钢管约束超高性能混凝土柱的抗震性能

欧智菁, 俞 杰

(福建工程学院土木工程学院, 福州 350118)

钢管约束超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)是由UHPC灌入普通钢管制备而成, 其承载力、塑性、韧性、抗震性及耐火性等均优于普通钢管约束钢筋混凝土, 且施工方便、经济[1-3]．在承载力一定的情况下, 钢管约束UHPC柱的截面积较小, 因此广泛应用于高层、超高层建筑底部的重载柱及对延性要求较高的结构中．

国内外学者关于钢管约束混凝土的力学性能进行了大量研究．周绪红等[4]的研究表明钢管约束钢筋混凝土柱的钢管约束性仅适用于短柱情况,钢管与混凝土间的黏结摩擦和构件长度都会限制钢管的约束作用; Wang等[5]研究钢管约束钢筋混凝土双柱的抗震性能,其侧向载荷能力和弯曲刚度有一定程度的提高; Nie等[6]以钢管约束钢筋混凝土柱在纯扭转荷载作用下的准静态实验为基础, 建立了有限元模型及其极限扭转能力计算方法, 指出钢管厚度、截面尺寸和纵筋比是钢管约束钢筋混凝土柱扭转能力的最重要参数; Yang等[7]以加热时间、截面尺寸、长细比、材料强度、钢管与混凝土面积比和配筋率为参数进行钢管约束钢筋混凝土柱的试验研究, 提出一种简化方法预测钢管约束钢筋混凝土柱细长柱受火灾后的承载能力; Ding等[8]在极限平衡理论的基础上,建立了适用于圆形钢管约束钢筋混凝土柱的极限承载力公式; 臧兴震[9]提出了钢管约束钢筋高强混凝土柱的承载力计算方法及抗震构造方案, 结合有限元模型及试验数据得出了钢管约束钢筋高强混凝土柱的径厚比、型钢含钢率的合理值和栓钉的构造方案; An等[10]研究了约束系数和径厚比对钢管约束UHPC柱强度和延性的影响,验证了欧洲规范EC4、美国规范AISC、日本规范AIJ和一些现行设计规范的适用性．

综上所述,目前相关研究主要针对钢管约束钢筋普通混凝土柱或钢管约束钢筋高强混凝土柱,而对钢管约束UHPC柱仅见静力性能等初步研究．本文应用Abaqus有限元软件,对钢管约束UHPC柱构件的滞回性能、延性、刚度退化等受力性能和规律进行研究,模拟分析其轴压比、长细比等主要参数的适宜范围,为相关工程应用提供理论基础．

1 建模方法

1.1 模型建立

图1为有限元模型网格划分示意图．模型由内置钢筋、核心混凝土与外包钢管三部分组成．钢管与核心混凝土采用实体单元(C3D8R), 钢筋采用桁架单元(T3D2)．将钢管视为理想弹性材料,其应力应变关系采用双折线本构模型,约束混凝土采用混凝土塑形损伤本构模型[11]．钢管与混凝土之间为面面接触, 其法向接触作用视为硬接触,即接触面间任意传递压力; 其切向作用使用库伦摩擦接触模型, 摩擦系数取0.5．端板与混凝土之间为绑定接触．

1.2 模型有效性

由于目前关于钢管约束UHPC柱抗震试验的相关文献较少,为验证模型合理性,本文选取钢管混凝土约束高强混凝土柱作为验证对象[9], 试件编号为C-55-1.3-150-4、C-55-1.3-150-6、C-55-1.8-150-4、C-55-1.8-150-6. 试件C-55-1.3-150-4编号中“C”表示圆钢管约束钢筋混凝土柱，“55”表示混凝土强度等级为C55，“1.3”表示剪跨比，“150”表示钢管径厚比，“4”表示试件轴压比n=0.4. 其余编号类推. 图2为钢管约束钢筋混凝土构件的荷载-位移滞回曲线．由图2可知, 模拟曲线和试验曲线吻合较好, 两者滞回曲线形状、面积均相似．结合表1的构件骨架曲线特征值可知,屈服点荷载Py和峰值荷载Pmax的计算结果与试验结果的相对误差小于5%,说明有限元模型的有效性．

表1 构件的骨架曲线特征值

2 抗震性能

2.1 滞回曲线

钢管约束UHPC柱基准模型A-0的具体构造如图3所示, 柱高800 mm, Q460钢管厚度为2 mm, 钢管内填充C120混凝土,箍筋和纵筋分别采用HPB300、HRB335钢筋．图4为试件反复水平移动的荷载-位移滞回曲线．如图4所示, 基准模型A-0的滞回曲线形状较饱满, 呈稳定的弓形, 捏缩效应小, 说明钢管约束UHPC柱具有良好的耗能能力及抗震性能．由滞回曲线中荷载极值点相连得到的骨架曲线可见: 加载初期位移较小, 在保持轴压比不变的条件下,构件处于弹性阶段;随着加载位移的增加, 构件进入弹塑性阶段,混凝土受拉开裂,中部钢管对混凝土侧向表面产生约束力;当位移继续增加,荷载极值点开始缓慢下降,说明构件进入破坏阶段．

2.2 延性

位移延性系数μu是评价结构延性性能的重要指标之一．μu=Δu/Δy, 其中Δu为极限位移,Δy为屈服位移．根据钢管约束UHPC构件的骨架曲线, 其屈服荷载、峰值荷载、极限荷载分别为245.57、308.91、262.57 kN,Δu、Δy分别为23.91、5.46 mm, 故钢管约束超高性能混凝土柱的延性系数μu=4.38．一般情况下, 满足抗震要求的μu不应小于4．因此该构件具有良好的延性性能, 满足抗震要求．

2.3 刚度退化

割线刚度Ki=|±Pi|/|±Δi|, 其中±Pi为第i个荷载循环中正反向峰值点荷载值, ±Δi为第i个荷载循环中正反向峰值点位移值．图5为A-0试件的刚度退化曲线．如图5所示, 加载初期,刚度退化曲线下降较快,刚度退化明显;加载后期,刚度变化趋于平缓．

3 参数分析

3.1 轴压比

不同试件轴压比n的钢管约束UHPC柱的骨架曲线特征参数见表2．如表2所示, 当n从0.1增至0.6时, 试件的峰值荷载Pmax增大了34.44%, 这是因为随着轴压比的增大, 钢管对核心混凝土的套箍作用加强, 所以Pmax增大, 同时构件的弹性刚度Ka也随之增大．随着n的增大,μu先增大后减小, 在n=0.3时达到峰值．这是因为当轴压比过高时, 混凝土出现初始损伤,故其延性下降．因此在实际工程设计中钢管约束UHPC柱的轴压比建议选择0.1～0.3．

表2 不同轴压比下的骨架曲线参数

3.2 长细比

通过调整试件长度选取不同长细比λ的钢管约束UHPC柱, 其骨架曲线特征参数见表3．由表3可知, 随着λ增加,构件的Ka和Pmax均降低, 延性系数升高．这是因为当构件长度较短时,在弹性阶段的水平承受能力较大, 但易发生剪切破坏,延性差; 随着长度的增加, 构件更趋近于弯剪破坏,延性好．λ<5时,构件的延性急剧下降; 而λ>11时,Pmax下降幅度较大．因此在实际工程中长细比范围宜选择5～11．

表3 不同长细比下骨架曲线参数

3.3 混凝土强度

当混凝土强度等级为C120～C200时, 钢管约束UHPC柱的骨架特征值见表4．由表4可见, 随着混凝土强度等级从C120升高到C200, 钢管约束UHPC柱的Pmax和Ka增大,μu降低．这是因为提高混凝土强度可提高构件在弹性阶段的荷载承受能力,峰值荷载也随之提高,但出现脆性破坏的几率也增大,所以构件的延性下降．

表4 不同混凝土强度条件下骨架曲线参数

3.4 径厚比

不同径厚比条件下钢管约束UHPC柱的骨架曲线特征值见表5．由表5可知, 随着径厚比减小, 构件的Ka,Pmax和延性系数均增大．这是由于随着钢管厚度的增加,在保持轴压比不变的条件下,钢管对核心混凝土的紧箍力增大,所以弹性刚度、峰值荷载、延性都随之增大．故应综合考虑经济性、构件刚度、峰值荷载等因素,选取合适的钢管厚度．

表5 不同径厚比下骨架曲线参数

3.5 钢管屈服强度

不同钢管屈服强度fy下构件的骨架曲线特征值见表6．由表6可见,当钢管强度从235 MPa增大到690 MPa,Pmax和μu均增大．这是因为在轴压比不变的情况下,随着钢管强度的提高,核心混凝土的套箍作用加强,混凝土的脆性降低,故构件延性增大．

表6 不同fy条件下骨架曲线参数

3.6 配筋率

保持构件截面尺寸不变,通过增减钢筋数量及钢筋直径改变配筋率大小．不同配筋率条件下钢管约束UHPC柱的骨架曲线特征参数见表7．由表7可知,当配筋率从0.75%增加到3.1%时,钢管约束UHPC柱的μu和Pmax增加．这是因为随着配筋率的增加,试件的切割位置强度相对加强,故延性及极限荷载增加较多,但增幅随着配筋率增加而逐渐降低．实际工程中的配筋率宜选择1%～2%．

表7 不同配筋率条件下骨架曲线参数