中空夾層鋼管鋼筋混凝土長柱壓彎扭力學性能分析

王興雨, 王建超

(沈陽建筑大學土木工程學院,遼寧沈陽 110168)

0 引言

中空夾層鋼管鋼筋混凝土柱是兩根鋼管之間澆筑鋼筋混凝土而成,相比于普通的中空夾層鋼管混凝土柱而言,該類構件具有更高的承載能力和延性,可應用于塔桿、高層建筑和橋梁工程中。目前,中空夾層鋼管混凝土柱在壓彎扭共同作用下的力學性能研究較為充分,如黃宏[1-2]對方中空夾層鋼管混凝土壓彎扭構件進行了試驗研究和工作機理分析,作者指出當構件軸壓比n大于 0.2時,抗扭承載力降低。洪志堅[3]對圓中空夾層波紋鋼管鋼筋混凝土短柱進行了軸壓試驗,試驗表明構件破壞模式為剪切破壞,波紋管壁厚越大,構件承載能力和延性顯著提高。一般來講,工程中的構件很少有單一的受力狀態,因此對于復雜受力狀態下構件性能研究是很有必要的。鋼管鋼筋混凝土柱是指一種新型的鋼混組合結構,該類構件在復合受力下的力學性能研究較少,為此本文對壓彎扭共同作用下的圓中空夾層鋼管鋼筋混凝土長柱進行有限元模擬,考察偏心率、體積配箍率及混凝土強度等參數對構件力學性能的影響,總結各參數對構件的影響規律,同時對典型構件進行了受力全過程分析。

1 有限元模型

1.1 模型參數

文獻[4]指出當Le/D>4時為長柱,其中Le為柱的計算長度,D為截面直徑。本文采用λ=μl/i的方法計算構件的長細比,μ為長度系數。本文圓中空夾層鋼管鋼筋混凝土長柱的參數為:柱高L=3600 mm,長細比λ=46,外鋼管外直徑D0=600 mm,內鋼管外直徑Di=180 mm,鋼管壁厚t=10 mm,外鋼管為Q345,內鋼管為Q235,縱筋采用8根直徑為φ16 mm鋼筋,箍筋間距為100 mm,縱筋和箍筋均為HRB400級,保護層厚25 mm。模型截面網格劃分示意如圖1所示。模型參數見表1。

圖1 模型網格劃分示意

1.2 各材料的本構模型

鋼管采用文獻[5]中所建議的五階段本構關系式。鋼筋采用雙折線本構模型,強化段的彈性模量為0.01ES,鋼材的彈性模量ES和泊松比μs分別為206 GPa和0.3。混凝土采用ABAQUS中的塑性損傷模型,夾層混凝土的單軸受壓和單軸受拉本構關系分別按照文獻[6]和文獻[7]中的建議選取。不同強度混凝土的彈性模量EC按照文獻[7]取值,泊松比μc為0.2。

1.3 單元類型、相互作用及邊界條件

鋼管和混凝土的單元類型均采用C3D8R,縱筋和箍筋采用T3D2。鋼筋籠嵌入混凝土中,鋼管與混凝土之間選擇表面與表面接觸,其中混凝土表面為從面(Slave),鋼管表面為主面(Master)。鋼管與夾層混凝土的法向行為采用硬接觸,切向行為采用庫倫摩擦模型,摩擦系數為0.6[5]。模型兩端的邊界條件為底端固定,加載端自由。加載板與柱的兩端采用綁定連接,通過加載板上的RP1點先施加恒定偏心荷載并保持不變,然后在加載板中心位置RP2點處施加轉角位移UR3,幾何初始缺陷即初始偏心距按照L/1 000取值[8]。構件有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2 參數分析

2.1 偏心率

圖3給出了不同偏心率時構件扭矩(T)-轉角(θ)的關系曲線。偏心率的變化對于加載初期的剛度沒有影響,但是偏心率增大導致構件的抗扭承載力和延性降低。模型NMT-ER02、模型NMT-ER05和模型NMT-ER08的扭矩分別為1 637.59 kN·m、1 592.54 kN·m 和1 421.72 kN·m,偏心率為0.5和0.8的構件抗扭承載力較偏心率為0.2的構件抗扭承載力分別降低2.75%和13.18%。

圖3 偏心率率對扭矩-轉角曲線的影響

2.2 混凝土強度

圖4給出了不同混凝土強度對構件扭矩(T)-轉角(θ)關系曲線的影響。混凝土強度的變化對于加載初期的剛度沒有影響,混凝土強度增加會使構件的抗扭承載力有一定程度的提高。模型NMT-CS30、模型NMT-CS40和 模型NMT-CS50的扭矩分別為1 637.59 kN·m、1 680.80 kN·m 和1 711.20 kN·m,混凝土強度為C40和C50的構件抗扭承載力較C30的構件抗扭承載力分別提高2.64%和4.50%。

圖4 混凝土強度對扭矩-轉角曲線的影響

2.3 體積配箍率

圖5所示為不同體積配箍率對構件扭矩(T)-轉角(θ)關系曲線的影響。同樣地,體積配箍率的變化只會提高構件的抗扭承載力。模型NMT-SV53、模型NMT-SV14和 模型NMT-SV21的扭矩分別為1 637.59 kN·m、1 701.45 kN·m 和1 756.72 kN·m,體積配箍率為2.1%和1.36%的構件抗扭承載力較體積配箍率為0.53%的構件抗扭承載力分別提高3.90%和7.30%。

圖5 體積配箍率對扭矩-轉角曲線的影響

3 受力全過程分析

本節選取NMT-ER08進行受力全過程分析,其扭矩(T)-轉角(θ)關系曲線如圖6所示,圖中A點表示構件的扭矩大約達到0.7Tu、B點表示構件達到極限抗扭承載力Tu,C點表示加載結束。在各特征點時鋼管應力分布和混凝土塑性應變分布見圖7～圖9。

圖6 NMT-ER08扭矩-轉角曲線

圖7 外鋼管應力分布

圖8 混凝土塑性應變分布

圖9 內鋼管應力分布

(1) 彈性階段(OA):構件在受到偏心荷載作用的同時,逐漸施加轉角位移,此時A點扭矩為1 010.81kN·m,鋼管剛好達到屈服強度值,混凝土縱向塑性應變最大值為936 με,鋼筋應力為254.3 MPa。構件處于彈性工作階段,扭矩-轉角為線性關系。

(2)彈塑性階段(AB):繼續施加轉角位移,會發現扭矩的增長速度遠慢于轉角的增長速度,在B點之前外鋼管已經屈服,混凝土縱向塑性應變迅速發展,縱向應變最大值為7 630 με,出現在構件與加載板的連接處,從混凝土塑性應變分布可知,此時混凝土外邊緣應變已經超過了極限壓應變值。受力鋼筋的應力為371.1 MPa,已屈服。

(3) 塑性階段(BC):由于鋼管壁厚較大,且兩鋼管對核心鋼筋混凝土有較強的約束作用,使構件具有較高的延性。在達到極限扭矩值后,扭矩-轉角曲線呈現出緩慢平穩的下降,在C點時,構件的扭矩為1 328.93 kN·m,內鋼管已經屈服。

4 結論

(1) 當軸壓比一定,偏心率由0.2增大到0.8時,壓彎扭共同作用下的圓中空夾層鋼管鋼筋混凝土長柱的抗扭承載力降低13.18%,相比于提高混凝土強度等級,增大體積配箍率更有利于提高圓中空夾層鋼管鋼筋混凝土長柱的抗扭能力。

(2) 偏心率、體積配箍率或者混凝土強度等級變化對加載初期的剛度影響很小。

(3) 壓彎扭共同作用下的圓中空夾層鋼管鋼筋混凝土長柱其受力過程可分為彈性、彈塑性和塑性三個階段,由于兩個鋼管能夠提供較強的約束作用,使構件具有較高的承載能力和抵抗變形的能力。