矩形中空夾層鋼管混凝土短柱軸壓性能數值分析

劉世明,白鵬坤,郜致峣

(1.華北水利水電大學河南省生態建材工程國際聯合實驗室,鄭州 450045; 2.華北水利水電大學土木與交通學院,鄭州 450045)

鋼管混凝土(concrete filled steel tube,CFST)及中空夾層鋼管混凝土(concrete filled double skin steel tube,CFDST)構件具有優良的耐腐蝕性、耐久性及較大的強重比,已廣泛應用于橋塔、拱肋、墩柱等構件中[1-2],其中中國尊外框柱、梨川橋橋塔及舟山大貓島輸電塔柱均運用了鋼管混凝土技術。CFDST相較于CFST結構具有質輕、延性好及防火性能優異等優勢[3-4]。現有關于鋼管混凝土的研究主要集中在截面形式、加勁形式、材料和鋼管混凝土構件之間的連接等。王燦燦等[5]進行的試驗及有限元分析表明,圓形高強CFDST軸壓構件承載力隨混凝土強度的提高而增加,隨空心率及含鋼率的增加而降低。葉斌等[6]和Wang等[7]關于不銹鋼管混凝土構件的研究結果表明,不銹鋼可以提供更大的應變硬化和延展性,但是高昂的價格使其得不到大規模的使用。黃宏等[8]開展5根大空心率方中空夾層鋼管超高性能混凝土短柱軸壓試驗分析,指出空心率越大,試件的承載力越低且超高性能混凝土所承受的荷載占比越小。王亞晉等[9]基于驗證過的有限元模型,研究了典型矩形鋼管混凝土壓彎剪構件的受力全過程關系曲線,分析了剪切荷載角度、軸壓比、剪跨比、鋼材強度、含鋼率等參數對其受力性能和承載力的影響規律。謝力等[10]對矩形CFDST和 CFST短柱的軸壓試驗表明,外管截面尺寸較大者其軸壓承載力略高。

已有研究中多集中于矩形CFDST柱的整體受壓性能,而忽略了內鋼管對受壓性能的影響,且由于矩形CFDST構件其長短邊的差異所造成復雜的約束作用及受力機理值得進一步的探究。現結合已有的試驗數據,采用ABAQUS有限元分析軟件分析韓林海混凝土本構、陶忠混凝土本構[11]及混凝土規范GB50010—2010[12]對于CFDST柱的適用性。考慮內外鋼管徑厚比、夾層混凝土強度等參數變化,設計60個數值分析試件,得到各參數對CFDST短柱的受壓承載力、延性性能和混凝土-鋼貢獻率的影響規律。

1 有限元模型的建立

1.1 鋼材本構

鋼材應力-應變關系式采用五段式二次塑流模型。Le等[13]認為由于夾層混凝土的存在使鋼管的殘余應力及局部缺陷的影響最小,因此在有限元模型中未考慮鋼管的殘余應力與初始缺陷。

1.2 混凝土本構

1.3 單元類型

鋼管混凝土柱中的混凝土使用8節點實體單元(C3D8R)模擬,薄壁鋼管使用四節點曲殼單元(S4R)模擬。經試算,當鋼管和混凝土的網格尺寸分別采用5 mm和10 mm時模型達到最佳的收斂性及計算精度。

1.4 接觸及邊界

在鋼管柱的上下兩端分別設置彈性模量較大的剛性板,其對結構性能沒有貢獻,只是作為軸向位移的工具。將鋼管和上下端板采用耦合約束連接。上下端板與混凝土之間采用“tie”綁定連接。鋼管與混凝土接觸面的法線方向采用“硬”接觸,切線方向使用庫倫模型,摩擦系數為0.6。考慮對稱性,有限元模型中僅考慮1/4模型,在對稱軸建立相應的對稱邊界。試件底端蓋板約束3個方向的平動位移。上端蓋板耦合到參考點RP1,對其施加軸向位移荷載。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

2 有限元模型的驗證

為了快速準確地構建有限元模型,采用python平臺開發了CFST柱和CFDST柱的參數化自動建模程序。選取5根CFST柱[1]及6根CFDST柱[10,17]已有的試驗柱進行了有限元分析,試件具體參數和有限元預測結果如表1和表2所示,典型的荷載應變關系曲線和破壞模式如圖2和圖3所示。由表2、圖2和圖3可知,有限元模型能總體模擬CFST和CFDST短柱的受壓過程和破壞形態。與試驗承載力比值均值在0.99～1.05,其中采用韓林海本構的有限元模型得到的荷載應變關系曲線與試驗曲線更接近,能更準確地預測試驗過程,對試驗承載力預測的標準差和變異系數最低。

表1 試驗試件參數

表2 試驗與有限元分析結果對比

圖2 試驗結果與有限元結果對比

3 參數研究

為研究幾何和材料特性對軸壓性能參數的影響規律,設計5組,共60個試件,如表3所示。模型外鋼管尺寸設置為D0×B0=300 mm×250 mm,內鋼管尺寸為Di×Bi=150 mm×100 mm,內外鋼管的屈服強度均為450 MPa,柱的長度取L=3D0,以避免整體屈曲。參數模型主要基于內外鋼管徑厚比(D0/t0和Di/ti)及混凝土強度(fcu),其中D0/t0取30～60,Di/ti取20～50,混凝土強度范圍為45～75 MPa。模型編號表示為“C-D0/t0-Di/ti”,例如,C-30-20-45表示D0/t0為30,Di/ti為20,fcu為45 MPa的CFDST柱。

3.1 軸壓性能指標

(1)軸向極限承載力為

Nu=-4RFu

(1)

式(1)中:RFu為參考點U3方向最大反力。

(2)延性指標。為判斷構件的延性性能,延性指標PIsd的計算公式[18]為

(2)

式(2)中:εu為峰值后軸向荷載降至極限荷載90%時的軸向應變;εy取ε0.75/0.75,其中ε0.75表示軸向荷載達到其極限荷載75%時所對應的應變。

(3)混凝土-鋼貢獻率(concrete-steel contribution ration,CSCR)。Ekmekyapar等[3]用CSCR值評估CFDST柱相較于CFST柱的性能。

(3)

式(3)中:Nu,CFDST為矩形CFDST柱極限軸向承載力;Nu,CFST為矩形CFST極限軸向承載力。

3.2 破壞機理分析

試件破壞時內外鋼管的破壞形態和對應破壞位置混凝土軸向應力如圖4和圖5所示。由圖4可知,內、外鋼管受到夾層混凝土的約束而分別向內、外產鼓曲,夾層混凝土對鋼管的支撐效果明顯。由圖5可知,當達到極限承載力時,CFDST構件中截面的混凝土軸向應力略大于對應的CFST構件,表明內鋼管對夾層混凝土有一定的支撐作用,使得其處于三向受壓狀態,便于提升構件強度。

圖4 CFDST柱鋼管破壞形態

圖5 極限荷載時中截面混凝土軸向應力云圖

3.3 D0/t0的影響

外鋼管D0/t0變化對CFDST延性和極限軸向承載能力的影響如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知,當fcu和Di/ti相同時,CFDST柱延性指標和極限荷載均隨著D0/t0的增加呈現下降變化。因為D0/t0的增加意味著外鋼管厚度的減小,夾層混凝土填充的區域增加,而混凝土的強度和延性都低于鋼材,且外鋼管厚度減小的同時對夾層混凝土的約束效果降低,構件出現延性和極限軸向承載能力的降低是合理的。CFDST柱在D0/t0從30增加到60時,平均延性指標和承載力分別降低了23.6%和26.4%。

圖6 D0/t0對延性的影響

圖7 D0/t0對極限承載力的影響

3.4 Di/ti的影響

在相同D0/t0及fcu下,Di/ti對CFDST柱軸壓性能的影響如圖8和圖9所示。相較于CFST柱,CFDST柱在Di/ti比率為20時,延性指標及極限荷載出現了明顯的增加,在D0/t0和fcu分別為30和45 MPa時,CFDST柱延性指標和強度分別增加了24.5%和18.6%。從圖8中可以看出,隨著fcu的增加,CFDST柱相較于CFST柱表現出更好的延性,在fcu達到75 MPa時,Di/ti在0～50范圍內CFDST柱的延性均優于CFST柱。CFDST柱的延性指標及極限承載能力隨Di/ti的增加而降低。相較于CFST柱核心混凝土被鋼管所代替,CFDST柱具有更好的延性和極限承載能力,隨著Di/ti的增大,管壁厚度減小,CFDST柱的延性和極限承載能力隨Di/ti比率的增大呈現減小的趨勢。

圖8 Di/ti對延性的影響

圖9 Di/ti對極限承載力的影響

由表3可知,較薄的外鋼管和較低強度的夾層混凝土可獲得最大CSCR值。由于較薄的外管和較低的fcu對柱壓縮能力的影響并不顯著,且較薄外鋼管不能對夾層混凝土提供可靠約束,因此,試樣C-60-20-45產生最大的CSCR值為1.26。內鋼管越薄的CFDST柱可以通過選擇更薄的外管和更低的fcu來實現較大的CSCR值。同樣,由于較薄的外管和較低fcu的CFDST構件強度和延性較差,此時內鋼管的貢獻變得非常重要。

3.5 fcu的影響

fcu對軸壓性能的影響如圖10所示。由圖10可知,隨著fcu的增加,CFDST柱的延性指標表現出降低的趨勢,這是因為夾層混凝土伴隨著fcu的增加脆性增加,從而導致CFDST柱的延性降低。CFDST柱極限承載力隨著fcu的增加而大幅度增加,fcu從45 MPa增加到75 MPa,CFDST柱的極限承載能力均提升18%以上,增加fcu是提高CFDST柱承載力的有效方法。

圖10 fcu對CFDST軸壓性能的影響

4 結論

(1)當fcu和內鋼管Di/ti相同時,外鋼管的D0/t0從30增加到60時,平均延性指標和承載力分別降低了23.6%和26.4%。

(2)Di/ti在0～40范圍內時,CFDST柱相較于CFST柱的延性和強度最大分別可提升24.5%和18.6%。同時,內鋼管壁厚的減小會造成CFDST柱延性和極限承載能力的降低。在較薄的外鋼管和強度較低的混凝土CFDST柱中配置較厚的內鋼管可以保持較大的CSCR值。

(3)增加fcu是提高CFDST柱極限承載力的有效方式。當fcu從45 MPa增加到75 MPa時,CFDST構件的極限承載能力均提升18%以上。