空腹箱形SRC柱压弯剪扭复合受力性能提升研究

李帅 齐海鹏 孙拴虎

摘要：利用非线性有限元软件ABAQUS建立了配斜拉钢筋的空腹箱形钢骨混凝土（SRC）柱有限元分析模型，在选取相关试验试件对有限元计算可靠性验证的基础之上，进一步研究了配斜拉钢筋对空腹箱形SRC柱受力机理及破坏形态的影响。结果表明：有限元模拟计算得到的滞回曲线及破坏形态与试验结果总体较为吻合，可以较为准确地模拟配斜拉钢筋的空腹箱形SRC柱的受力机理及破坏过程;配斜拉钢筋可以提高压弯剪扭复合作用下空腹箱形SRC柱的峰值荷载，降低峰之后荷载一位移曲线的下降速度，有益于提高空腹箱形SRC柱的延性;斜拉钢筋的存在可以对空腹箱形SRC柱的混凝土形成保护，抑制斜裂缝的展开，且能有效分担内部钢管及箍筋所受的扭矩，可以作为空腹箱形SRC柱提升压弯剪扭受力性能的有效措施。

关键词：钢骨混凝土柱;斜拉钢筋;压弯剪扭;有限元;受力机理

中图分类号：TU398文献标志码：A

地震作用下，平面布置不规则或刚度突变结构的柱子不仅会承受压弯剪的共同作用，往往还可能受到扭矩作用的影响，这不但不利于柱子的延性，同时还会导致其耗能能力下降，刚度退化加快。目前，压弯剪扭复合受力作用下的抗震性能研究多针对于钢筋混凝土柱，对于钢骨混凝土（SRC）柱的研究则较少见于报道，且《组合结构设计规范》也未对承受压弯剪扭复合作用的组合构件给出相应计算方法。根据型钢配置形式的差异，SRC柱又可分为实腹式和空腹式两大类，其中空腹式因为抗弯刚度大、方便施工及自重较轻等优点，可以有效降低结构设计剪力、基础设计要求及工程造价，使得此类构件具有很好的工程应用前景。袁书强等以扭弯比为分析参数对7个sRc柱进行了低周往复加载试验，分析了扭弯比对sRc柱受力及变形性能的影响，结果表明弯扭复合作用降低了sRc柱的抗弯能力。许协隆等为改善弯扭复合作用下空腹箱型SRC柱的受力性能，在柱子中段设计了斜拉钢筋，并对其进行了低周往复加载试验研究，结果表明配置斜拉钢筋不仅可以有效提高构件的抗扭刚度及极限承载力，还明显能减缓极限承载力的后承载力退化速度。

为进一步研究配斜拉钢筋对压弯剪扭作用下空腹箱形SRC柱的受力性能的影响，本论述利用有限元软件ABAQus建立了其有限元分析模型，分析了配置斜拉钢筋对空腹箱形SRC柱受力机理及破坏形态的影响，从而为后续的研究提供理论依据。

1有限元模型

1.1分析模型

有限元分析模型几何尺寸参照文献中的试件TMP-3，模型上下两端450mm为箍筋加密区，中间段箍筋内侧绑扎直径为8mm的斜拉钢筋，此斜拉钢筋由两根以每间隔240mm在平面内沿相反方向交替弯折90。形成的锯齿形钢筋绑扎而成。所有钢筋都采用HRB400级钢筋，内部箱形钢管为方形，钢管截面宽为150mm，厚为4.5mm，采用Q345级钢，混凝土等级为c60，轴压比为0.3，扭弯为0.25。分析模型尺寸及配筋情况见图1。

1.2有限元分析模型建立

配斜拉钢筋的空腹箱形SRC柱包含了混凝土与钢材两类型材料。其中混凝土采用ABAQUS自带的塑性损伤模型，选用约束混凝土模型来模拟其单轴压应力一应变关系。钢材部分选用双折线随动强化模型，对于强化段的弹模取初始弹性模量的0.01倍。根据材料自身的特点，混凝土采用C3D8R单元，而钢筋采用T3D2单元，内部钢管采用SR4单元。内部钢管与混凝土的法向接触以硬接触来模拟，切向接触则应用库伦摩擦模型模拟，u（界面摩擦系数）取0.25。钢筋和混凝土的接触应用“Embeded”将整个钢筋笼内嵌到后者中，不考虑二者的黏结滑移。加载方式参考试验加载过程，第一个分析步在柱子顶端加载梁的上部分割面上施加竖向荷载，第二个分析步在加载梁侧面施加水平偏心荷载，水平偏心荷载以位移进行控制。约束柱子下端混凝土和钢管所有方向的位移和转角，模拟嵌固结边界条件。有限元分析模型如图2所示。

2有限元计算可靠性验证

采用本论述的建模方法对文献[9]中的试验试件TMP3的加载过程进行了模拟计算。图3为有限元计算与试验滞回曲线对比，由图可知，二者的承载力、刚度及滞回全过程整体变化趋势基本一致，由于材料性能及边界条件较为理想，有限元计算的峰值承载力及初始刚度略高于试验。

图4为有限元计算所得的破坏模式与试验对比，由图可知，有限元计算与试验的破坏模式均为弯扭破坏，塑性铰都处于距柱子底部约300mm的范围内，由于角处无斜拉钢筋的保护作用，混凝土塑性变形主要由角处向上发展。综合分析滞回曲线及破坏形态对比可以看出，有限元计算可以较为准确的模拟试件的受力性能及破坏过程。

3受力机理及破坏形态分析

图5为有限元分析模型计算的荷载一位移曲线，由图可知，配置斜拉钢筋的柱子承载力为150.4kN，未配置斜拉钢筋的柱子承载力为145.7kN，说明配置写斜拉钢筋有益于提高压弯剪扭复合作用下空腹箱型SRC柱的承载力。此外，配置斜拉钢筋的柱子荷载一位移曲线在峰值后下降明显较缓，可知延性比未配斜拉钢筋的模型更好。在配斜拉钢筋模型的荷载一位移曲线中选取4个特征点进行分析：点1为柱下部混凝土开裂的时刻;点2时，纵筋及内部钢管屈服;点3为模型达到峰值荷载;点4为试件的破坏点。

图6、图7分别为分析模型特征点的钢材的应力分布和混凝土等效塑性应变分布。由图可知，加载初期（即加载位移达到1点时），柱子下部混凝土部分首先开裂，在与加载方向垂直的两个面上主要受弯矩影响，裂缝以水平裂缝为主，而在与加载方向平行的两个面上主要受扭矩影响，裂缝以斜向45°裂缝为主，此时钢材未见明显屈服;随着加载位移的增加（达到2点时），混凝土塑性区域逐渐由柱脚处向上延伸，塑性应变增大，接着纵筋、内部钢管相继发生屈服，最大应力达到416.8MPa;当加载位移进一步增大时（达到3点时），由于斜拉钢筋的保护作用，与加载方向平行的兩个面上混凝土的塑性应变增加量较小，斜裂缝发展缓慢，而与加载方向垂直的两个面上混凝土的塑性应变增长则较快，水平裂缝增大迅速，直至荷载达到了峰值;此后继续加载（达到4点时），扭矩逐渐增大，斜拉钢筋起到了分担扭矩的作用，使荷载一位移曲线下降减缓，破坏时斜拉钢筋逐渐屈服，内部钢管向内发生了轻微鼓起，混凝土的塑性应变在与加载方向垂直的面上较大，并主要由棱角处向上发展。

4结论

（1）利用本文的建模方法对配斜拉钢筋的空腹箱形SRC柱在压弯剪扭复合受力下的试验试件进行了有限元模拟计算，得到的滞回曲线、破坏形态与试验结果总体较为吻合，验证了有限元计算的准确性。

（2）配斜拉钢筋可以提高压弯剪扭复合作用下空腹箱形SRC柱的峰值荷载，降低峰之后荷载一位移曲线的下降速度，有益于提高空腹箱形SRC柱的延性。

（3）在压弯剪扭复合作用下，配斜拉钢筋的空腹箱形SRC柱破坏形态表现出扭转受力的特征，配置斜拉钢筋可以对混凝土形成保护，抑制斜裂缝的展开，且能有效分担内部钢管及箍筋所受的扭矩，可以作为空腹箱形SRC柱提升压弯剪扭受力性能的有效措施。