方中空夹层钢管再生混凝土轴压性能有限元分析

宋　兵　李佰寿

(延边大学，吉林 延吉　133002)



方中空夹层钢管再生混凝土轴压性能有限元分析

宋兵李佰寿

(延边大学，吉林 延吉133002)

以煅烧硅藻土和玻化微珠掺量为主要变化参数，试验研究了玻化微珠再生混凝土试块的性能，并采用有限元软件ANSYS，分析了不同宽厚比、空心率和玻化微珠掺量对组合柱轴压性能的影响，得到了一些有价值的结论。

方中空夹层钢管，玻化微珠再生混凝土，煅烧硅藻土，应力，应变位移

0　引言

玻化微珠作为一种环保型新型无机轻质绝热材料目前被广泛研究使用，而将其添加到再生混凝土中制成的玻化微珠再生混凝土，经试验研究表明强度和保温性能均能达到理想结果[1]。方钢管再生混凝土作为组合构件的一种，是指在钢管中浇筑再生混凝土形成的结构样式，核心混凝土受钢管的约束处于三向受力状态，改善了受力性能，提高了再生混凝土的工程应用价值;方中空夹层钢管混凝土具备方钢管混凝土的优点,同时还具有截面开展、抗弯刚度大、自重轻、抗震、耐火性能好等优点，且方套圆截面较方套方截面形式的构件具有更好的延性[2,3]。

对此，本文通过对玻化微珠再生混凝土试块性能的试验研究，采用有限元软件ANSYS对方中空夹层钢管再生混凝土短柱的钢管和核心混凝土的纵向应力分布、应变位移和承载力等进行轴压模拟分析，对比不同宽厚比、空心率和玻化微珠掺量对方中空夹层钢管再生混凝土短柱轴压性能的影响。

1　试验概况

1.1玻化微珠再生混凝土试验

试验采用42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用延吉市供热站产生的原灰，细度基本达到Ⅱ级粉煤灰要求；吉林省临江天元催化剂有限公司生产的325目煅烧硅藻土；再生粗骨料用颚式破碎机破碎，筛选粒径为5 mm～20 mm、堆积密度为1 280 kg/m3，吸水率为 4.8%；砂的细度模数为2.9；凌海市龙岩建材厂产的玻化微珠，堆积密度128 kg/m3；延吉方胜建材公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率不小于20%，其中含有 0.3%引气成分；拌合水为普通自来水。

经试拌，玻化微珠再生混凝土最终配合比的水胶比定为0.44，砂率为30%。试验参数及养护室内养护28 d后的各试块测试结果见表1。从表1可见：当煅烧硅藻土掺量为3%时，玻化微珠掺量为100%的立方体试块抗压强度达32.12 MPa。

表1　玻化微珠再生混凝土试验参数及测试结果

1.2试件设计

共设计了8个薄壁方钢管玻化微珠再生混凝土短柱试件，钢材型号为Q235，试件的主要参数见表2，χ=Di/(B-2t)，ξ=Asofy/(Aco/fck)，其中Aso为外钢管截面面积；fy为外钢管屈服强度；Aco为外钢管内部所包含的面积；fck为再生混凝土抗压强度标准值，fck=0.67fcu，根据文献[4]的建议，轴压短柱试件的L/B取3。

表2　试件编号及主要参数

2　有限元模型建立

2.1单元类型选取

钢材采用Solid45单元模拟，弹性模量Es=2.06×105MPa，泊松比Vs=0.3；混凝土选用Solid65单元模拟，弹性模量根据参考文献[5]提出的再生混凝土弹性模量计算公式计算，泊松比Vt=0.2。

(1)

其中，δ为再生粗骨料的取代率；fcu为混凝土立方体抗压强度。

2.2材料本构关系

1)钢材的本构关系。钢材采用双线性随动强化模型(BKIN)，如图1a)所示。

图1　材料应力—应变关系

2)混凝土的本构关系。核心再生混凝土采用杨有福[6]提出的应力—应变关系模型，如图1b)所示。

2.3建模与网格划分

不考虑混凝土和钢管间的滑移，在柱子上下两端加设15 mm刚性垫板以防止应力集中现象；将Solid45和Solid65实体单元划分边长为20 mm的六面体，如图2所示。

图2　有限元模型

3　ANSYS计算结果分析

3.1应力分析

从图3可见，实心构件的von Mises stress应力云图在方钢管的角部分布比较复杂且应力值最大；核心混凝土的von Mises stress应力在构件中部形成近似椭圆形约束区，中部比约束和加载端大；方钢管的轴向应力从加载和约束端向中部过渡分布，且分布不均匀；从图4可见，空心构件的外钢管轴向应力分布过渡平缓，说明内钢管的存在使构件的应力分布更加均匀；核心混凝土在受压端出现了应力较大部分；内部圆钢管的轴向应力在构件中部附近分布较大。

图3　S1-K1-80应力云图

3.2应变和位移分析

图5为试件S1-K2-80，S2-K2-80，S2-K1-100和S2-K2-100在极限承载力时的应变云图。从图5a)和图5b)可见，随着钢管宽厚比由小变大，钢管的局部鼓曲表现显著，且轴向位移由1.76 mm增大到1.908 mm，增加8.4%，说明随着钢管宽厚比的增大，钢管对核心混凝土的约束作用相对减弱，使得试件的延性降低；从图5c)和图5d)可见，实心构件的轴向应变在加载和约束端的角部明显大于其他区域，尤其是中部显著大于其临近区域，即可确定发生了局部鼓曲，空心构件在端部产生了局部屈曲，中部变化不明显，设置内钢管可以避免或延缓构件发生局部屈曲，且轴向位移由2.004 mm减小到1.937 mm，与实心构件相比减少3.5%，说明内钢管的存在增强了构件的变形能力，提高了延性；从图5b)和图5d)可见，再生混凝土中玻化微珠掺量从80%增至100%时，核心混凝土单轴抗压强度有所降低，钢管对核心混凝土的约束作用增强，但试件的整体变形能力并没有表现出强度优势，这可能是由于再生混凝土的弹性模量降低，在荷载作用下核心混凝土变形较大，而使试件组合作用减小，局部鼓曲增多，轴向位移由1.908 mm增大到1.937 mm，相比增加1.5%。

图4　S1-K2-80应力云图

图5　构件应变云图

3.3极限承载力

承载力ANSYS计算值见表2，结果表明，随着再生混凝土中玻化微珠掺量的增加，试件的极限承载力呈降低趋势；当空心率相同时，试件的极限承载力随着宽厚比的增大而显著提升；当构件的宽厚比一致时，空心构件虽减少了混凝土的用量，但由于内钢管的存在，承载力较实心构件提高约2%，在减轻自重的同时，增强了构件的抗震性能。

4　结语

1)当煅烧硅藻土掺量为3%时，玻化微珠掺量为100%的试块抗压强度可达32.12 MPa，密度仅为1 936 kg/m3；2)当空心率相同时，随着钢管宽厚比的增大，构件极限承载力显著提升，但局部鼓曲显著，延性降低，在达到极限承载力时的轴向位移相比增加8.4%；当宽厚比一致时，空心构件虽减少了混凝土的用量，但由于内钢管的设置，应力分布更加均匀，承载力较实心构件提高约2%，在达到极限承载力时的轴向位移与实心构件相比减少3.5%，在减轻自重的同时，增强了构件承载力、延性和抗震性能。

[1]陈凯华,罗素蓉,郑建岚.引起玻化微珠再生混凝土保温隔热性能试验研究[A].第三届全国再生混凝土学术交流会论文集[C].2012:495-522.

[2]韩林海,杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,2007.

[3]王囡囡.中空夹层方钢管混凝土柱的试验性能研究与数值模拟[D].邯郸:河北工程大学,2013.

[4]钟善桐.钢管混凝土结构[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1994.

[5]周静海,何海进.再生混凝土基本力学性能试验[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2010,26(3):464-468.

[6]杨有福.钢管再生混凝土构件荷载—变形关系的理论分析[J].工业建筑,2007,37(12):1-6.

Finite element analysis of axial compression performance of CFDDT

Song BingLi Baishou

(YanbianUniversity,Yanji133002,China)

Taking calcination diatomaceous earth and microsphere mixing amount as major altering parameters, the paper tests and studies microsphere recycled concrete testing component performance, analyzes the impact of different width ratio, hollow ratio and microsphere mixing amount yaupon composite-column axial compression performance by applying finite element software ANSYS, and finally obtains some valuable conclusions.

CFDDT, microsphere recycled concrete, calcination diatomaceous earth, stress, strain-displacement

1009-6825(2016)21-0044-03

2016-05-17

宋兵(1991- )，男，在读硕士；李佰寿(1954- )，男，博士，硕士生导师，教授

TU375.3

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