不同构造T形钢管混凝土短柱轴压性能对比分析

王靖普 区柱正

(1、中南林业科技大学 土木工程学院,湖南 长沙410004 2、佛山市公路桥梁工程监测站有限公司,广东 佛山528000)

1 概述

异形钢管混凝土柱应用于建筑结构中能有效避免柱棱,提高室内空间使用率,其主要截面形式为L形、T形和十字形。普通异形钢管混凝土柱中钢管对核心混凝土的约束作用较弱,荷载作用下阴角部位的钢板易发生较大变形而过早屈服。为提升异形钢管对核心混凝土的约束作用,国内学者对普通异形钢管混凝土柱提出了不同的改进措施,而国外相关研究鲜见报道。

文献[1-3]分别提出了组合式T形、改进组合式T形及多室式T形钢管混凝土柱。研究表明,上述不同构造的T形钢管虽能有效提高钢管对混凝土的约束作用,改善和提高柱子塑性变形能力、承载力等受力性能,但翼缘或腹板宽厚比较大,钢管容易发生局部屈曲。由此可见,上述改进措施虽能有效增强钢管对混凝土的约束作用,但仍存在不足之处。

为此,本文提出一种新的改进措施:将一根方形钢管和四根U形钢管通过全熔透二级对接焊缝连接成T形钢管,进而形成多腔T形钢管混凝土柱。基于截面面积、混凝土用量及含钢率相等的原则,设计了普通T形、组合式T形、改进组合式T形、多室式T形和多腔T形等5种不同构造的钢管混凝土短柱(见图1),并利用有限元软件ABAQUS计算分析不同材料强度对其轴压性能的影响。

图1 不同构造的T形钢管混凝土短柱截面示意图

2 有限元分析模型设计

有限元分析模型设计过程中,为避免模型过短而导致的端部效应影响,取长径比L/D=3.0。其中,L为柱高,D为柱截面外轮廓最大边长。不同构造的T形钢管混凝土短柱截面如图1所示,其中a、b、c、d和t分别翼缘高度、腹板宽度、翼缘宽度、腹板高度和钢管壁厚。T1～T5模型的a、b、c和d尺寸均分别取80mm、80mm、240mm和160mm。在a、b、c和d相同的情况下,通过调整钢管壁厚t,以实现5种不同构造T形钢管混凝土柱的混凝土用量及含钢率相等。其中,T1～T5模型的钢管壁厚t分别取4.00 mm、3.46 mm、3.71 mm、3.46 mm和3.04 mm。

3 有限元建模

3.1 材料本构

ABAQUS提供的用于模拟混凝土的本构模型主要包括:塑性损伤模型、弥散开裂模型和开裂模型,本文选取塑性损伤模型。该模型通过引入混凝土损伤因子并考虑材料受力后的损伤累积,可较好地模拟受约束混凝土的受力状态。

考虑到普通T形钢管混凝土柱中钢管对核心混凝土的约束作用相对较弱,因此混凝土受压本构采用文献[4]给出的混凝土单轴受压应力-应变曲线。而组合式T形、改进组合式T形、多室式T形和多腔T形钢管混凝土柱可视作由多个矩形钢管混凝土单元组合而成,对混凝土产生约束效应的实为矩形钢管,因此混凝土受压本构采用韩林海[5]给出的矩形钢管混凝土应力-应变曲线。混凝土受拉本构统一采用文献[4]给出的混凝土单轴受拉应力-应变曲线。

钢材采用等向弹塑性模型,该模型满足von Mises屈服准则且不考虑钢材的强化及二次塑流,钢材本构采用文献[5]给出的应力-应变曲线。

3.2 建模方式

建模过程中,核心混凝土和钢管均采用8节点缩减积分格式的三维实体单元(C3D8R),柱上下两端设置尺寸略大于柱端尺寸的正方形刚性盖板。盖板与柱端面采用绑定(tie)约束,并对柱底施加完全固支约束。钢管与混凝土接触界面的切线方向采用库仑摩擦及小滑移,法线方向采用“硬”接触,允许材料分离但不互相穿透。本文选用ABAQUS/Standard模块进行计算分析,并采用位移控制方式进行加载,使用Newton-Raphson算法来求解非线性平衡方程。

3.3 模型验证

根据上述的建模方法,对文献[1-3,6]中的12根试件进行建模分析,得到各试件试验极限承载力Nu和有限元计算极限承载力Nf的结果(见表1)。所有试件极限承载力试验值与有限元计算值之比Nu/Nf的平均值为1.01 ,标准差为0.046 ,变异系数为0.045,说明该模型计算极限承载力的准确度较好。

表1 试验结果与有限元结果比较

4 有限元参数分析

4.1 混凝土强度

T1～T5模型的钢管均采用Q235级钢材,混凝土强度等级分别取C30、C50和C80。经分析得到各模型极限承载力随混凝土强度的变化趋势,如图2所示。由图2可知,当混凝土强度等级为C30时,T2～T5模型的极限承载力非常接近且均比T1模型高出约200kN。其中,T2～T5模型的极限承载力分别为1650kN、1648kN、1658kN和1666kN。当混凝土强度等级由C30提高至C50时,T2～T5模型的极限承载力分别增大了342kN、338kN、350kN和431kN；当混凝土强度等级由C30提高至C80时,T2～T5模型的极限承载力分别增大了887kN、829kN、771kN和960kN。由此可见,随着混凝土强度等级的提高,多腔T形钢管混凝土柱的极限承载力增大幅度最显著,如图2。

图2 混凝土强度等级的影响

4.2 钢材强度

T1～T5模型的混凝土均采用C30,钢材强度等级分别取并Q235、Q345和Q460。经分析得到各模型极限承载力随钢材强度的变化趋势,如图3所示。由图3可知,随着钢材强度等级的提高,T2～T5模型的极限承载力大致相同且均明显高于T1。从受力机理上看,尽管T2～T5模型的钢管构造不同,但其对核心混凝土约束作用均强于T1模型。结合图3可知,当采用更高强度等级的混凝土时,更能充分发挥多腔T形钢管对混凝土约束作用的优势。

图3 不同钢材强度等级的影响

5 结论

5.1 本文选用的材料本构关系式及有限元建模方法能够较好的模拟T形钢管混凝土柱轴心受压极限承载力。

5.2 改进后的4种T形钢管混凝土短柱轴压力学性显著优于普通T形钢管混凝土短柱,其中以多腔T形钢管混凝土短柱最优。

5.3 对于多腔T形钢管混凝土短柱,匹配高强混凝土使用能更好地发挥其优势。