型钢混凝土T形柱基于ABAQUS抗扭力学性能分析

刘 雯

（安徽水利水电职业技术学院 建筑工程学院，合肥 231603）

0 引言

随着现代高层建筑的更快发展和更高要求，越来越多的建筑采用了型钢混凝土异形柱结构。相关研究表明型钢混凝土异形柱轴压比相比于普通钢筋混凝土柱提高了约40%[1],柱子的截面将会显著减少[2]。工程中在钢筋混凝土柱中设置型钢的优点是能使混凝土结构柱承受较大荷载提高抗震性能[3]。

近年来，众多学者研究了型钢混凝土T形柱的抗震性能，文献[4]通过15个该截面构件的低周反复荷载试验，研究了该类型截面构件的抗震破损机理。文献[5]通过ABAQUS与MIDAS/Gen软件分析了钢骨混凝土T形柱的抗震性能。文献[6]对4根不同配钢形式和轴压比试件进行低周反复荷载试验研究钢-混凝土组合T形柱的抗震性能。型钢异形柱的复杂受力特性使得其抗扭性能受到关注。文献[7]针对型钢混凝土异形柱结构进行了空间地震模拟试验,获得了该结构的动力特性。

混凝土的塑性发展易引起型钢异形柱的损伤。文献[8]在考虑不同的加载制度、轴压比、配钢率等因素影响下，将不同形式的水平荷载加载于SRC异型柱研究其损伤行为。文献[9]利用加权系数法实现对型钢混凝土异形柱结构的地震损伤分析。

本文为了全面了解型钢混凝土T形柱在抗压扭复杂受力性能时的影响因素，采用ABAQUS软件对该类型柱进行非线性有限元分析，考虑混凝土塑性发展，分析三组具有不同轴压比和不同钢骨率的模型得到的两组参数对构件抗扭力学性能的影响。

1 混凝土损伤塑性模型基本理论

ABAQUS有限元分析软件使用非关联多硬化塑性和各向同性塑性相结合的方式描述了混凝土破碎过程中发生的不可恢复的损伤[10]。

1958年，Kachanov引入损伤的概念，定义连续性变量为

令σ为Cauchy应力，单轴拉压时

由P=σA=σ'A’可得到：

其后Rabotnov又提出损伤变量：

因为微缺陷的存在，有效承载面积由A减小至A'，D即为损伤因子。

ABAQUS是利用材料的各向同性建立混凝土损伤塑性模型的，通过设置受力前的初始值0和破坏后损伤因子1来实现的。

再利用Sidiroff的能量等价原理建立材料受损前与受损后宏观变量的关系[11-12]。

损伤材料弹性余能为

等效有损伤材料弹性余能为

可以得到Ed=Ec(1-D)，进一步可以推导出：

其中，Ed为承载损伤后的弹性模量，Ec为初始弹性模量，ε为混凝承载过程中的应变。

本文损伤演化方程推导采用规范[11] 中的混凝土塑性损伤公式：

式中：ac为混凝土单轴受压应力-应变下降段参数值；fc,r为混凝土单轴抗压强度代表值；εc,r为与单轴抗压强度代表值相对应的应变；dc为单轴受压损伤演化参数。

根据文献[11]本模型采用各参数为：C40混凝土εc,r=1.59× 10-3，αc=1.168，先假定混凝土损伤应变，再由公式（9）计算损伤参数dc，再由式（8）计算出应力大小。表1与图1为计算结果。

图1 C40混凝土受压损伤因子-非弹性应变曲线图

表 1 混凝土受压行为与损伤因子

2 模型的本构验证

为了验证ABAQUS中模型与本构关系的有效性，以文献[13-14]中试验构件TZ-1与TZ-2为研究对象，将本文数值模拟结果与文献实验数据结果进行比对。

TZ-1材料参数：C40混凝土，纵筋为Φ8圆钢，箍筋为Φ6.5圆钢；型钢为L50×5，工字钢为I10；柱肢厚度100 mm，肢宽300 mm，柱长1 200 mm，箍筋为复合箍筋，间距150 mm，加密区在上下柱高度1/3处，间距100 mm。

TZ-2材料参数：C60混凝土，纵筋为Φ6圆钢，箍筋为Φ4@100全长加密，试件高度为600 mm，钢骨采用8 mm厚度的Q235焊接钢板。构件截面如图2、图3所示。

图2 TZ-1 SRC截面

图3 TZ-2 SRC截面

2.1 本构关系

本文模型中的混凝土本构关系采用文献[11]所建议的曲线建立。

型钢混凝土柱可划分为两个部分：箍筋外无约束混凝土区和箍筋内有约束混凝土区。认为箍筋外的混凝土处于单轴受压状态。利用ABAQUS软件进行单调加载，钢材采用理想弹塑性模型的单轴应力-应变关系，无应力屈服点，混凝土和钢材的应力-应变曲线如图4和图5所示。

图4 混凝土受压的应力应变曲线

图5 钢筋、钢骨应力应变曲线

设计轴压比均取1.0，根据下式计算出设计承载力，结果见表2。

表 2 本构验证构件实验参数及结果

式中：fc为混凝土抗压强度；fs为型钢抗压强度；fy为钢筋抗压强度。

2.2 边界条件与加载方式

本实验采用静力加载方式，根据实际边界条件，把SRC柱底部节点固定。轴向压力可由轴压比得到，为解决柱顶集中荷载的应力集中，可将钢垫块垫在柱顶位置，然后设置一些参考点并在参考点施加集中荷载，解决应力集中问题，最后在柱顶单调加载直至SRC柱破坏。对于纯扭分析同样采用一端固定，一端自由设置参考点与型钢连续性耦合，为了解决混凝土塑性应变在纯扭分析中难收敛的问题，可以在参考点加载转角位移，然后查看后处理中的反应扭矩。

在本文模型中，构件单元均采用C3D8R单元（八节点减缩积分三维实体单元）。纵筋与箍筋选用Truss，T3D2单元。在模拟构件的压扭时，构件的内部单元会产生扭曲，所以优先采用缩减积分单元。本文采用逐步细化网格的方法，建立的有限元模型见图6和图7。

图6 TZ-1分析模型

图7 TZ-2分析模型

2.3 计算结果对比分析

ABAQUS有限元模型可得到构件在不同静力加载阶段截面应力分布和变形情况。图8-图11分别是TZ-1与TZ-2的位移云图以及荷载-纵向变形与实验结果的曲线对比。TZ-1柱和TZ-2柱的实验极限承载力分别为1 084 kN和1 495 kN。

图8 TZ-1位移云图

图9 TZ-2位移云图

图10 TZ-1异形柱试件的荷载-纵向变形曲线对比

图11 TZ-2异形柱试件的荷载-纵向变形曲线对比

表3列出了TZ-1柱和TZ-2柱在屈服荷载和位移与极限荷载和位移分别在理论分析和实验结果上的比较。从对比结果可以看出，分析结果和实验结果误差较小，模型本构比较合理。

表3 模拟与实验结果对比

3 压扭影响参数分析

为了进一步研究T形截面钢骨混凝土柱在不同钢骨率和不同轴压比情况下对柱子抗扭承载力的塑性变形的影响，建立了两组分析模型，柱高采用常用高度3 m的T形截面柱，箍筋全长采用φ8@100/150，其他条件不变。

第一组模型轴压比与钢筋配置不变，单是分别取TZ-3、TZ-4和TZ-5的钢骨率为6.97%、10.33%和13.60%。

第二组取TZ-4为研究对象，只改变轴压比，设置轴压比为0.6、0.8、1.0。

钢筋全部采用HRB335，型钢采用Q235，混凝土为C60，可以根据公式（13）计算出TZ-4在z轴压比为0.6、0.8、1.0时的设计承载力分别为5 273 kN、7 031 kN、8 789 kN。

分别得到扭矩与扭率的关系曲线作对比，结果见图12和图13。

图12 不同钢骨率下的抗扭承载力对比

图13 不同轴压比下的抗扭承载力对比

4 结论

①本文在定性分析的基础上发现，钢骨混凝土异形柱在一定配筋与截面的条件下，随着钢骨率的加大抗扭承载力有所提高，在10%左右时型钢与混凝土协同抗扭效果较好，对于大于10%的钢骨率的构件抗扭主要由型钢承担，且塑性下降，具体变化规律有待研究。

②对于一定合适的钢骨率的条件下，在弹性阶段扭矩轴压比较大时，逐渐加大轴压比会导致弹性扭矩逐渐减小，进入塑性阶段，随着轴压比加大，抗扭承载力明显提高，对于轴压比约0.8时抗扭承载力与塑性变形较好，适合工程采用，当大于1.0时塑性变心下降呈现一定脆性。定量分析还有待研究，希望对工程应用有一定指导作用。