断面型钢区域约束混凝土柱力学性能的有限元分析

傅小珠

(闽南理工学院 土木工程学院，福建 泉州 362700)

0 引言

在传统约束混凝土柱的基础上产生了区域约束混凝土柱，在约束机制影响下，区域约束混凝土柱和传统约束混凝土柱之间在受力性能和破坏形态方面存在差异[1]，为了改善混凝土构件的受力性能，提高混凝土构件的可靠性，以断面型钢区域约束混凝土柱为研究对象，通过有限元分析方法对区域约束混凝土柱的力学性能进行研究.区域约束混凝土柱力学性能是指在不同环境(温度、介质、湿度)下，承受各种外加载荷时所表现出的力学特征(强度、变形性能等)[2].经有限元分析得到：1)断面型钢区域约束混凝土柱的强度性能要好于普通混凝土柱和传统约束混凝土柱；2)断面型钢区域约束混凝土柱变形性能要好于普通混凝土柱和一般约束混凝土柱.由此结果可知，断面型钢区域约束混凝土柱值得推广使用，为建筑行业发展奠定了基础[3].

1 混凝土结构特点分析

混凝土是土木工程建设的主要材料之一，其主要优点有：1)组成原材料易得，混凝土中80%组成部分为砂石，制作成本低廉；2)性能可调整范围大，通过改变混凝土组成材料的配置比例即可调整其性能；3)可塑性强，混凝土在硬化前可以适应各种形状复杂的结构构件的施工要求；4)可与钢筋混合使用，弥补单一混凝土结构抗拉强度低的缺点；5)抗压强度高，一般可达100 MPa以上；6)耐久性强，可达数百年以上[4].主要缺点：导热系数较大、不耐高温.为增强普通混凝土性能，约束混凝土出现，其定义如下：通过对普通混凝土增加外部约束来改善其性能[5].目前，外部约束根据配筋形式的不同，有多种形式，其中，常见的井字形和柱中柱结构如图1所示.

图1 约束混凝土常见结构形式

传统约束混凝土结构着重对构件截面中部核心区进行约束，增强了中心区域的性能，但是却忽略了对构件边缘的约束，使得边缘区性能较弱.为此，在对传统约束混凝土结构研究的基础上，提出了断面型钢区域约束混凝土结构(见图2).

图2 断面型钢区域约束混凝土结构

分析图2可知，断面型钢区域约束混凝土结构由纵向钢筋和横向箍筋组成，四周装有外箍筋和内箍筋，约束区具体分为强约束区和弱约束区，在对构件截面中部核心区进行约束的同时，也对边缘区域进行了约束，弥补了传统单一横向箍筋的约束存在的缺点[6].

断面型钢区域约束混凝土柱作为一种新型混凝土构建，目前，对其力学性能的掌握还不足，因此,为更好地使其在建筑施工中使用，通过有限元分析方法明确其性能.

2 有限元分析方法

混凝土力学性能分析方法总结起来一共分为两类：解析法和数值法.其中，数值法更为常用，因为相较于解析法，其不受混凝土结构形状和所受复杂载荷的限制，适用性更广.在数值法中，有限元分析法是其中重要的分支，其定义是将结构物划分成有限个单元组合体，然后对其施加荷载和约束力，接着对每一单元假定一个合适的近似解，从而求出强度、应力-应变等参数.有限元法的分析过程，概括起来分为三大过程，前处理过程、分析求解过程以及后处理过程[7]，如图3所示.

图3 有限元分析方法基本流程

2.1 前处理过程

前处理过程也被称为有限元模型建立过程，在这一过程中，主要包括模型单元类型的确定、材料本构模型的选取、有限元模型的建立等3个步骤.

1)单元类型的确定.混凝土：C3D8R 实体单元；钢筋：link8单元；型钢：8节点三维连续体线性单元；钢板箍：S4R 壳单元.

2)材料本构模型的选取.混凝土本构模型：采用有限元分析中广泛使用的 Saenz模型，如图4所示.

图4 Saenz模型

型钢和钢筋本构模型：采用斜直线加水平线的弹塑性模型，如图5所示.

图5 斜直线加水平线弹塑性模型

3)有限元模型建立.有限元建模主要有两种方式：自底向上建造和自顶向下建造.在这里将二者结合进行有限元模型建立，从而实现对断面型钢区域约束混凝土柱力学性能的数值模拟计算.

X=Al×kj×ui.

(1)

式中:X为受压情况下混凝土柱水平位移值；kj为周边地表沉降值；ui为混凝土柱支撑轴力.

(2)

式中:gi为混凝土柱下部水平位移；n为测点数量；t为监测时间；hij为基底长度.

通过求解式(1)和式(2)得到断面型钢区域约束混凝土柱受力结果，据此建立混凝土试件有限元模型,结果如图6所示.

图6 混凝土试件有限元模型

2.2 分析求解过程

在求解之前，需要进行相关设置，这样才能保证解更接近理想的结果.约束条件如表1所示.

表1 约束条件

分析求解方法为牛顿-拉普森平衡迭代方法.

2.3 后处理过程

运用牛顿-拉普森平衡迭代方法求解之后，会得到混凝土试件的应力云图.

3 试验研究

3.1 试件设计与制作

为明确断面型钢区域约束混凝土柱的力学性能，以普通混凝土柱、传统约束混凝土柱作为对比项.首先进行材料取样.为保证实验客观性，从同一盘混凝土或同一车混凝土中取样，取样符合《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080)有关规定.该混凝土中，水-175 kg；水泥-343 kg；砂-621 kg；石子-1 261 kg，配合比为：0.5111.813.68.

选取断面型钢区域约束混凝土柱试件、普通混凝土柱试件以及传统约束混凝土柱试件各5根，为保证测试的公平性，所选取试件的长度均为2 400 mm，横截面均为280 mm×280 mm；钢筋直径为4.5 mm，型钢型号为Q235B，L30×3，混凝土屈服强度为405 MPa，拉伸强度为437 MPa.

具体参数如表2所示.

表2 混凝土柱试件具体参数

图7为试验试件三视图.

图7 试件三视图

将其制成试件，试件形状为倒T形，由底座、柱身及顶部水平横梁三部分组成[8]，其中底座尺寸为1 300 mm×1 300 mm×600 mm、柱身尺寸为250 mm×350 mm×900 mm、底部水平横梁尺寸为1 000 mm×450 mm×600 mm.

在上述参数设置下，进行实际测试，图8为现场测试图.

图8 现场测试图

3.2 测点布置

试件制作好后，需要进行测点布置.测点布置的合理性关系着数据采集的全面性.根据试件设计方案，其应力测点布置情况如图9所示.

本地原始美术出土遗物甚多，完全可以梳理出发展脉络并呈现出较为完整的发展体系。大体体现在石器、骨器、陶器等方面，在材质、形态、加工工艺等方面都呈现出了不同程度和不同取向的美术特征，在整体上构建起了昂昂溪文化原始美术的主要成就和显著特征。

图9 测点布置示意图

根据实际工程经验可知，测点布置内容主要包括结构与构件测点布置，其中，在应力最大构件处布置应变测点，在变形最大节点处布置位移测点.图9中测点处布置的主要设备有两种：混凝土应力片和位移计，图中圆形黑点处为应变测点位置，黑色方形处为位移测点位置.

应变片是一种用来测量混凝土应变的测试工具.在这里选择BX120-5CA应变片，该应变片带有20 cm绝缘导线，可同时测试混凝土0°、45°、90°方向的应变，并根据3个方向的应力计算出最大主应力、最小主应力、最大剪应力、最大主应力方向等技术参数[9].

位移计是一种测量混凝土结构物伸缩缝的开合度(变形)的工具，笔者采用VWD-20位移计.VWD-20位移计工作原理如下：当被测结构物发生变形时，带动位移计测杆产生位移，通过转换机构传递给滑动式电阻器，滑动式电阻器将位移物理量转变为电信号量，经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物位移的变化量[10].

当结构物发生变形时位移计能够同步感受变形，位移量与输出的电信号变量具有如下线性关系：

y=kΔF.

(3)

其中:

ΔF=F-F0.

(4)

式中:y为被测结构物的变化量，单位为mm；k为位移计的测量灵敏度，单位为mm/F；ΔF为位移计实时测量值相对于基准值的变化量，单位为F；F为位移计的实时测量值，单位为F；F0为位移计的基准值，单位为F.

3.3 试验结果与分析

运用构建的有限元模型得到混凝土柱位移、应力、应变、变形等方面的计算结果.具体结果如下：

抗压强度指承受外力作用的强度极限，计算公式如下：

(5)

式中:p为抗压强度，以每平方英寸多少磅(psi)、每平方厘米多少千克为单位；R为压力，以磅、千克为单位；L为剖面面积，以平方厘米、平方英寸为单位.

根据上述公式得到混凝土柱抗压强度计算结果如表3所示.

表3 混凝土柱抗压强度 MPa

从表3可以看出，断面型钢区域约束混凝土试件的抗压强度最高为684 MPa、传统约束混凝土试件抗压强度最高为524 MPa、普通混凝土试件抗压强度最好为258 MPa.对比上述结果可知，断面型钢区域约束混凝土柱的抗压强度更高，能够承载更大的压力.

2)变形性能分析

变形性能主要通过应力-应变曲线来判断.应力-应变曲线反映了材料在外力作用下发生的脆性、塑性、屈服、断裂等各种形变过程，选取构件1和构件3作为实验对象，具体结果如图10所示.

图10 不同构件的应力-应变曲线

在荷载作用初期，三种试件截面几乎均匀受压，但随着荷载的增大，三种试件在不同应力下开始屈服，曲线出现拐点，说明混凝土试件开始产生塑性变形，其中，针对构件1，断面型钢区域约束混凝土试件应变值达到0.002 3时，试件才达到极限承载力，此时混凝土大部分被压坏；而传统约束混凝土试件应变值达到0.002 6时，试件达到极限承载力，试件被破坏；普通混凝土试件应变值达到0.002 8时，试件达到极限承载力，试件被破坏.针对构件3，断面型钢区域约束混凝土试件应变值达到0.002 8时，试件才达到极限承载力，此时混凝土大部分被压坏；而传统约束混凝土试件应变值达到0.003 1时，试件达到极限承载力，试件被破坏；普通混凝土试件应变值达到0.003 4时，试件达到极限承载力，试件被破坏.以上结果对比可知，断面型钢区域约束混凝土试件的变形性能更好，在较大的载荷作用下，也不易发生变形.

3)有限元计算结果

为了测试断面型钢区域约束混凝土柱的力学性能，对其应力分布场情况进行分析，获取应力云图如图11所示.

图11 表面应力场分布

从图11可以看出断面型钢区域约束混凝土柱表面压应力场分布情况，其中，柱身与底座的应力数值分别为2.9 MPa和7.8 MPa，应力分布已经扩散到整个混凝土柱表面，能够形成较为有效的应力区间，改善了传统混凝土试件的受力状况.

为了进一步测试断面型钢区域约束混凝土柱的力学性能，分析其荷载曲线，结果如图12所示.

图12 荷载曲线

图12表示型钢区域约束混凝土试件的荷载和实际荷载近似重合，而传统约束混凝土试件与实际载荷之间的差距较大，证明型钢区域约束混凝土试件具有较好的力学性能.

4 结论

笔者以实验的形式进行研究，利用有限元分析方法分析断面型钢区域约束混凝土的力学性能，以期为建筑工程施工中该材料的使用提供参考.通过本研究得出：断面型钢区域约束混凝土力学性能，即强度和变形性能均比较优越，更适用于承载较大的载荷作用力.