方鋼管混凝土柱軸壓承載力有限元分析

李海峰,高二軍

(1.石家莊萬科房地產開發有限公司, 河北 石家莊 050010;2.河北科技大學,河北 石家莊 050018)

1 緒論

鋼管混凝土結構是繼鋼結構、木結構、鋼筋混凝土結構和磚石結構之后發展起來的,在鋼管內部澆筑混凝土而形成的一種新型抗側力組合結構[1]。在實際工程中,鋼管混凝土組合剪力墻和鋼管混凝土柱較為常用。

截止到二十世紀八十年代,國內學者才逐漸對方鋼管混凝土柱進行研究。馬愷澤[2]等人進行了8根高軸壓比下方鋼管混凝土柱的滯回性能試驗,試驗結果表明：較高的軸壓比對鋼管混凝土柱的延性和耗能能力有利。李斌[3]等人完成了10根圓鋼管混凝土柱軸壓承載力有限元分析,表明圓鋼管混凝土短柱的適應性強,承載能力和變形能力好。由于試驗條件的限制,筆者采用有限元分析軟件ABAQUS建立了9根方鋼管混凝土柱的非線性分析模型,考慮了鋼板強度、混凝土強度和軸壓比等對試件軸壓承載力的影響,通過對比分析,得出了不同參數下試件軸壓承載力的變化規律。

2 方鋼管混凝土柱試件設計

本文在前人研究的基礎上,結合實際工程,設計了一組截面尺寸為mm,柱高3000mm,混凝土強度等級為C50,鋼板強度等級為Q345,軸壓比為0.6,鋼板厚度為5mm的方鋼管混凝土柱,截面示意圖如圖1所示。

圖1 方鋼管混凝土柱截面示意圖

圖2 鋼材應力應變曲線

3 方鋼管混凝土柱有限元模型建立

鋼材的本構采用理想彈塑性模型[4],應力應變曲線示意圖如圖2所示,彈性模量Es=2.06×105MPa,泊松比為0.3；混凝土采用損傷塑性模型,應力應變曲線按照文獻[5]提出的考慮約束效應的應力應變關系,泊松比為0.2；鋼板采用殼單元S4R,混凝土采用實體單元C3D8R；采用位移控制的方式進行加載,直至加載到層間位移達H/80；在試件底端施加完全固定約束,頂端設置剛性面,并對參考點施加限制平面內兩個方向的位移和三個方向的轉動約束。有限元分析模型如圖3所示。

圖3 有限元分析模型示意圖

4 參數化分析

本文對影響鋼管混凝土柱軸壓承載力的主要參數進行分析。考慮的主要參數為混凝土強度等級、軸壓比和鋼板強度等級。軸壓比分別取0.6、0.7、0.8；混凝土強度取C50、C60、C70；鋼板強度取Q345、Q390、Q420。參數分析時,選定一個參數為變量,其他參數保持不變。

4.1 軸壓比

圖4為不同軸壓比作用下試件的荷載-位移曲線。由圖可知,軸壓比對鋼管混凝土柱的承載力有較大影響,隨著軸壓比的增加,屈服荷載和峰值承載力均減小,峰值承載力由軸壓比為0.6時的12024KN變化到軸壓比為0.8時的10076KN,減小了1948KN。

圖4 軸壓比下荷載—位移曲線

4.2 混凝土強度等級

圖5為不同混凝土強度等級下試件的荷載-位移曲線。由圖可知,混凝土強度等級對鋼管混凝土柱的承載力有顯著影響,隨著混凝土強度的增加,峰值承載力也在不斷提高,且提高的幅度越來越大；峰值承載力由C50時的23559KN變化到C70時的31250KN,增加了7691KN。

圖5 混凝土強度下荷載-位移曲線

4.3 鋼板強度等級

圖6為不同鋼板強度等級下試件的荷載-位移曲線。由圖可知,鋼板強度等級對鋼管混凝土柱的承載力影響不明顯,隨著鋼板強度等級的增加,試件峰值承載力略有提高。由Q345變化到Q420時,承載力僅提高了358KN。

圖6 鋼板強度下荷載-位移曲線

5 結論

試件的軸壓比、混凝土強度等級和鋼板強度等級的不同取值對方鋼管混凝土柱的軸壓承載力有不同程度的影響。隨著軸壓比的增加,屈服荷載和峰值承載力均減小；但隨著混凝土強度的增加,峰值承載力在不斷提高,且提高的幅度越來越大；隨著鋼板強度等級的增加,試件峰值承載力略有提高。相比較而言,提高混凝土強度等級時承載力的提高幅度要遠大于提高鋼板強度時承載力的提高幅度。因此提高方鋼管混凝土柱承載力最有效的辦法是提高混凝土強度等級。