥彬 (華南理工大學土木與交通學院,廣東廣州510640)

結構中的鋼管混凝土柱在外荷載作用下常處于偏壓或壓彎狀態。國內外學者對矩形鋼管混凝土柱的偏壓力學性能進行了較廣泛的研究[1～5],結果表明一般截面形式的矩形鋼管混凝土與方形鋼管混凝土相似,鋼管對核心混凝土的約束作用主要集中在4個角部,在4條邊的中部幾乎為零,整體約束效應小,故承載力及延性與圓形鋼管混凝土柱相比要低很多,其潛在的材料性能沒能得到充分發揮。針對一般截面形式的矩形鋼管混凝土的上述缺點,文獻 [6～8]中提出在矩形鋼管4邊的中部設置水平約束拉桿的截面加強措施,并對約束拉桿矩形鋼管混凝土柱構件的軸壓和偏壓性能進行了試驗研究,結果表明設置了約束拉桿的矩形鋼管混凝土柱的承載力、延性得到了很好的提高。在此基礎上,筆者基于帶約束拉桿矩形鋼管混凝土的本構關系[9],利用纖維模型法對帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱的偏壓承載力進行數值計算,通過計算結果與試驗結果的比較驗證纖維模型法的合理性,同時討論各種因素對帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱的單向偏壓和雙向偏壓承載力的影響。

1 數值分析

1.1 數值分析的基本假定和方法

利用纖維模型法[10]可有效地對偏壓試件進行全過程分析。如圖1所示,建立坐標系XOY,構件截面總是置于坐標系的第1象限,并且截面的左下角角點與坐標軸原點重合,將截面劃分為許多小單元,并近似認為各單元的應力分布均勻,各單元的合力點位于該單元的形心處,用單元形心處的應變作為該單元的應變,形心處的坐標作為該單元的坐標。在進行數值分析時作如下假設:①在變形中試件橫截面始終保持為平截面,截面應變為線性分布;②鋼板與混凝土之間無相對滑移;③不考慮混凝土的抗拉作用,受拉區混凝土退出工作;④試件兩端鉸接,撓曲線為正弦半波曲線;⑤鋼材和受壓區混凝土的應力-應變關系分別采用文獻 [9]中建議的相應模型。

圖1 截面分析纖維模型法

采用上述假定和方法,可以編制非線形計算程序對帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱的力學性能進行分析。

1.2 數值分析計算結果和試驗結果的比較

根據上述方法編制了數值分析程序并對文獻 [8]試驗的偏壓短柱試件的彎矩-曲率關系曲線進行全過程計算,計算時增加L/1000(L為柱長)的初始撓度以考慮試件制作、安裝等因素造成的初始缺陷對試件縱向受荷的影響[11]。圖2和圖3給出了典型試件理論計算曲線與試驗曲線的對比情況。由圖2可見,計算曲線與試驗曲線總體上吻合良好,說明采用帶約束拉桿矩形鋼管混凝土的本構關系,利用纖維模型法可以很好地模擬計算帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱的偏壓承載力。

圖2 部分偏壓試件計算結果與試驗結果的對比

2 參數分析

利用上述數值分析程序,通過改變有關參數可以計算得到構件的軸力-抗彎承載力(N-M)關系曲線。下面,筆者將通過參數研究分析約束拉桿間距和直徑、混凝土強度、鋼管壁厚、鋼材強度、截面高寬比等對單向和雙向偏壓的帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱的軸力/軸壓承載力之比和抗彎承載力/純彎承載力之比的曲線(N/Nu-M/Mu)的影響。分析中基本參數的取值如下,截面尺寸為截面長邊×截面短邊(D×B)=600mm×500mm的矩形截面 (對比截面長邊 D=700mm～1000mm),鋼管壁厚t=6～12mm,鋼管強度 fay=235～460MPa,混凝土強度等級為 C40～C80,橫向約束拉桿數目為1～4根,縱向約束拉桿間距as=150mm,約束拉桿直徑為d=10～16mm,約束拉桿強度fy=345MPa。

圖3 計算軸力-抗彎承載力(N-M)曲線與試驗曲線的比較

2.1 各參數對單向偏壓承載力的影響

圖4中給出了各參數對單向偏壓的軸力/軸壓承載力-抗彎承載力/純彎承載力(N/Nu-M/Mu)曲線的影響。由圖4(a)、(b)可看到,隨約束拉桿水平間距的減小、約束拉桿直徑的增大,N/Nu-M/Mu曲線逐漸往外凸。這是由于約束拉桿間距減小、約束拉桿直徑的增大,拉桿的約束作用增大,核心混凝土受到的約束作用增大、縱向強度提高,相應地混凝土承擔荷載比例增大,致使N/Nu-M/Mu曲線相應往外凸出。但從2圖的比較也可發現,增大約束拉桿直徑的效果不明顯。由圖4(c)可看到,隨著鋼管壁的增厚,即含鋼率的增大,N/Nu-M/Mu曲線明顯往內收攏,表明鋼管承擔的荷載比例增大,構件受力特性偏向于鋼構件。圖4(d)可知,隨混凝土抗壓強度的提高,N/Nu-M/Mu曲線逐漸往外凸,混凝土承擔荷載的比例增大,構件受力特性偏向于混凝土構件。由圖4(e)可看到,隨著鋼管強度的提高,N/Nu-M/Mu曲線幾乎沒有發生變化,這是由于鋼管強度提高的同時,核心混凝土受到的約束作用也相應增大,鋼管與混凝土承擔荷載的比例變化不大。隨著截面高寬比的增大,N/Nu-M/Mu曲線逐漸往外凸 (見圖4(f))。

圖4 各參數對軸力/軸壓承載力-抗彎承載力/純彎承載力 (N/Nu-M/Mu)曲線的影響

2.2 各參數對雙向偏壓承載力的影響

圖5為軸壓比n=0.45(n=N/(fayAs+fckAc))時截面抗彎承載力/純彎承載力(M/Mu)之比和荷載角α的關系曲線 (截面長邊方向為0°)。由圖可見,在不同參數條件下,M/Mu隨α的變化規律相似。由于截面的對稱性,以荷載角α為0°～90°為例說明,荷載角α對截面的抗彎承載力M/Mu影響顯著;當α=0°時,截面的抗彎承載力最大;隨著截面寬高比的增加,截面最小抗彎承載力的位置從α=45°(方形截面)變化到α=90°。因此,在實際工程設計中應充分考慮雙向偏壓條件下截面抗彎承載力的降低。

圖5 軸壓系數n=0.45時各參數下截面抗彎承載力/純彎承載力-荷載角 (M/Mu-α)曲線

圖6為不同軸壓系數時,截面抗彎承載力/純彎承載力之比(M/Mu)和荷載角α的關系曲線。各參數變化下的曲線變化規律相似,不再一一給出。由圖5、圖6可見,當荷載角α保持不變時,各參數對雙向偏壓短柱的N/Nu-M/Mu曲線的影響規律和單向偏壓時相類似;軸壓系數變化時,M/Mu-α曲線形狀基本相同。

圖6 不同軸壓系數時的截面抗彎承載力/純彎承載力-荷載角(M/Mu-α)曲線

3 結 論

1)應用纖維模型法對帶約束拉桿矩形鋼管混凝土偏壓短柱承載力的計算表明,受壓區混凝土采用軸壓條件下的帶約束拉桿矩形鋼管混凝土的本構關系得到的計算結果與試驗結果吻合程度良好。

2)約束拉桿能有效改善矩形鋼管混凝土短柱的偏壓性能。在偏心距及其他條件相同的條件下,隨約束拉桿間距的減小、直徑的增大,帶約束拉桿矩形鋼管混凝土偏壓短柱的極限承載力相應提高,軸力/軸壓承載力之比和抗彎承載力/純彎承載力之比的曲線(N/Nu-M/Mu)往外凸。隨著鋼管壁厚度增大,偏壓短柱的極限承載力明顯提高,N/Nu-M/Mu曲線往內收攏,鋼構件的受力特性明顯。隨著混凝土抗壓強度的提高,截面寬厚比的增大,偏壓短柱的極限承載力也提高,N/Nu-M/Mu曲線逐漸往外凸,混凝土構件的受力特性明顯。隨著鋼管強度的提高,偏壓短柱極限承載力提高程度不明顯。

3)荷載角α對截面的抗彎承載力/純彎承載力之比(M/Mu)的影響顯著;各參數對單向偏壓和雙向偏壓短柱的N/Nu-M/Mu曲線的影響相類似;軸壓比變化時,M/Mu-α曲線形狀基本相同。

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