T形鋼管再生混凝土柱軸壓力學(xué)性能研究

盧夢(mèng)瀟

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

周立

(中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

查春光

(北京新京潤(rùn)房地產(chǎn)有限公司，北京 100022)

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T形鋼管再生混凝土柱軸壓力學(xué)性能研究

盧夢(mèng)瀟

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

周立

(中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

查春光

(北京新京潤(rùn)房地產(chǎn)有限公司，北京 100022)

為進(jìn)一步深入了解T形截面鋼管再生混凝土柱在豎向荷載作用下的力學(xué)性能，在選擇合適的本構(gòu)關(guān)系后，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬。基于已建立的模型，選取再生骨料取代率、鋼管壁厚、核心混凝土等級(jí)等作為變化參數(shù)，用該模型對(duì)T形截面鋼管再生混凝土軸壓力學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，鋼管和混凝土之間的相互作用十分明顯，再生混凝土受到鋼管約束處于三軸受壓狀態(tài)，極大改善了再生混凝土強(qiáng)度低及延性差的缺點(diǎn)；T形截面鋼管再生混凝土柱同普通鋼管混凝土相似，也擁有較好的承載性能和變形能力；不同比例的骨料取代率對(duì)T形柱的軸壓承載能力影響較小；鋼管壁厚越大，柱各階段承載力值都越大，且提高了柱的初始剛度；再生混凝土等級(jí)越大，能夠一定程度提高柱的極限承載力，但曲線(xiàn)下降段更迅速，延性比較差；有限元可以很好模擬T形截面鋼管再生混凝土柱的荷載-變形全過(guò)程，研究成果可供實(shí)際工程設(shè)計(jì)參考。

T形截面；鋼管再生混凝土柱；軸壓；力學(xué)性能；有限元分析

隨著近些年我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，建筑的拆遷造成了大量的廢棄混凝土，如果更加合理有效的處理這些廢棄混凝土同時(shí)又不給環(huán)境帶來(lái)污染，已成為一個(gè)社會(huì)難題[1]。再生混凝土概念的提出和利用無(wú)疑對(duì)這一難題提供了一條很好的出路。再生混凝土指的是將廢棄混凝土破碎清洗成再生骨料，再按一定的比例配置成混凝土。國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究[2～4]表明，再生混凝土可以用于工程實(shí)際中。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的抗震性能，在我國(guó)抗震設(shè)防區(qū)得到大規(guī)模應(yīng)用[5，6]，將再生混凝土填充至鋼管內(nèi)形成的鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)已成為科研工作者研究的熱點(diǎn)。Konno等[7]、Yang等[8]、吳波等[9]分別進(jìn)行了鋼管再生混凝土柱的軸壓試驗(yàn)。為了避免建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)棱角及獲取更大布局空間，常常將柱子做成異性，如T形、L形、十字形等。黎志軍等[10]、蔡健等[11]、杜國(guó)鋒等[12]對(duì)L形、T形截面鋼管混凝土進(jìn)行了軸壓力學(xué)性能的試驗(yàn)和理論研究。現(xiàn)有的研究主要集中在方形和圓形截面再生混凝土柱和異性截面普通混凝土柱的的軸壓研究，較少涉及到異性截面再生混凝土柱軸壓力學(xué)性能的研究。

為深入了解異性截面再生混凝土柱的軸壓力學(xué)性能，筆者選擇T形截面鋼管再生混凝土柱作為研究對(duì)象，選取合適的有限元模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。基于已建立的模型，選取再生骨料取代率、鋼管壁厚、核心混凝土等級(jí)等作為變化參數(shù)，用該模型分析了這些因素對(duì)柱承載力的影響，以期為實(shí)際工程實(shí)際提供理論依據(jù)。

1　T形截面柱概況

圖1　T形柱構(gòu)造示意圖

進(jìn)行有限元非線(xiàn)性分析之前，首先需要確定T形柱的幾何構(gòu)造尺寸及材料的力學(xué)性能。T形截面鋼管柱用200mm×100mm的矩形鋼管和100mm×100mm的U形鋼管組合連接形成，柱有效高度取1200mm，鋼管壁厚取4mm，具體構(gòu)造尺寸見(jiàn)圖1。鋼管內(nèi)填充再生混凝土，再生混凝土的骨料取代率為50%，混凝土等級(jí)為C40。核心再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度取40.2MPa，4mm厚鋼材的屈服強(qiáng)度取273.8MPa，抗拉強(qiáng)度取387.0MPa，彈性模量取201GPa。

2　有限元模型建立

2.1鋼材和混凝土本構(gòu)關(guān)系

1)鋼材的本構(gòu)模型二次塑流模型既能考慮到鋼材的強(qiáng)化，又能十分真實(shí)反映出材料的力學(xué)特性，目前已被廣泛應(yīng)用于分析鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。二次塑流模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中，fy、fu分別為鋼材的屈服強(qiáng)度和極限抗壓強(qiáng)度，MPa；E、E′分別為彈性模量及強(qiáng)化模量，MPa；εe1為彈性極限應(yīng)變，εe2=10εe1，εe3=100εe1。

圖2　有限元模型示意圖

2)再生混凝土的本構(gòu)模型混凝土材料目前是最為廣泛使用的建筑材料，其不均勻性導(dǎo)致受力性能差異較大。考慮到混凝土位于T形鋼管內(nèi)，受力較為特殊和復(fù)雜，選取的本構(gòu)關(guān)系參考文獻(xiàn)[12]。它既可以考慮鋼管對(duì)混凝土的套箍約束作用，又能考慮不同再生骨料取代率的影響。

2.2單元選取和網(wǎng)格劃分

為了提高計(jì)算過(guò)程中的精度和準(zhǔn)確度，再生混凝土和鋼管分別采用C3D8R單元及S4R單元。這2類(lèi)單元均是線(xiàn)性縮減積分單元，S4R單元的優(yōu)點(diǎn)在于程序可以隨著殼厚度的不斷改變而在計(jì)算時(shí)自動(dòng)選擇相適宜的厚殼或者薄殼理論，而C3D8R單元可以進(jìn)行大應(yīng)變分析，并能模擬網(wǎng)格屈曲。劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)T形截面鋼管混凝土柱采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)。有限元模型見(jiàn)圖2。

2.3界面模型及邊界條件

為了更加真實(shí)的模擬實(shí)際加載過(guò)程，柱底板施加固段約束的邊界條件，柱頂端施加位移荷載。T形鋼管和核心再生混凝土的界面模擬分為兩部分，分別為法向的接觸以及切向的黏結(jié)滑移。法向接觸行為選擇硬接觸，切向力選擇庫(kù)倫摩擦模型進(jìn)行計(jì)算。

3　有限元結(jié)果及分析

圖3　試件的荷載-軸向變形關(guān)系曲線(xiàn)

用有限元建模計(jì)算得到該試件的荷載-軸向變形關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。從圖3可知，整個(gè)加載過(guò)程可分為彈性工作階段、彈塑性工作階段及后期工作階段。試件處于彈性階段時(shí)，其軸向剛度大體保持不變；等到鋼管屈服之后，曲線(xiàn)才出現(xiàn)了拐點(diǎn)，過(guò)該拐點(diǎn)后荷載驟降，此時(shí)軸壓剛度逐漸開(kāi)始降低。這主要是由于T形截面鋼管柱達(dá)到極限荷載后，端部的鋼管全部出現(xiàn)屈服，而剪切滑移線(xiàn)也已經(jīng)布滿(mǎn)整個(gè)端部，且T形鋼管對(duì)核心再生混凝土的約束應(yīng)力不均勻，表現(xiàn)為角部應(yīng)力較大，而中點(diǎn)處應(yīng)力接近于零。這些原因的共同作用造成了荷載驟然下降。試件處于破壞階段時(shí)，曲線(xiàn)基本保持水平，剛度變化較為平緩，表現(xiàn)了較好的延性，也表明T形截面鋼管再生混凝土柱同普通鋼管混凝土相似，擁有較好的承載性能和變形能力。再生混凝土的力學(xué)性能要較普通混凝土差，說(shuō)明這種T形截面鋼管再生混凝土柱的組合形式具有其優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)在于再生混凝土受到鋼管約束處于三軸受壓狀態(tài)，極大改善了再生混凝土強(qiáng)度低及延性差的缺點(diǎn)。

將模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[13]相比，可得出如下結(jié)論：T形截面鋼管對(duì)核心混凝土的約束效應(yīng)介于方鋼管和圓形鋼管之間，比圓形鋼管要差，但比方鋼管要好。因?yàn)閳A形鋼管對(duì)混凝土產(chǎn)生的側(cè)向約束力沿著圓周分布，方形和T形鋼管約束應(yīng)力分布不均，造成了其與混凝土在承受荷載時(shí)的協(xié)同作用較差，而混凝土也不能對(duì)鋼管形成較好的側(cè)向支撐，導(dǎo)致了核心混凝土在加載過(guò)程中迅速被壓碎。而T形鋼管獨(dú)特的構(gòu)造形式，其不是空心T形，而是方形加U形的組合形式，可以有效約束核心混凝土的橫向膨脹變形，故其荷載-變形曲線(xiàn)要好于方形鋼管。

4　影響因素分析

有限元分析的好處在于其計(jì)算快捷，可以模擬不同影響因素下對(duì)柱軸壓力學(xué)性能的影響，節(jié)省了人工和時(shí)間。擬根據(jù)已建立的有限元，通過(guò)改變不同參數(shù)來(lái)分析各參數(shù)對(duì)T形截面鋼管再生混凝土柱的軸壓力學(xué)性能的影響規(guī)律。模型采用的混凝土等級(jí)為C40，其中的再生骨料取代率為50%。

4.1再生骨料取代率的影響

選擇再生骨料取代率(γ)為50%、70%、100%為研究對(duì)象，用有限元計(jì)算得到的荷載-位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，不同骨料替代率對(duì)極限承載力的影響見(jiàn)圖5。從圖4和圖5可知，在選取的再生骨料取代率參數(shù)范圍內(nèi)，不同比例的再生骨料取代率對(duì)試件的極限承載力影響很小，取代率為70%和100%的極限承載力較取代率為50%的試件降低了4.9%、10.6%，說(shuō)明再生骨料取代率越大，試件極限承載力降低程度越大。再生骨料取代率對(duì)試件的初始剛度影響較小，取代率越大，初始剛度有降低的趨勢(shì)，但在加載后期，3者曲線(xiàn)基本重合，均表現(xiàn)了較好的延性。

圖4　不同骨料取代率的荷載-位移關(guān)系曲線(xiàn)

圖5　不同骨料取代率的影響

4.2鋼管壁厚的影響

選取鋼管壁厚(t)3、4、5mm為研究對(duì)象，用有限元計(jì)算得到的荷載-位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖6，不同鋼管壁厚對(duì)極限承載力的影響見(jiàn)圖7。

圖6　不同鋼管壁厚的荷載-位移關(guān)系曲線(xiàn)

圖7　不同鋼管壁厚的影響

從圖6和圖7可知，隨著鋼管壁厚變大，初始剛度加大，構(gòu)件在不同工作階段的極限承載力較大，極限荷載越高，鋼管壁厚5mm、4mm的極限荷載較鋼管壁厚為3mm的試件極限承載力分別提高了28.6%、50.9%。鋼管壁厚越大，到達(dá)極限荷載后下降段也較為平緩，且后期的殘余承載力也較大，延性較好，這主要是得益于鋼管壁厚越大，鋼管對(duì)內(nèi)部核心混凝土的約束作用越大，即套箍作用更大，故其在加載過(guò)程中表現(xiàn)出了更優(yōu)越的受力性能和延性性能，具有較好的安全保障。

4.3再生混凝土等級(jí)的影響

選取鋼管壁厚再生混凝土等級(jí)C40、C50、C60作為研究對(duì)象，用有限元計(jì)算得到的荷載-位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖8，不同混凝土等級(jí)對(duì)極限承載力的影響見(jiàn)圖9。

從圖8和圖9可知，在選定的混凝土等級(jí)參數(shù)范圍內(nèi)，混凝土等級(jí)對(duì)試件初始剛度基本沒(méi)影響。但核心再生混凝土等級(jí)越大，極限荷載也有一定程度提高，其中，C60、C50等級(jí)的混凝土極限荷載較C40試件分別提高了10.6%、17.2%。超過(guò)極限荷載后，混凝土等級(jí)越大的試件下降段更迅速，且表現(xiàn)出的延性更差。這可能是由于混凝土等級(jí)越大，軸心抗壓強(qiáng)度越大，提高了所能達(dá)到的極限荷載，但超過(guò)極限荷載后，混凝土等級(jí)越高脆性越大，內(nèi)部裂縫快速發(fā)展，導(dǎo)致荷載下降速度加快，表現(xiàn)出的延性較差。

圖8　不同混凝土等級(jí)的荷載-位移關(guān)系曲線(xiàn)

圖9　不同混凝土等級(jí)的影響

5　結(jié)論

1)建立的T形截面鋼管再生混凝土模型可以很好的分析該類(lèi)截面柱的軸壓力學(xué)性能，且用該模型可以很好的進(jìn)行影響因素分析。

2)T形截面鋼管再生混凝土柱同普通鋼管混凝土相似，也擁有較好的承載性能和變形能力。

3)T形截面鋼管對(duì)核心混凝土的約束效應(yīng)介于方鋼管和圓形鋼管之間，比圓形鋼管要差，但比方形鋼管要好。

4)影響T形截面鋼管再生混凝土柱承載力和延性的主要因素有再生骨料取代率、鋼管壁厚、核心混凝土等級(jí)。不同比例的骨料替代率對(duì)T形柱的軸壓承載能力影響較小，鋼管壁厚主要影響極限承載力的提高程度，提高再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)可以提高T形柱的極限承載力，但柱的延性會(huì)變差。

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[編輯]計(jì)飛翔

2016-04-20

湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(20146503)。

盧夢(mèng)瀟(1988-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事型鋼混凝土方面的研究工作；E-mail：mx_lu@qq.com。

TU398.9

A

1673-1409(2016)22-0045-05

[引著格式]盧夢(mèng)瀟,周立，查春光.T形鋼管再生混凝土柱軸壓力學(xué)性能研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(22)：45～49.