基于有限元法的鋼骨高強混凝土柱抗剪承載力研究

趙 巖 峰

(深圳市建筑設計研究總院有限公司第一分公司，廣東 深圳 518031)

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基于有限元法的鋼骨高強混凝土柱抗剪承載力研究

趙 巖 峰

(深圳市建筑設計研究總院有限公司第一分公司，廣東 深圳 518031)

在合理選取參數的前提下，使用有限元軟件marc建立了模型，對已有的鋼骨高強混凝土柱抗剪承載力試驗[1]進行了模擬，得出的結果與試驗結果較為一致，指出在試驗條件受限或者試驗構件數量不足時，可以使用有限元計算數據作為試驗數據的補充。

鋼骨混凝土柱，有限元，抗剪承載力，位移

0 引言

鋼骨混凝土構件有著以下特點：1)在荷載相同的情況下鋼骨混凝土構件截面可以遠小于普通鋼筋混凝土構件，從而減少空間占用，增加建筑使用面積；2)型鋼的存在大大提高了構件的延性，因此抗震性能優異；3)相對于純鋼構件，鋼骨混凝土的耐火、耐腐蝕能力有著顯著提高；4)近年來隨著鋼材價格的持續走低，采用鋼骨混凝土結構相對于以往，經濟性更加明顯。

1 試驗介紹[1]

柱截面尺寸為220 mm×160 mm，鋼骨為Ⅰ14熱工字鋼。加載方式為懸臂梁式加載，豎向由100 t千斤頂施加軸向壓力，水平荷載由50 t做動器施加。構件截面如圖1所示。

試驗中各材料的力學性能見文獻[1]。

2 模型的建立與參數選取

本著有限元模型與試驗邊界以及荷載條件盡可能一致，且又有利于模型建立與計算的原則，對模型進行適當的簡化。其中混凝土、鋼骨部分采用六面體實體單元，縱向鋼筋采用Truss單元。混凝土與鋼筋、鋼骨的粘結面簡化為共用節點的方式不考慮粘結滑移。因采用的混凝土本構關系曲線[4]本身已經考慮了箍筋對混凝土材料的約束作用，故模型中沒有建立箍筋。根據圣維南原理，可以近似認為柱加載端與約束端的荷載、邊界條件僅影響局部區域的應力分布，而對相對較遠區域的影響可以忽略不計。因此，為了防止混凝土由于局部過早產生較大變形導致迭代不收斂，將柱頂加載處設置為理想彈性體不考慮材料非線性因素。柱底約束所有Z坐標為0的節點全部自由度。計算中對于先施加軸壓，再施加水平荷載工況采用定義兩個table表來實現。模型如圖2所示。

本次計算輸入程序中的混凝土非線性應力應變關系曲線為錢稼茹等[4]提出的約束混凝土應力應變關系曲線。它的特點是在應力—應變全曲線方程中加入了配箍特征值λv，從而考慮了箍筋的約束作用。其中抗拉強度ft=0.1fc，極限壓應變εcu=1，剪力傳遞系數η=0.3，軟化模量Es=0.1E，常數β=1.732。

3 有限元計算結果及分析

表1 試驗與計算結果對比分析

表1為計算結果匯總，其中λ為剪跨比，nt為軸壓力系數，ρv為體積配箍率，Vu為試驗值，VM為有限元計算值。圖3為各構件有限元計算的荷載位移關系曲線，曲線均有明顯的下降段，且下降段很長，說明鋼骨混凝土構件有著很好的延性。從圖4有限計

算結果的裂縫分布圖來看，圖4a)構件根部主要以混凝土壓碎與拉裂為主要破壞形態，并未出現明顯的斜裂縫，表現為彎曲性破壞(λ=2.5)；圖4b)，圖4c)在柱根部除明顯的混凝土壓碎與拉裂破壞以外，斜裂縫發展明顯，尤其是剪跨比較小(λ=1.0)時主要表現為剪切破壞。有限元計算的破壞形態與裂縫分布和試驗結果是一致的[1]。從表1匯總的計算結果來看，有限元計算結果與試驗結果基本吻合，而此次計算中由于模型以共用節點的方式考慮型鋼與混凝土材料的共同工作，并未考慮粘結滑移，故計算值均大于試驗值。從已有的10個計算結果來看剪跨比越小有限元計算結果與試驗值誤差越大，但總體基本滿足要求。綜上所述，可考慮在試驗條件受限，以及試驗構件數量不足的情況下，將有限元計算結果作為試驗數據的補充。

[1] 李俊華.低周反復荷載下型鋼高強混凝土柱受力性能研究[D].西安：西安建筑科技大學，2005.

[2] 陳火紅.Marc有限元實例分析教程[M].北京:機械工業出版社,2002：2-3.

[3] 陳火紅,于軍泉,席源山.MSC.Marc/Mentat 2003基礎與應用實例[M].北京：科學出版社，2004：1-2.

[4] 錢稼茹,程麗榮,周棟梁.普通箍筋約束混凝土柱的中心受壓性能[J].清華大學學報(自然科學版)，2002(10):1369-1373.

[5] 賈金青，趙國藩.高強混凝土框架短柱力學性能的試驗研究[J].建筑結構學報,2001(6):43-47.

Research on shearing loading capacity of steel-reinforced concrete column based on finite element method

Zhao Yanfeng

(ShenzhenBuildingDesignAcademyHeadquarterCorporation1stBranchCompany,Shenzhen518031,China)

In the premise of rationally selecting parameters, the paper establishes models by applying finite element software marc, carries out simulation for the anti-shearing bearing capacity test of existing high-strength steel-reinforced concrete column[1], and finally points out that: the finite element computation data can be used as experimental data supplement under the conditions of limited experimental conditions or insufficient experimental components quantity.

steel-reinforced concrete column, finite element, anti-shearing bearing capacity, displacement

2016-03-24

趙巖峰(1981- )，男，工程師

1009-6825(2016)16-0046-02

TU375.3

A