單偏壓荷載下翼緣外置型鋼混凝土柱力學性能研究

段勁松, 姚建凱, 李秀晨, 蔣江迪, 沈雁宏, 陳海江

(1.浙江鴻翔建設集團股份有限公司,浙江 嘉興 314000;2.河北科技學院,河北 保定 071000)

0 引 言

型鋼混凝土構件被廣泛應用于大型公建、超高層建筑,全國已建成的型鋼混凝土框架結構數量眾多,典型的如上海金茂大廈、帝王大廈等。型鋼混凝土結構整合了鋼、混凝土兩種結構的優勢,混凝土提高了型鋼的抗火,約束了型鋼的變形;型鋼提高了鋼筋混凝土的承載力,兩種結構共同受力,表現出了極好的力學性能。

國內外許多學者對這種型鋼內置的結構形式進行了大量的研究。王鈞[1]對高強H形型鋼混凝土組合柱進行了軸壓性能試驗研究,發現高強H型鋼可能大幅度提高承載力。周天華[2]對單軸對稱十字形型鋼混凝土中長柱進行了偏壓性能試驗研究,結果表明,組合柱隨偏心率的不同表現出小偏心受壓破壞和大偏心受壓破壞兩種形態,并將單軸對稱十字形型鋼換算成H形型鋼,采用規范計算換算截面給出試件偏壓承載力的計算公式。周紹朋[3]對型鋼活性粉末混凝土柱進行了偏心受壓有限元分析,研究了偏心距和加載角的影響,發現增大偏心距和加載角,可導致試件極限載荷降低。

普通的內置型鋼混凝土構件施工不便,而外置型鋼施工方便且受力性能也較好。為彌補翼緣外置型鋼混凝土試件研究的不足,文章借助有限元軟件建立了單向偏壓模型,對偏壓荷載位移曲線、偏壓破壞形態進行了分析,研究了偏心距、翼緣板厚度、混凝土強度、型鋼強度等因素對偏壓試件力學性能的影響。

1 試件設計及有限元建模

1.1 試件設計

根據組合結構設計規程[4]的建議進行試件設計。翼緣外置型鋼混凝土試件凈高6 000 mm,截面尺寸為 1 200 mm×1 200 mm;十字型鋼截面尺寸為(250×1 200×26×40+250×1 200×26×40)mm2,為了增大與混凝土的黏結和方便混凝土澆筑施工,腹板留設直徑150 mm的圓形孔。混凝土強度等級為C60,型鋼強度等級為Q345,縱筋及箍筋強度等級為HRB400。內置十字形型鋼混凝土構件的型鋼截面尺寸(為250×800×26×40+250×800×26×40)mm2,型鋼保護層厚度為200 mm,翼緣設2排直徑19 mm的抗剪栓釘,間距為200 mm,其余參數均與翼緣外置試件同。偏壓試件詳細參數見表1,試件的平面圖、剖面圖及加載方式如圖1～圖3所示。

圖1 試件平面圖

圖2 試件1-1剖面圖

圖3 偏壓試件加載方式

表1 試件參數表

1.2 有限元建模

在ABAQUS的PART模塊建立十字形型鋼、鋼筋骨架、混凝土以及加載板,并在ASSEMBLY模塊組裝成整體。因型鋼腹板開洞,混凝土可連接成一體,增強了混凝土與型鋼表面的摩擦,型鋼腹板嵌入混凝土內部;翼緣內表面與混凝土外表面考慮滑移的影響,法向摩擦系數取為0.6[5];混凝土能有效包裹鋼筋骨架,兩者嵌固;上下端加載板上與試件TIE連接,因加載板僅起到加載作用,可把其設置為剛體?；炷?、加載板采用C3D8R實體單元,型鋼采用S4R殼單元,鋼筋網采用T3D2桿單元。[6]混凝土采用過鎮海本構模型[7],型鋼、鋼筋骨架采用有屈服點的雙折線隨動硬化模型[8]。

2 數值模擬結果分析

2.1 單向偏壓荷載下的力位移曲線

圖4是PYZ-1與PYZ-2是不同型鋼位置下試件的單向偏壓力位移曲線。

圖4 型鋼位置的影響

由圖4可知,兩條曲線差異較明顯,但力位移的發展過程相似,都是起初的彈性階段(各組成材料均未破壞,力位移線性變化),接著進入彈塑性階段(偏壓繼續加載,混凝土開始出現裂縫,承載力增速有所下降)并達到一個極限值,然后進入下降段(脆性材料混凝土受力突然破壞,力位移曲線上出現明顯的承載力急劇下降段,型鋼、鋼筋骨架屈服范圍也不斷加大)。在彈性階段、彈塑性階段,PYZ-2相比于PYZ-1的承載力高、承載力增速大、初始剛度好,極限承載力提高了5.6%、極限承載力位移增加了3.4%;在破壞下降段,PYZ-2試件比PYZ-1試件承載力下降平緩、剩余承載力高,這主要是翼緣外置后,型鋼分布于整個截面,不僅提高了試件的抗彎截面模量,增大了剛度,而且翼緣包裹混凝土,增強了混凝土的約束。

圖5、圖6是試件PYZ-1和PYZ-2在偏壓過程中型鋼、混凝土、鋼筋骨架各組成部分的承載力位移曲線。

圖5 PYZ-1各部分力位移曲線

由圖5、圖6可知,三者組成一個整體,在外荷載下同時受力,但受力發展過程不同,混凝土部分最為敏感,增速最快,型鋼部分次之,鋼筋骨架部分發展最為緩慢;混凝土部分最先達到極限值,然后承載力急劇下降,這與混凝土這種脆性材料的受力破壞特征一致。兩試件不同部分對承載力的貢獻也不同,經計算,PYZ-1混凝土、型鋼、鋼筋骨架各部分對試件承載力的貢獻依次為74.7%、22.4%、2.9%,PYZ-2各部分的貢獻依次為68.8%、27.9%、3.3%,相比之下,PYZ-2試件的型鋼對承載力的貢獻比PYZ-1試件型鋼對承載力的貢獻增大24.6%。

圖6 PYZ-2各部分力位移曲線

2.2 單向偏壓柱的破壞形態

圖7～圖8是試件破壞時各組成部分的應力云圖。

圖7 PYZ-1試件應力云圖

由圖7、圖8可知,在單向偏壓下,試件整體呈彎曲變形,且在距固定端約1/3柱身位置伴隨有局部破壞。對混凝土而言,由于偏心距較小,試件為小偏壓受力,PZYZ-1、PYZ-2的混凝土在整個截面上均為壓應力。在偏壓一側,試件PYZ-1的上下端及柱身中部局部的混凝土的主應力達到60 MPa,混凝土受壓破壞,相比之下,PYZ-2試件的混凝土受損范圍更大,這主要是因為翼緣外包且翼緣與混凝土接觸面存在黏結滑移,接觸區混凝土受力復雜,在端部、柱身1/3位置的3個側面混凝土都發生了破壞;對型鋼和鋼筋骨架而言,兩試件均在下部1/3區域產生明顯的塑性變形,型鋼及鋼筋網屈服,這與混凝土的受損位置也基本符合,但PYZ-2由于翼緣外置,型鋼性能發揮更加充分,其塑性變形范圍比PYZ-1廣大。

圖8 PYZ-2試件應力云圖

3 不同影響因素的力位移曲線

3.1 偏心距不同

不同偏心距下試件的荷載位移曲線如圖9所示。

圖9 偏心距的影響

由圖9不難看出,不同偏心距下的荷載位移曲線存在明顯分離。增大荷載偏心距,曲線顯著向水平方向傾斜、曲線斜率減小,試件剛度降低、承載力增速減小且不斷下降(擬合表明,偏心率的增加與極限承載力下降呈下凹的曲線變化),當偏心率增加至33.3%時,極限承載力僅存610.49×102kN,降幅約為35.0%;進入下降斷后,隨著偏心距增大,試件的下降趨勢變得平緩,極限位移增大;由表2可知,試件的延性系數逐漸提高,PYZ-6的延性系數約為PYZ-1的1.3倍,偏心距的增加對極限承載力有害卻有利于延性的改善,這是由于偏心距增大,試件的受壓區和受拉區混凝土破壞嚴重,使得承載力降低,但受拉區的翼緣和腹板不斷屈服且范圍擴展,提高了試件的變形能力。

表2 不同影響因素下試件的力學指標表

3.2 翼緣厚度不同

圖10是不同的翼緣厚度對偏壓荷載位移的影響曲線。

圖10 型鋼厚度的影響

由圖10可知,增大翼緣板厚度,試件的承載力提高,剛度增大,極限荷載顯著提高(經擬合分析,極限承載力與翼緣厚度呈線性增加,相比于PYZ-2翼緣厚度每增加10 mm,極限承載力大致提高3.5%)且其對應的位移也明顯加大;試件在達到極限承載力后,承載力的下降也變得緩慢,剩余承載力也大幅度提高,由表2可知,試件的延性系數也是不斷增大。翼緣厚度的增大對試件的力學性能都是有利的影響,

3.3 混凝土強度不同

圖11是不同混凝土強度下偏壓試件的荷載位移曲線,表2是試件的力學指標表。

圖11 混凝土強度的影響

由圖11及表2可知,隨著混凝土強度的增大,試件的承載力不斷增加,曲線傾斜加劇,試件的剛度得到強化,極限承載力和極限位移都明顯增加;但下降段的曲線變得越發陡峭,承載力下降速度加快,試件的延性變差(由表2可知,在文章研究的強度范圍內,延性系數由1.25下降為1.18,降幅為9.6%),這是因為混凝土的變形與強度成反比,強度越高,材料越脆。

3.4 型鋼強度不同

圖12是不同型鋼強度下偏壓試件的荷載位移曲線。

圖12 型鋼強度的影響

由圖12及表2可知,在彈性階段、彈塑性階段不同型鋼強度下的荷載位移曲線幾乎重合,僅提高型鋼強度無法改善這兩個階段的力學性能,但可提高試件的極限承載力(Q390比Q345的承載力提升2.5%、Q420比Q390的承載力提升1.7%)。不同型鋼強度的偏壓荷載位移曲線,在下降段存在較大的不同,試件PYZ-15、PYZ-16比試件PYZ-2的曲線下降段更為平緩,提高型鋼強度可以改善試件的延性,由表2的量化指標也可看出,Q420試件的延性最好,延性系數達到了1.28。

4 結 論

本文借助數值模擬手段,對翼緣外置的型鋼混凝土試單向偏壓下的力學性能進行了深入分析,得出以下結論:

(1) 在單向偏壓荷載下,翼緣外置型鋼混凝土柱與型鋼內置柱的受力破壞過程一致,但相比型鋼內置試件剛度增加,極限承載力提高了5.6%,型鋼在承載力的占比增大24.6%,延性也有所改善;

(2) 增大偏心距,翼緣外置型鋼混凝土試件的剛度變差,極限承載力呈凹函數趨勢下降,但試件的延性系數不斷增大,變形能力明顯改善;

(3) 加大型鋼翼緣的厚度,試件的剛度、承極限載力、延性等各力學指標都明顯提高;

(4) 材料強度對構件的影響不同,增大混凝土強度可以提高構件的承載力,但延性系數下降,變形能力變差;混凝土強度的改變對試件彈性、彈塑性階段的力學性幾乎無響應,但對極限承載力和延性的影響較大。