十字形钢管混凝土柱抗震性能有限元分析

2022-04-26MdSajibHossain刘孝禹肖家浩

四川建材 2022年4期

Md.Sajib Hossain，刘孝禹，肖家浩，翟荃，杨浩

(1.长江大学城市建设学院，湖北荆州 434023；2.深圳市恒泰基建筑工程有限公司，广东深圳 518055)

0 前言

钢管混凝土结构作为一种传统组合结构，其不仅具备钢结构和混凝土结构自重轻、承载力强、延性好的优点，而且以钢管代替混凝土结构内部钢筋和外部施工模板，大大简便了施工过程。由于钢管混凝土结构优良的力学性能，这种结构已经被广泛地应用于高层建筑当中[1-3]。然而，随着城市化进程的不断推进，城市居住面积日渐紧缺，传统矩形和圆形的钢管混凝土结构不再能满足实际使用的需求。为解决工程需要，异形钢管混凝土结构作为一种新型组合结构被提出[4]。异形钢管混凝土结构继承了矩形和圆形钢管混凝土结构的优点，同时可以避免室内倒角的出现，从而节约室内面积，便于空间的利用。对于这种新型结构，近年来已有许多学者对其进行了试验研究和有限元模拟[5-6]。

熊清清等[7]以轴压比、宽厚比、长细比、钢管截面尺寸和材料强度为变量，建立了L形钢管混凝土柱的有限元模型，其模拟结果与实际试验吻合较好，并提出了L形钢管混凝土柱的水平承载力计算公式。许逸民等[8]采用ABAQUS对3组不同长细比、高宽比、偏心距的T形钢管混凝土长柱进行了单向偏压试验。结果表明，试件偏心距越大，其承载力越低，但延性越好。雷敏[9]在以往T形钢管混凝土中长柱偏心受压试验的基础上，对T形钢管混凝土柱的轴压稳定性进行了有限元研究，试验提出了稳定承载力系数计算公式。然而，大部分学者的研究集中于T形和L形截面，对十字形截面研究较少。

本文使用ABAQUS软件建立了十字形钢管混凝土柱模型，以钢管壁厚、长宽比和轴压比为变量对9根十字形钢管混凝土柱进行了低周反复荷载试验，并与实际试验结果相比较，分析了不同变量对其抗震性能的影响。

1 有限元模型

1.1 试件参数设计

本文设计了9根十字形钢管混凝土柱，所有柱长均为1 400 mm，十字形钢管由一个矩形钢管与两个U形钢板焊接得到，所有钢材均采用Q235级钢，钢管截面如图1所示。钢管内部浇筑C40混凝土，并封有上下盖板。为保证有限元分析结果与试验数据对比的相关性，试件参数均与文献[10]一致，具体试件参数如表1所示。

图1 十字形钢管截面(单位：mm)

表1 试件参数表

1.2 有限元模型建立

采用ABAQUS软件对试件进行低周往复荷载下的有限元分析。为准确模拟钢管对管内混凝土之间的套箍作用，将钢管与混凝土的相互作用属性设置为面与面的接触，切向摩擦系数设置为0.25。矩形钢管与两块U形钢板采用绑定约束，使得组成十字形钢管的各构件连成一个整体。钢管的上下盖板设置为刚体以保证其在模拟过程中不会出现变形，对于上盖板只允许其产生水平力加载方向上的位移与转角，而下盖板限制其全方向上的位移和转角。有限元模拟时所加的竖向荷载和水平荷载均由试验值确定。有限元模型网格的划分如图2所示。

图2 网格划分

2 抗震性能分析

2.1 破坏模式

图3为有限元模拟得到的应力云图。通过观察发现，有限元模拟构件的破坏发生在十字形柱的底部加劲肋的上方，且受力方向上的U形钢板底部应力最为集中，而矩形钢管及其内部混凝土变形不大。这是由于十字形钢管侧面的两肢在加载中间接受力，减轻了矩形钢管及其内部混凝土的变形。有限元模拟结果与试验现象一致，证明本文模型能较好模拟十字形钢管柱的破坏过程。

(a)钢管混凝土柱

(b)钢管

(c)混凝土

2.2 滞回曲线

图4展示了试件在低周往复荷载下的有限元模拟滞回曲线。与试验值相比较，模拟值的滞回曲线没有明显的捏缩现象，说明有限元模型过大地估计了试件的抗震性能。这可能是由于有限元模型没有考虑实际构件的初始缺陷和循环荷载下的损伤积累。在试件的最大承载力上，模拟值与试验值拟合较好，对实际工程具有借鉴意义。表2为试件极限承载力的模拟值和试验值。从表2中可以发现，随着试件钢管壁厚与长宽比的增大，其极限承载力也相应增大；而试件轴压比增大时，其极限承载力减小。本文有限元模型能较好模拟试件各相关参数对极限承载力的影响。