增强型混凝土永久模板—钢构架混凝土短柱轴压力学性能有限元分析

2019-12-21石剑

盐城工学院学报（自然科学版） 2019年4期

石剑

(中铁四局集团第二工程有限公司，江苏苏州 215131)

增强型混凝土永久模板—钢构架混凝土短柱(以下简称“新型短柱”)采用增强型混凝土薄板作为柱的永久性施工模板，钢构架作为柱的受力钢骨架，增强型混凝土薄板和钢构架均在工厂预制，运至施工现场后先吊装钢构架，然后在钢构架上组装增强型混凝土薄板，最后浇筑柱核心混凝土。

该类型柱与现浇RC柱相比，工业化程度高，精度和质量均容易得到保证。同时，可以省去大量的模板和大量的现场支模、钢筋绑扎工作，经济并能较大幅度缩短工期。

本文在已有试验研究[1-2]证明预制的增强型混凝土薄板可以与现浇混凝土良好黏结、形成共同工作整体的基础上，采用ABAQUS 2019有限元软件对“新型短柱”轴压力学性能进行仿真模拟分析，同时推导出其轴压承载力计算公式。

1 计算模型

1.1 模型尺寸及配筋

本次仿真分析设计了3种类型短柱，分别为现浇RC短柱(编号为Z-9)、现浇钢构架短柱(编号为J-9)和“新型短柱”，其中“新型短柱”又根据混凝土永久模板采用的增强材料不同分为两种，一种采用钢板网增强(编号为G-9-BGH)，另一种采用碳纤维织物网增强(编号为T-9-BGH)。模型具体尺寸及配筋见图1。

图1 模型尺寸及配筋Fig 1 Model size and reinforcement

1.2 材料特性

钢筋采用HPB300热轧光圆钢筋，现浇混凝土强度等级为C30，角钢、钢板条、钢板网钢材型号为Q235，永久性模板混凝土强度等级为C45。

混凝土本构模型按现行《混凝土结构设计规范》GB50010—2019中所推荐的混凝土损伤弹塑性本构关系曲线[3]，钢材均为理想的弹塑性二折线模型[4-5]，碳纤维网采用线弹性模型。

2 有限元建模

2.1 约束和边界条件

在设计组装过程中，钢构架为焊接，所以将作为一个整体，通过Embedded技术嵌入到混凝土单元中；“新型短柱”是由预制增强型混凝土薄板与现浇核心混凝土叠合浇筑而成，假定预制薄板与现浇核心混凝土之间黏结良好，在建模时，将这两者看作一个整体。在构件顶端位置设置参考点，加载点与柱底面区域设置为耦合作用。

2.2 单元选取和网格划分

本次分析，混凝土选用实体C3D8R单元，钢构架选用框架T3D2二节点桁架单元，碳纤维布采用M3D8R单元，混凝土与钢材、混凝土与碳纤维布均采用嵌入方式保证相互协同工作，并对“新型短柱”采用分离式建模。网格划分见图2，钢骨架模型见图3，增强材料建模图形见图4。

图2 单元网格划分Fig 2 The division of computation mesh

图3 钢骨架建模Fig 3 Steel skeleton modeling

图4 增强材料建模Fig 4 Reinforced material modeling

3 有限元计算结果分析

本次模拟，荷载—主筋应变模拟曲线见图5，承载力结果见表1。

根据图5和表1，现浇RC短柱、现浇钢构架混凝土短柱、“新型短柱”的荷载—主筋应变曲线变化趋势基本一致。相比现浇RC短柱，现浇钢构架混凝土短柱的主筋应变稍有滞后，“新型短柱”的主筋应变有较大的滞后现象。现浇钢构架混凝土短柱和“新型短柱”的极限荷载均高于现浇RC短柱,相比现浇RC短柱，现浇钢构架混凝土短柱提高8.6%，混凝土薄板采用钢板网增强的“新型短柱”提高22.0%，混凝土薄板采用织物网增强的“新型短柱”提高25.0%。

图5 荷载—主筋应变关系图Fig 5 Strain diagram of load-main bar

表1 极限承载力模拟结果Table 1 Simulation results of ultimate bearing capacity

荷载—主筋应变曲线变化趋势基本一致说明3种类型短柱的受力模式基本一致。现浇钢构架混凝土短柱比现浇RC短柱主筋应变稍有滞后、承载力略高，主要原因可能是钢构架对核心混凝土的横向约束采用的是钢板条，约束的范围比圆形的箍筋稍大，约束作用略好。相比现浇RC短柱，“新型短柱”的主筋应变有较大滞后、承载力有较大幅度提高，说明增强网在混凝土薄板中的连桥作用明显，柱面层的应力可以通过增强网的连桥作用均匀分布，同时也增强了混凝土薄板对短柱核心混凝土的约束作用。“新型短柱”极限荷载提高的另一个原因是增强型混凝土薄板的基体标号较高，抗压强度较高。另外，采用纤维织物网增强相比采用钢板网增强，模型的主筋应变也略有滞后、极限荷载稍有提高，主要是因为织物网弹性模量远高于钢板网，因此其延缓混凝土裂缝开展的作用要好于钢板网。

4 “新型短柱”轴压承载力计算公式

根据上文有限元模拟分析，“新型短柱”轴压承载力计算与现浇RC短柱不同的地方在于，“新型短柱”轴压承载力计算要考虑增强型混凝土薄板对轴压承载力的贡献，包括强的细骨料混凝土薄板基体对承载力的贡献和薄板中的增强网通过对所围混凝土的约束对承载力的贡献两部分。约束模型见图6。

图6 混凝土短柱约束模型Fig 6 Constraint model of concrete short column

“新型短柱”轴压承载力的计算公式：

N=fc1Ac1+fc2Ac2+fccAcc+fy1As1+fy2As2

(1)

式中：fc1、fc2分别为预制薄板基体、预制薄板内表面与箍筋外表面之间的混凝土的抗压强度，N/mm2；Ac1、Ac2分别为预制薄板基体、预制薄板内表面与箍筋外表面之间的混凝土的截面面积,mm2；fcc、Acc分别为考虑箍筋和增强网双重约束的混凝土抗压强度和截面面积,mm2；fy1、fy2分别为增强网的屈服强度或极限强度和纵筋的屈服强度，N/mm2；As1、As2分别为增强网和纵筋的截面面积,mm2。

上式中fcc根据Mander[6]等人的研究，按式(2)计算。

fcc=fc+4.1fl

(2)

其中，fc为无约束混凝土的抗压强度，N/mm2;取fc=0.8fcu，fcu为混凝土立方体抗压强度，N/mm2；fl为混凝土受到的静水围压，N/mm2，按以下方法计算。

假设箍筋和预制薄板中钢板网屈服(如是织物网则是达极限强度)并且箍筋对混凝土的约束应力均匀分布，增强网对混凝土的约束力按网格孔径点分布，如图7所示，则由力平衡条件可得到箍筋和增强网对混凝土的等效约束应力为：

(3)