高温后高强方钢管混凝土短柱轴压机制

王晓初, 谷 萌, 刘 晓

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

高强钢管混凝土就是把混凝土灌入屈服强度大于或等于460 MPa的钢管后振捣而形成的组合构件[1]。钢管采用高强钢材,不仅可以提高构件强度,还能减小构件尺寸,进而减少混凝土原材料水泥的消耗、减少二氧化碳的排放、降低环境污染,具有良好的社会效益,更符合我国可持续发展的战略。

对高强钢管混凝土已经有部分学者进行了研究:涂程亮等[2]提出轴压短柱的承载力公式和长柱稳定性的计算公式;邱增美等[3]利用有限元软件进行分析,提出了纯弯构件的抗弯承载力计算公式;陈博文等[4]通过大量的数据拟合计算得到了轴压应力-应变计算公式;马丽盟等[5]进行了高强圆钢管混凝土短柱轴心受压试验,并与规范计算公式进行对比,结果吻合很好;刘晓等[6]对火灾后中空夹层高强钢管高强混凝土的抗弯性能进行了分析研究;Uy[7]对高强方钢管混凝土构件的轴压和压弯试验进行了研究;Jung等[8]对高强钢管混凝土的轴压试验进行了研究;谢旺军[9]对比了高温后普通强度钢管混凝土的轴压性能;张哲等[10]利用有限元软件ABAQUS对高强钢管混凝土的抗火性能进行了研究;杨华等[11]提出了高温后普通强度钢管混凝土轴压承载力和轴压模量简化计算公式。

目前对高温普通钢管混凝土研究较多[12-13],而对高强钢管混凝土的研究主要集中在常温下[14-15],对高温后高强钢管混凝土的研究还未见报道。本文采用有限元软件ABAQUS,通过与已有试验数据对比,确定正确的有限元模型,然后对高温后高强方钢管混凝土轴压短柱所经历的历史最高温度、钢管强度、混凝土强度参数进行分析,分析各参数对构件极限承载力的影响,同时对高强钢管和混凝土之间的相互作用机制进行研究。

1 有限元模型

1.1 材料本构关系

1) 混凝土。高温后混凝土采用文献[16]提出的本构关系公式:

(1)

其中:

式(1)中:β为钢管初应力系数;η为轴力坐标值;ε为应变;εot为高温后的纵向应变;σ为应力;σot为高温后纵向应力。

2) 钢材。高温后钢材采用文献[17]钢材本构关系公式

(2)

式中:fyt为高温后钢材屈服强度;fut为高温后钢材极限强度;Est为高温后钢材弹性模量;εut为钢材达到极限强度时对应的极限应变;p为应变硬化指数;εyt为屈服应变;εpt为钢材发生应变硬化时对应的初始应变。

1.2 模型的建立

1) 单元的选取。整个高温后高强方钢管混凝土构件共分为钢管部件、核心混凝土部件、上下两端盖板部件3个部分,因为各部件的尺寸大小、材料性质和受力方式不同,所以要根据每个部件的具体情况分别设置不同的结构单元。其中钢管采用4节点减缩积分格式(S4R)的壳单元,壳单元采用Simpson积分,沿厚度方向采用9个积分点;混凝土采用8节点减缩积分格式,单元类型选择3维实体单元(C3D8R)。利用已选的材料本构公式对各个材料参数进行赋值。

2) 接触面的定义。高温后高强方钢管混凝土短柱构件之间的接触主要分为外层钢管和混凝土之间的接触、上下盖板和外层钢管的接触、上下盖板和混凝土之间的接触,各个部件之间的接触有切线和法线方向。钢管和混凝土之间的接触方式为切线方向采用罚摩擦公式,摩擦系数取0.6;法线方向为硬接触。其余部件的接触方式均采用切线方向无摩擦、法线方向为硬接触的接触方式。所有的接触关系中选择刚度大的作为主表面,刚度小的作为从表面。

3) 网格划分。采用边布种的方式进行网格划分。两端盖板及钢管混凝土采用精度为0.02的边布种的方式进行网格划分,划分后的构件网格如图1所示。

图1 有限元网格划分Fig.1 Finite element mesh generation diagram

1.3 模型验证

采用混凝土本构关系式(1)、钢材本构关系式(2)和上述建模方法对文献[13]、文献[18-19]中的各钢管混凝土轴压试验构件进行模拟,试验构件具体参数见表1,有限元模拟结果曲线与试验结果曲线对比情况见图2。对数据处理计算得到有限元模拟的极限承载力与各试验构件的极限承载力比值的平均值为1.04,方差为0.113 1,说明构件受力全过程的模拟曲线和试验曲线吻合较好,验证了本文所建立模型的正确性。

表1 试验构件参数Table 1 Parameters of test components

2 参数分析

2.1 模型的基本参数

本文选用的所有试件的长度为450 mm,外边长为150 mm,钢管厚度为4 mm,模型两端盖板尺寸为170 mm×170 mm。选取了试件所经历的历史最高温度t、钢材强度等级、混凝土强度等级等参数,分析各参数对构件极限承载力的影响。部分有限元模型构件的具体参数见表2。

表2 部分模型具体参数Table 2 Specific parameters of some models

2.2 构件经历的历史最高温度

利用有限元软件ABAQUS对构件施加轴向压力,得到载荷-位移曲线。图3表示同一强度钢材在经历不同温度后极限承载力的变化情况。从图中看出,当构件经历相同温度时,随着钢材强度增加,构件产生相同位移变化所需载荷也不断加大;当温度从20 ℃上升到400 ℃时,构件的极限承载力并无明显变化,载荷-位移曲线整体趋势大致相同;当温度超过400 ℃后,试件极限承载力迅速下降,600 ℃时高强方钢管混凝土试件的极限承载力是常温(20 ℃)下的78.55%,700 ℃时试件的极限承载力是常温下的65.45%,800 ℃时试件的极限承载力是常温下的56.41%。这主要是因为当温度小于400 ℃时,温度的变化对高强混凝土的各项性能影响并不大,但是超过400 ℃时,高强混凝土强度和弹性模量迅速降低[20],混凝土逐渐退出工作,对构件极限承载力的贡献比逐渐降低;其次,随着温度升高,钢材力学性能也逐渐下降,二者共同作用导致高强方钢管混凝土构件的极限承载力降低。

(a) Q460(b) Q550(c) Q690(d) Q770

2.3 钢材强度

从图3的高温后高强方钢管混凝土轴压构件的载荷-位移曲线可以看出,随着钢材强度的增加,构件的极限承载力也随之增大。当构件所经历最高温度为700 ℃和800 ℃时,下降段更平缓,延性更好,这是因为混凝土随着温度的升高逐渐退出工作,钢材冷却后承载能力有一定恢复,所以随着温度的增加,构件的后期延性较好。

图4为构件所使用的钢材强度等级对构件极限承载力的影响,从图中的数据可以得出:与选用Q460钢材强度的方钢管混凝土构件的极限承载力相比,选用Q550钢材强度构件的极限承载力提升了11.44%;选用Q690钢材强度的极限承载力提升了28.77%;选用Q770钢材强度的极限承载力提升了39.07%。可以明显看出,随着钢材强度的增大,高强方钢管混凝土构件的极限承载力也逐渐增大。

图4 钢材强度对构件极限承载力的影响Fig.4 The influence of steel strength on the ultimate bearing capacity of members

2.4 混凝土强度

图5为不同强度混凝土构件极限承载力-温度曲线,从图中可以看出,同一温度下增加混凝土的强度,构件的极限承载力均有所提高:常温条件下(20 ℃),使用C75、C80混凝土比使用C65混凝土的构件极限承载力分别增加6.64%和10.01%; 200 ℃条件下,使用C75、C80混凝土比使用C65混凝土的构件极限承载力分别增加7.77%和11.54%; 400 ℃条件下,使用C75、C80混凝土比使用C65混凝土的构件极限承载力分别增加7.34%和10.97%;600 ℃条件下,使用C75、C80混凝土比使用C65混凝土的构件极限承载力分别增加5.47%和8.28%; 700 ℃条件下,使用C75、C80混凝土比使用C65混凝土的构件极限承载力分别增加3.95%和5.85%; 800 ℃条件下, 使用C75、C80混凝土比使用C65混凝土的构件极限承载力分别增加2.44%和3.67%。可见,600 ℃后混凝土强度等级对极限承载力影响越来越小, 800 ℃时几乎无影响, 这主要是因为超过600 ℃后, 混凝土的承载能力随着温度的升高而降低, 且冷却后不可恢复。 所以温度越高, 混凝土的强度等级对整个高强方钢管混凝土构件的极限承载力影响越小。

图5 混凝土强度对构件极限承载力的影响Fig.5 The influence of concrete strength on the ultimate bearing capacity of members

3 机制分析

图6为HSC4-1高强方钢管混凝土构件的应力(σ)-应变(ε)曲线,图6中受力点O、A、B、C应力分布如图7所示。点O为构件受到轴向压力的起始点;点A为弹性阶段结束的点;点B为构件达到极限承载力的峰值点;点C为构件纵向应变达到0.02的点。OA为弹性阶段,此阶段曲线呈直线状态,钢管和混凝土单独工作,方钢管未出现变形,核心混凝土没有被压碎;AB为弹塑性阶段,此阶段钢管混凝土共同工作,随着载荷的增大,混凝土开始向外膨胀,外钢管对混凝土有套箍作用,构件弯角区域开始出现应力集中现象;BC为下降阶段,点B为构件的极限承载力峰值点,点B后承载力逐渐下降,混凝土被压碎退出工作,外钢管发生局部屈曲导致失稳,钢管对混凝土的套箍作用降低。从图8构件纵向应变变化曲线中可以看出,混凝土对构件承载力的贡献比逐渐下降,整个构件的极限承载力下降,构件后期的承载力主要由高强钢材承担。

图6 HSC4-1构件应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curve of HSC4-1 members

(a) 点O(b) 点A(c) 点B(d) 点C

图8 纵向应变变化曲线Fig.8 Longitudinal strain curve

4 结 论

1) 通过有限元模拟和数据分析得出,当构件所经历的历史温度在400 ℃之内时,极限承载力几乎不受温度影响,构件所经历的历史温度超过400 ℃后,高强方钢管混凝土构件的极限承载力随着温度的升高逐渐下降;构件的极限承载力随着钢材强度等级和混凝土强度等级的增加而增大,但混凝土强度等级对构件极限承载力的影响随着所经历的历史温度的升高而减小,800 ℃时极限承载力几乎不受使用混凝土强度等级影响。

2) 典型构件的应力-应变曲线分为弹性阶段、弹塑性阶段和下降阶段,构件经历高温条件后,混凝土的各项性能损失严重,后期承载力主要由高强钢材承担。