等效后采用文献[10]提出的混凝土受压与受拉应力-应变关系模型,钢材模型采用二次塑流模型[11]。
(2) 有限元分析模型。OECFST构件(端板、钢管及核心混凝土)均采用C3D8R六面体单元,以优先保证网格为正方形的原则进行合理网格划分,钢管壁较厚时,可先对其进行分层,有限元分析模型如图5所示。核心混凝土损伤塑性模型的膨胀角设置为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”,使用罚函数定义切向接触,摩擦系数设为0.6。端板与钢管之间采用绑定约束。
荷载施加:先施加一定轴压比的轴力N,然后保持N恒定不变,再逐步施加扭矩T。
2 试验验证
由于目前尚缺乏开展OECFST柱压扭试验的数据,本文基于对文献[8-9]的轴压试验验证结果,继而用文献[12-13]中圆钢管混凝土柱压扭试验数据来验证数值分析模型的合理性。计算结果与试验结果对比见表1所列,如图6所示。
表1 圆钢管混凝土柱压扭计算结果与试验结果对比
图6 圆钢管混凝土柱压扭试验曲线与计算曲线对比
钢管混凝土柱受扭表现出良好的塑性特征,扭矩(T)-转角(θ)曲线在后期会保持缓慢上升,对于T-θ曲线中抗扭承载力,目前有多种评价方法。针对短柱,本文采用钢管边缘应变值达到0.01时对应的扭矩值作为钢管混凝土抗扭承载力[11];针对中长柱,在θ较大时,钢管边缘应变值仍然较小,但对于整体结构,继续扭转已无实际意义,因此采用在达到最大试验角度θ=0.15 rad时对应的扭矩值作为钢管混凝土抗扭承载力[13]。由表1、图6可知,计算结果与试验结果总体吻合良好。
3 全过程非线性分析
3.1 荷载-转角曲线
为了研究OECFST柱的压扭性能,采用传统圆形及矩形钢管混凝土柱性能进行对比分析,fy=345 MPa,fcu=50 MPa,构件长度L=1 200 mm,在保证三者截面积相同的情况下,OECFST柱尺寸取为400 mm×200 mm×5 mm,圆形钢管混凝土柱尺寸取为 282 mm×282 mm×5 mm,矩形钢管混凝土柱尺寸取为354 mm×172 mm×5 mm。
3.1.1 轴压比为0.6时T/Tu-θ曲线
在轴压比为0.6时,圆形、尖端形椭圆及矩形钢管混凝土柱T/Tu-θ曲线如图7所示。图7中:T为抗扭承载力;θ为转角;Tu为极限抗扭承载力。
从图7可以看出,T/Tu-θ曲线大致可分为3个阶段,即弹性阶段(OA)、弹塑性阶段(AB)及塑性阶段(BC)。3种截面在前2个阶段(OB)的特征较为近似。
图7 轴压比0.6时3种截面形式短柱的T/Tu-θ曲线
在弹性阶段,θ值较小,T/Tu-θ曲线近似线性发展,钢管及混凝土都处于弹性阶段,且相互作用力较小,在A点时,钢管进入弹塑性阶段起点。
在弹塑性阶段,随着θ继续增大,T/Tu-θ曲线增长率逐渐下降,钢管逐渐进入塑性阶段,由于核心混凝土的支撑,钢管不会出现屈曲和鼓曲,仍然可以发挥其较好的抗扭性能,同时混凝土开始产生微裂缝,此时钢管和混凝土分别处于双向受剪和三向受力的复杂状态,在B点时,钢管进入屈服阶段。
在塑性阶段,不同截面的T/Tu-θ曲线出现了不同情况:
(1) 圆形截面构件。该截面构件在此阶段表现出良好的塑性性能,T/Tu-θ曲线仍然有较小幅度的提升。随着θ增加,压力更多由核心混凝土承担,扭矩更多由钢管承担,钢管在屈服状态下,由于核心混凝土的支撑,依然能够保持其抗扭承载力,同时核心混凝土在三向压力与扭矩共同作用下发生斜拉断裂,螺旋效应使混凝土绕柱沿螺旋破坏面上升,混凝土轴向压力提高,压扭状态下核心混凝土的抗扭能力得以进一步提高。
(2) 矩形截面构件。在保持轴力不变、θ继续增大时,各高度水平截面在垂直方向出现错位,有效承压截面面积轻微减少,同时构件边缘突出部分钢管和混凝土的受拉与受剪应力急剧上升,进入塑性状态,矩形柱实际轴心抗压承载极限值有所下降,由于轴压力N保持不变,致使N/Nu(Nu为构件极限轴压承载力)有所提高,进而使得矩形柱抗扭性能下降,曲线出现下降段。只有在初始轴压比较高时,抗扭性能下降较快。
(3) 尖端形椭圆截面构件。该截面形式介于圆形及矩形之间,在相同轴压比的情况下,T/Tu-θ曲线处于两者之间。不同轴压比状态下OECFST柱的T/Tu0-θ曲线如图8所示(Tu0为纯扭状态下的极限抗扭承载力)。
图8 不同轴压比下OECFST柱截面 T/Tu0-θ曲线
核心混凝土螺旋效应及构件轴向抗压承载力下降对Tu分别有提高和降低的作用,并且随着轴压比增大,后者对其影响会越来越大。压扭构件Tu随着轴压比增大先小幅度提高后降低,界限值大约在轴压比为0.7时;轴压比小于界限值时,轴压比对Tu有一定的加强,但总体Tu与纯扭试件区别不大;轴压比大于界限值时,Tu持续下降,且下降速率会不断增加。
3.1.2 不同轴压比下T/Tu0的变化
根据不同轴压比下OECFST柱T-θ关系,提取柱在纯扭状态和不同轴压比状态下剪应变为0.01时对应的T值,结果显示构件在剪应变达到0.01前即出现下降段,因此取最高值作为OECFST柱压扭状态下Tu,并绘制N/Nu-Tu/Tu0曲线图,如图9所示。
从图9可以看出,在N/Nu和Tu/Tu0处于较低值时,轴力与扭矩的相互影响力不大,随着N/Nu和Tu/Tu0值不断增大,其相互影响力呈指数形式上升。
图9 OECFST短柱N/Nu-Tu/Tu0曲线
在轴压比N/Nu较低时,轴压力与扭矩间的相互影响力较小,原因是核心混凝土螺旋效应使得钢管混凝土柱Tu有微弱提升。
3.2 破坏模式
核心混凝土与钢管破坏模式分别如图10、图11所示。
(1) 核心混凝土。在仅考虑扭矩对核心混凝土的作用时,核心混凝土单位表面相邻侧会出现与图10a所示值相同、方向相反的剪应力(τ),使单位本体的主拉应力(σt)方向倾斜45°;同时考虑轴向压力时,最终主拉应力σt沿水平方向移动。关于混凝土的应变分析,在轴向压力和扭转力的作用下,混凝土表面线单元的压缩和拉伸方向如图11b所示,最终拉伸状态如l2所示,与应力分析和微裂纹出现的位置相符合。
图10 核心混凝土破坏模式
(2) 钢管。由于核心混凝土对钢管的支撑,从图11a可以看出,整体钢管在轴向压力和扭转力的作用下同时进入屈服状态,没有出现局部集中力,整体协调性好,承载力保持在较高水平。当轴压比或扭转角较大时,钢管最终会沿图11b所示的方向撕裂。
图11 钢管破坏模式
4 参数分析
为研究OECFST柱在压扭复合受力下的受力性能,探究了不同钢材强度(fy)、混凝土强度(fcu)、含钢率(α)、长短轴比(β)以及截面面积对其受力性能的影响,并提取0～0.9轴压比下构件抗扭承载力极限值(Tu)进行分析。标准试件信息如下:试件编号OS-PT-12,尺寸为400 mm×200 mm×5.0 mm×1 200 mm,fy=345 MPa,fcu=50 MPa,α=7.96%,该构件在轴压比为0.4时达到最大承载力,相比于纯扭构件提升约9.6%。有限元分析参数见表2所列,分析计算结果见表3所列,如图12所示。
表2 有限元分析参数
表3 不同轴压比试件的抗扭极限承载力 kN·m
(1) 钢材强度。分别选取fy为235、345、420 MPa,研究其对构件压扭承载力的影响。从图12a可以看出:不同fy下N/Nu-Tu/Tu0曲线都呈现先增大后减小的形式,Q235构件在轴压比为0.5时达到最大承载力,相比于纯扭构件提升13.4%,比标准试件提高4.8%,曲线向外扩展;Q420构件在轴压比为0.4时达到最大承载力,相比于纯扭构件提升8.1%,比标准试件降低1.5%,曲线向内收缩;随着fy提高,构件的N/Nu值与Tu/Tu0值相关性有所提升,轴压与纯扭的相互影响力增强。
(2) 混凝土强度。分别选取fcu为30、50、80 MPa,研究其对构件压扭承载力的影响。从图12b可以看出:不同fcu下N/Nu-Tu/Tu0曲线都呈现先增大后减小的形式,C30构件在轴压比为0.3时达到最大承载力,相比于纯扭构件提升6.1%,比标准试件降低3.5%,曲线向内收缩;C80构件在轴压比为0.4时达到最大承载力,相比于纯扭构件提升12.0%,比标准试件提高2.4%,曲线向外扩展;随着fcu提高,构件的N/Nu值与Tu/Tu0值相关性有所降低,轴压与纯扭的相互影响力减弱。
图12 OECFST柱不同参数下压扭复合受力N/Nu-Tu/Tu0曲线
(3) 含钢率。分别选取钢管厚度为3、5、8 mm,研究其对构件压扭承载力的影响,对应α分别为4.66%、7.96%、13.22%。从图12c可以看出:不同α下N/Nu-Tu/Tu0曲线都呈现先增大后减小的形式,α=4.66%的构件在轴压比为0.5时达到最大承载力,相比于纯扭构件提升12.1%,比标准试件提高2.5%,曲线向外扩展;α=13.22%的构件在轴压比为0.3时达到最大承载力,相比于纯扭构件提升5.2%,比标准试件降低4.4%,曲线向内收缩;随着α提高,构件的N/Nu值与Tu/Tu0值相关性有所提升,轴压与纯扭的相互影响力增强。
(4) 长短轴比。分别选取β值为1、2、3,研究其对构件压扭承载力的影响。从图12d可以看出:不同β下N/Nu-Tu/Tu0曲线都呈现先增大后减小的形式,β=1的构件在轴压比为0.4时达到最大承载力,相比于纯扭构件提升约14.5%,比标准试件提高4.9%;β=3的构件在轴压比为0.5时达到最大承载力,相比于纯扭构件提升11.7%,比标准试件提高约2.1%;总体曲线较为接近,由于截面形式的变化,相比于其他参数,β的改变对N/Nu-Tu/Tu0曲线形式有一定影响,相互之间差异性较大。
(5) 截面面积。分别将标准试件进行同比例放大与缩小,从图12e可以看出:缩小尺寸的构件在轴压比为0.4时达到最大承载力,相比于纯扭构件提升11.2%,比标准试件提高1.6%;扩大尺寸的构件在轴压比为0.4时达到最大承载力,相比于纯扭构件提升9.5%,比标准试件降低0.1%;不论是在数值上还是在整体曲线上,尺寸效应对N/Nu-Tu/Tu0曲线的影响甚微。
(6) 轴压比。从图12可以看出,在不同参数变化下,随着轴压比增大,N/Nu-Tu/Tu0曲线均呈现先增大后减小的变化形式,在轴压比增大初期,Tu会有略微增强,大约在轴压比为0.4时达到最大值,随着轴压比不断增加,Tu不断下降,大约在轴压比为0.7时接近纯扭构件。
5 结 论
(1) 本文基于等效本构模型建立了OECFST构件在压扭复合受力下的有限元分析模型,可用于评价OECFST柱的压扭复合受力性能。
(2) 由于钢管和核心混凝土的相互作用,在压扭复合受力下,尖端形椭圆钢管表面应力分布较为均匀,构件在压扭状态下表现出较好的塑性性能。
(3) 随着轴压比增大,OECFST构件抗扭承载力先小幅度提高后降低,在轴压比约为0.4时达到最大值,轴压比约为0.7时抗扭承载力接近纯扭试件,轴压比大于0.7时,抗扭承载力持续下降,且下降速率会不断增加。
(4) 本文研究了钢材强度、混凝土强度、截面含钢率、长短轴比及截面面积对OECFST柱压扭复合受力下承载力的影响。钢材强度越高、含钢率越大、截面面积越大以及长短轴比越小,承载力越大;在一定轴压比下,混凝土强度越高,承载力越大;构件约束效应增大时,其轴压比值与扭矩比值的相关系数提高,曲线呈现内缩的状态,尺寸效应对N/Nu-Tu/Tu0曲线影响不大。
