圆端形椭圆钢管混凝土构件受剪性能分析

王静峰, 盛鸣宇, 沈奇罕, 马贤峰

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽土木工程结构与材料省级实验室,安徽 合肥 230009)

近年来,随着钢管混凝土结构的发展,异形钢管混凝土由于其新颖的造型、独特的建筑风格而被广泛应用于各种标志性建筑和公共建筑中。其中,圆端形椭圆钢管混凝土构件由于可提供对建筑结构有利的强弱轴、有效地降低流体对承重构件的荷载等优点而被广泛应用于桥梁拱肋、主塔以及墩柱等部位[1-2],具有良好的应用前景。

目前钢管混凝土构件的受剪性能研究主要集中在圆方钢管混凝土构件[3-4],针对圆端形椭圆钢管混凝土构件的研究还处于起步阶段,且受力状态主要为轴压、偏压及受弯。文献[5]对圆端形椭圆钢管混凝土短柱进行了轴压试验,分析了不同参数下的的破坏特征和轴压力学性能;文献[6-7]对圆端形钢管混凝土短柱进行了轴压试验和数值模型分析;文献[8]对圆端形椭圆钢管混凝土柱的轴压、偏压、抗弯受力状态进行了数值模型分析;文献[9-10]分别对圆端形椭圆钢管混凝土的偏压和压弯构件进行了试验研究和数值模型分析;文献[11]进行了椭圆钢管混凝土柱的纯弯和偏压试验研究。在实际工程中,剪力作用也常常对构件有着很大的影响,但目前针对圆端形椭圆钢管混凝土构件受剪性能的研究报道很少。

本文通过ABAQUS有限元软件,分别在长轴和短轴方向建立受剪作用下圆端形椭圆钢管混凝土构件的数值分析模型,根据计算结果,对圆端形椭圆钢管混凝土在受剪作用下的破坏模式进行了讨论,通过对剪跨比、材料强度、含钢率、长短轴比的不同取值,系统分析了各项参数对构件抗剪承载力的影响,研究成果可为圆端形椭圆钢管混凝土构件设计提供指导。圆端形椭圆钢管混凝土截面形式如图1所示。

图1 圆端形椭圆钢管混凝土截面形式

1 理论分析模型

1.1 等效本构关系

由于目前尚缺乏圆端形椭圆混凝土构件的核心约束混凝土本构关系,根据圆端形椭圆钢管混凝土的截面特性,本文采用文献[12]提出的等效本构关系模型。在合理的截面长短轴比范围内,通过临界长短轴比值βcr=1.44将圆端形截面约束核心混凝土分别等效为圆形或矩形截面。具体等效公式为:

其中,de为等效矩形短边长或等效圆形的半径;b为圆端形椭圆截面半短轴长;β为圆端形椭圆截面长短轴比,取值为1～4。等效后的核心混凝土采用文献[13]的塑性损伤模型,钢材模型采用二次塑流性模型。

1.2 有限元分析模型

本文中的圆端形椭圆钢管混凝土构件采用C3D8R单元建模。用六面体单元对模型进行网格划分,优先保证网格为正方形,钢管壁较厚时,可先对其进行分层,网格划分如图2所示。核心混凝土损伤塑性模型膨胀角设置为32°。钢管与核心混凝土之间的接触存在法向接触和切向接触,法向接触设置为“硬接触”,切向接触采用罚函数定义,摩擦系数设置为0.3。为减小支座变形对结果的影响,支座的杨氏模量设置为106 MPa,泊松比为10-3。支座、端板与钢管之间采用绑定约束。

图2 有限元分析模型

2 试验验证

由于目前缺乏圆端形椭圆钢管混凝土构件受剪试验研究成果,本文分别采用圆钢管混凝土受剪构件[4,14]以及圆端形椭圆钢管混凝土弯剪构件[11]的试验结果验证有限元分析模型对受剪性能分析的可行性。根据文献[15],极限荷载取对应剪应变为10 000×10-6处,计算结果与试验结果的极限荷载对比见表1、表2所列。剪跨比m计算公式为:m=h/x。其中，h为加载支座到边支座的距离；对于圆钢管混凝土构件,x=D;对于椭圆钢管混凝土构件，长轴方向x=2a,短轴方向x=2b。

文献[4,11,14] 试验曲线与本文数值模拟曲线对比如图3所示。图3中，位移为跨中位移。文献[11]试验与本文数值模拟破坏模式对比如图4所示。

表1 圆形钢管混凝土计算结果与文献[4,14]试验结果对比

注:D为截面直径,t为钢管厚度,L为柱长,D、t、L的单位为mm;fy为钢管强度;fcu为混凝土强度;Nut为试验极限承载力;

Nue为数值模拟极限承载力。

表2 圆端形椭圆钢管混凝土计算结果与文献[11]试验结果对比

注:a为截面长轴半径;b为截面短轴半径;a、b、t、L的单位为mm;Mut为试验极限弯矩承载力;Mue为数值模拟极限弯矩承载力。

图3 文献[4,11,14]试验曲线与本文数值计算曲线对比

图4 文献[11]试验与本文数值模拟破坏模式对比

从图3、图4可以看出,试验曲线与本文数值模拟曲线以及试验与模拟破坏模式均吻合较好,总体上计算结果小于试验数值,偏于保守;在初期阶段计算结果与实测结果有些偏差,其原因可能是试验时支座处钢管受压变形导致试验中得到的跨中位移值偏大,从而使得实测位移值偏大,文献[4]的研究也证实了这一点。

3 破坏模式

数值分析表明,圆端形椭圆钢管混凝土构件的剪跨比及截面长短轴比对破坏模式影响显著,而钢材强度、混凝土强度、含钢率只改变材料属性,对破坏模式影响较小,故下面仅分析不同剪跨比(m)及长短轴比(β)对破坏模式的影响。4种典型破坏模式如图5所示。

图5 4种典型破坏模式

随着m增大,在对圆端形椭圆钢管混凝土构件施加剪力时会出现剪切破坏、弯剪破坏及弯曲破坏3种形式。

(1) 当0.1

(2) 当m≥0.6时,如图5b所示,圆端形椭圆钢管混凝土钢管整体未发生明显局部凹凸及鼓曲,核心混凝土在加载支座处被局部压坏,由于构件的整体弯曲,钢管的应力最大值出现在跨中下部,最终被拉坏,构件发生弯曲破坏。

(3) 当0.25

β较小时,对圆端形椭圆钢管混凝土施加剪力会发生整体剪切破坏,随着β增大,在长轴方向对圆端形椭圆钢管混凝土构件施加剪力时会造成钢管壁局部鼓曲破坏。

(1) 当β≥3时,如图5d所示,由于构件截面较为细长,对其施加剪力时,加载支座处发生局部挤压,侧向钢管壁与核心混凝土脱离接触,且向外突出,失去承载力,发生局部鼓曲破坏。

(2) 当β<3时,构件在剪跨处被整体剪断,施加荷载的支座处有明显的下陷,构件跨中整体向外凸出,构件短轴方向宽度增大,侧向钢管壁向外鼓曲,构件发生整体剪切破坏。

4 参数分析

下面分析圆端形椭圆钢管混凝土构件长短轴方向上钢材强度、混凝土强度、剪跨比、含钢率、长短轴比等参数对构件抗剪承载力的影响。长、短轴方向上的参数分别见表3、表4所列。参数取值不同对构件抗剪承载力的影响分别如图6、图7所示。

表3 长轴方向上的有限元计算参数

注:a、b、t、L的单位为mm;Pu为椭圆钢管外边缘最大切应变达到10 000×10-6时对应的极限荷载,Vu为对应状态下的剪力。

表4 短轴方向上的有限元计算参数

注:a、b、t、L的单位为mm;Pu、Vu含义同表3。

图6 圆端形椭圆钢管混凝土受剪构件长轴方向参数取值不同时荷载位移曲线

图7 圆端形椭圆钢管混凝土受剪构件短轴方向参数取值不同时荷载位移曲线

(1) 钢材强度。分别选取钢材强度为Q235、Q345、Q420、Q550、Q630,研究其对圆端形椭圆混凝土构件的抗剪承载力的影响。由表3、表4、图6a、图7a可知,在长轴受剪中,Q345试件的极限承载力比Q235试件的极限承载力提高了34.1%,与Q420、Q550、Q630试件的极限承载力相比分别降低了14%、32.9%、33.5%;短轴受剪中,Q345试件的极限承载力比Q235试件的极限承载力提高了33%,与Q420、Q550、Q630试件的极限承载力相比分别降低了16.1%、30%、30.9%。随着钢材等级的提高,极限抗剪承载力呈明显的递增状态,但在弹性阶段对荷载-位移曲线影响较小。

(2) 混凝土强度。分别选取混凝土等级为C30、C50、C80,研究其对圆端形椭圆混凝土构件的抗剪承载力的影响。由表3、表4、图6b、图7b可知,在长轴受剪中,C50试件的极限承载力比C30试件的极限承载力提高了2.8%,比C80试件的极限承载力降低了5.3%;短轴受剪中,C50试件的极限承载力比C30试件的极限承载力提高了3.3%,比C80试件的极限承载力降低了5.4%。随着混凝土等级的提高,荷载-位移曲线变化较小,极限抗剪承载力的提升幅度不大。

(3) 剪跨比(m)。分别选取m为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.40、0.60、1.00,研究其对圆端形椭圆混凝土构件的抗剪承载力的影响。由表3、表4、图6c、图7c可知,在长轴受剪中,m为0.15试件的极限承载力比m为0.10试件的极限承载力降低了9.3%,与m为0.20、0.25、0.30、0.40、0.60、1.00试件的极限承载力相比,分别提高了7.6%、16.4%、27.1%、37.0%、59.6%、142.9%;在短轴受剪中,m为0.15试件的极限承载力比m为0.1试件的极限承载力降低了5.6%,与m为0.20、0.25、0.30、0.40、0.60、1.00试件的极限承载力相比,分别提高了4.8%、13.2%、19.8%、33.0%、59.5%、113.4%。随着m增大,极限抗剪承载力呈明显的递减状态,荷载-位移曲线下降段的下降速度变缓,构件延性系数有所提高。

(4) 含钢率(α)。分别选取α为0.09、0.16、0.28、0.47,研究其对圆端形椭圆混凝土构件的抗剪承载力的影响。由表3、表4、图6d、图7d可知,在长轴受剪中,α为0.16试件的极限承载力比α为0.09试件的极限承载力提高了55%,与α为0.28、0.47试件的极限承载力相比,分别降低了30.4%、42.5%;在短轴受剪中,α为0.16试件的极限承载力比α为0.09试件的极限承载力提高了52.7%,与α为0.28、0.47试件的极限承载力相比,分别降低了34.9%、48.1%。随着α增大,极限抗剪承载力呈明显的递增状态。

(5) 长短轴比(β)。分别选取β为4.0、3.0、2.0、1.5、1.0,研究其对圆端形椭圆混凝土构件的抗剪承载力的影响。由表3、表4、图6e、图7e可知,在长轴受剪中,β为2.0的试件极限承载力比β为1.0、1.5的试件极限承载力分别提高了84.7%、44.3%,与β为3.0、4.0的试件极限承载力相比分别降低了5.4%、1.5%;在短轴受剪中,β为2.0的试件极限承载力比β为1.0、3.0、4.0试件的极限承载力分别提高了5.0%、5.2%、2.0%,比β为1.5试件的极限承载力降低了4.3%。由计算数据及曲线可知,在β为1.5时,可得到极限承载力最大值,但当β偏大时,在长轴方向加载容易出现局部屈曲,极限承载力大幅度下降。

5 结 论

(1) 本文基于一种新型等效本构关系模型,建立了圆端形椭圆钢管混凝土构件受剪下的数值分析模型,等效后的核心混凝土采用文献[13]提出的塑性损伤模型本构关系;考虑了各个截面的复杂接触问题、支座与端板的边界条件等,并通过已有试验进行验证,确保数值分析模型的可靠性。

(2) 随着剪跨比的增大,在对圆端形椭圆钢管混凝土构件施加剪力时会出现剪切破坏、弯剪破坏及弯曲破坏3种形式。长短轴比较小时,对圆端形椭圆钢管混凝土施加剪力会发生整体剪切破坏,随着长短轴比的增大,在长轴方向对圆端形椭圆钢管混凝土构件施加剪力时会造成钢管壁局部鼓曲破坏。

(3) 构件极限抗剪承载力随着钢材强度、混凝土强度、含钢率的提升而递增,随着剪跨比的提升而递减;随着长短轴比的提升,构件极限抗剪承载力先增大后减小,且长短轴比过大时在长轴方向受剪会由于局部屈曲导致承载力大幅度下降。