内约束方钢管混凝土柱抗震性能研究

2022-11-17刘崇旺赵辉川尹奕翔

世界地震工程 2022年4期

张涛，史科，薛茹，刘崇旺，赵辉川，尹奕翔

（1.郑州航空工业管理学院土木建筑学院，河南郑州 450000；2.郑州航空港区建港实业有限公司，河南郑州 450000；3.天津大学机械工程学院，天津 300354；4.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075）

引言

方钢管混凝土柱以其力学性能卓越、稳定性好、节点施工方便且易采取防火措施等优点，被广泛地应用于机场和桥梁等实际工程中［1］。同圆形钢管混凝土相比，方钢管对混凝土的约束作用较弱，延性较差，因此其抗震性能长期以来困扰着工程界。针对此问题，各国专家和学者提出了不同的约束形式，以增强钢管对混凝土的约束作用和改善钢管的局部屈曲性能，从而提高其承载力和延性［2］。MAO等［3］提出在方钢管外壁的上下端部增设3种约束形式钢套管：整体钢板、3段钢条及3段角钢，其可推迟钢管壁的局部屈曲和塑性铰的出现，延性明显增大。由于角焊缝的工艺问题，极限承载力和刚度提升不明显；WANG等［4］试验研究栓钉方钢管混凝土柱的抗震性能，低轴压比时栓钉可明显改善钢管曲屈，而高轴压比时栓钉对钢管曲屈和整体耗能影响较小；ZHANG等［5］开展了带肋薄壁方形截面钢管混凝土柱的抗震性能试验研究，四边设肋试件的抗震性能明显优于对边设肋试件，尤其是在高轴压比下。

实际工程中，因超大尺寸钢管混凝土柱在施工过程中钢管壁厚过大引起焊接困难，薄壁钢管混凝土柱应运而生，但由于截面含钢率较低从而减弱其抗震性能。墩柱的薄弱环节位于端部截面，因此从降低用钢量和提高经济性角度出发，本文借鉴《钢筋混凝土结构抗震设计》中节点区域箍筋加密的理念，提出在弯矩较大的柱端部区域钢管内表面焊接双向对拉箍筋的内约束方形钢管混凝土柱。

为初步了解内约束方钢管混凝土柱的抗震性能，首先，采用ABAQUS有限元软件模拟低周反复荷载作用下内切圆环箍筋和通长焊接对拉钢筋等两种约束形式内约束方钢管混凝土柱的滞回性能，通过量化分析，笔选出最优约束形式；进而分析不同轴压比下内约束方钢管混凝土柱的内约束拉筋最佳布置范围，使得内约束方钢管混凝土柱中弯矩较小的部位不布置内约束拉筋时也具有与柱内约束拉筋通长布置时相同的抗震性能。最后分析轴压比、长细比、截面含钢率和体积配箍率等参数对内约束方钢管混凝土柱滞回性能的影响。

1 有限元模型与验证

1.1 材料本构关系

核心混凝土采用塑性-损伤本构模型，其参数设置见表1，骨架曲线采用丁发兴等［6］提出的应力-应变关系统一计算式（1），式中参数见表2，适用范围为C30～C120，即：

表2 ABAQUS软件中混凝土的骨架曲线参数取值Table 2 Parameters of concrete skeleton curve in ABAQUS software

式（1）中的参数见表1；损伤变量采用DING等［8］提出的基于弹性模量损伤的计算值；受压刚度复原因子（Wc）为0.8；受拉刚度（Wt）为0.2。

表1 ABAQUS软件中混凝土的基本参数Table 1 Basic parameters of concrete in ABAQUS software

循环荷载下钢材、钢筋和盖板采用丁发兴等［6］提出的ABAQUS中参数表示的钢材混合强化模型，以反映钢材的屈服面及包辛格效应。模型中的6个参数设置见表3，零塑性应变处的屈服应力及等效应力取实测的屈服强度fy，其他4个参数由试验结果标定。

表3 ABAQUS软件中钢材参数设置Table 3 Parameters setting of steel in ABAUQS software

1.2 单元类型和相互作用

首先，为提高计算精度和便于收敛，采用8节点减缩积分格式的三维实体单元（C3D8R）模拟方钢管、核心混凝土以及盖板，采用两结点线性三维桁架单元（T3D2）来模拟对拉钢筋和圆环箍筋；其次，有限元模型的相互作用为：（1）对拉箍筋或圆环箍筋与方钢管采用合并（Merge）模拟实际中两者之间的焊接，然后嵌入于（Embed）核心混凝土；（2）采用库伦摩擦型接触模拟方钢管与核心混凝土之间的相互作用，其由法线方向的“硬接触”和切向方向的“粘结滑移（摩擦系数为0.5）”组成；（3）盖板（主面）与柱顶（从面）采用绑定（Tie）约束形式，其中盖板设置为刚性板；最后，采用结构化网格划分技术对有限元模型进行划分，如图1所示。

图1 模型网格划分Fig.1 Mesh generation of mode

内约束方钢管混凝土柱有限元模型采用与试验相同的边界条件和加载方式：内约束方钢管混凝土柱底部完全固定约束，为保证模型处于面内受力和变形状态，对刚性加载板约束Z方向自由度。全过程采用位移控制加载，加载时先沿柱长方向加轴力至恒定，再在柱顶部逐渐进行水平位移加卸载。

1.3 试验验证

本文一共选取6根（内约束）方钢管混凝土柱试件进行有限元验证［7-8］。图2为有限元模型计算分析得到的力-位移滞回曲线与文献试验结果的对比，图3为有限元计算和试验骨架曲线对比，图4为组合柱试验破坏和有限元破坏形态对比。首先，由图2-3可以看出：有限元计算滞回曲线、骨架曲线与试验曲线整体吻合较好；其次，有限元结果与试验水平极限承载力最大偏差为5.2%；最后，rch1的最大应力区域集中在钢管中部、下部与试验中钢管鼓曲范围相同，配置柱端拉筋后，rch2、rch3和rch4的钢管底部鼓曲明显减小，如图4所示。以上验证结果表明：本文采用的建模方法、相互作用和单元类型等条件是合理的，可为后续抗震性能研究提供依据和参考。

图2 滞回曲线计算结果与试验结果的比较Fig.2 Comparisons between hysteretic calculated curves and tested ones

图3 骨架曲线计算结果与试验结果的比较Fig.3 Comparisons between load-displacement skeleton calculated curves and tested ones

图4 有限元破坏形态与试验破坏形态比较Fig.4 Typical failure mode of FE results and experimental results.

2 有限元分析

通常地震作用下墩柱的破坏主要位于端部塑性铰区域，从降低含钢率和提高经济性的角度考虑，参考《钢筋混凝土结构抗震设计》中在节点区域箍筋加密的设计理念，本文提出了在弯矩最大的柱端区域钢管内表面焊接拉筋的构造措施，以提高钢管、核心混凝土以及拉筋之间的相互作用，从而增强方钢管混凝土柱的抗震性能和耗能能力。图1和图5为（内约束）方钢管混凝土柱截面示意图和三维详图。

图5 CFT柱与SC-CFT柱截面形式Fig.5 Section types of CFT columns and SC-CFT columns

2.1 不同内约束形式的影响

采用有限元方法考察对拉钢筋和内切圆环箍筋两种束形式对方钢管混凝土柱的抗震性能的影响。柱长（L）为1 200 mm，边长（B）为400 mm，混凝土强度（fcu）为40 MPa，钢管屈服强度（fs）为235 MPa，钢管壁厚（t）为4.82 mm（含钢率（ρ）为0.05）；拉筋（对拉钢筋或圆环箍筋）屈服强度（fsv）为335 MPa，拉筋沿柱长方向和横截面方向间距（S）为50 mm×100 mm，体积配箍率ρv=0.015（拉筋直径φ=7.72 mm，圆环箍筋直径φ=10.67 mm）。内约束方钢管混凝土柱的滞回曲线和极限承载力对比图6和表4所示。由图6及表4可知：（1）相同轴压比下，对拉箍筋方钢管混凝土柱滞回曲线更饱满，无捏缩现象，承载力更高，整体刚度退化小，延性更好，其次是圆环箍筋和普通组合柱；（2）高轴压比（如n=0.8）下普通方钢管混凝土柱钢管容易过早屈服，

图6 不同约束方式SC-CFST柱滞回曲线对比Fig.6 Comparisons of hysteretic curves on SC-CFST columns with different constraints

表4 不同轴压比下3种SC-CFST柱极限承载力的比较Table 4 Ultimate bearing capacity of SC-CFST columns under different axial compression ratios

虽然钢管强化后柱子的滞回环变得饱满，但普通柱过早屈曲将加大灾后维修成本，内约束方钢管混凝土柱的抗震性能更好，在地震区高层建筑的高轴压比柱中，建议采用钢管焊接对拉钢筋的内约束方钢管混凝土柱，能达到较好的抗震效果。

2.2 焊接拉筋布置范围的影响

通常，地震作用下方钢管混凝土框架柱仅在底部和顶部出现局部屈曲而破坏，因此需要确定焊接拉筋的布置范围以达到通长布置焊接拉筋的效果。以内约束方钢管混凝土柱“基础算例”为基础，探讨柱长和轴压比对柱底焊接拉筋最优布置范围的影响。柱长（L）分别为800、1 200和2 000 mm，轴压比（n）范围0.2～0.8。

通过有限元分析，比较通长焊接对拉钢筋与底部mB倍长度范围内焊接对拉内约束方钢管混凝土柱的滞回性能，三种长度类型的内约束方钢管混凝土柱的优化焊接对拉钢筋布置范围结果如图7（a）所示，有限元计算曲线如图7（b）所示（图中L表示通长焊接对拉钢筋，B表示柱底B长度范围内焊接对拉钢筋）。因此在进行方钢管混凝土柱抗震设计时，可根据不同的轴压比情况，选择最优的柱端部焊接对拉钢筋布置范围，达到节约钢材和减少拉筋焊接工作量的目的。超高层建筑中底层柱子的轴压比最大，此时柱截面最大以至于柱子长度与截面宽度比值较小，由于轴压比很大，此时对内约束方钢管混凝土柱内部混凝土采用底部一半柱长方向加密焊接对拉钢筋来约束混凝土柱为宜。

图7 拉筋范围的影响Fig.7 Effect of terminal stirrup region

2.3 体积配箍率的影响

为探讨体积配箍率对组合柱抗震性能的影响，以“基础算例”为基础，选取柱长L=1 200 mm的内约束方钢管混凝土柱，采用最优配筋范围焊接拉筋（轴压比n=0.8时，通长拉筋），体积配箍率ρv分别为0.015（φ=7.72 mm）和0.03（φ=10.92 mm），其他参数保持不变。计算得到的不同轴压比下两种体积配箍率的内约束方钢管混凝土柱的极限承载力值比较见表5，部分典型滞回曲线如图8（a）-图8（b）所示。

图8 体积配箍率对SC-CFT柱滞回曲线的影响Fig.8 Effects of volume-stirrup ratio on the hysteretic curve of SC-CFT columns

表5 不同体积配箍率下水平极限承载力对比Table 5 Comparisons of ultimate bearing capacity under different volume-stirrup ratio

由上可知：提高体积配箍率，柱的极限承载力增加，滞回环更饱满，且在高轴压比情况下，极限承载力提高得更多。当轴压比（n）为0.8时，在箍筋用量不变，比较ρv=0.015柱子通长配拉筋和ρv=0.03柱子底部半长配拉筋的内约束方钢管混凝土柱的滞回性能，计算曲线见图8（c），可以看出：底部半长加密配拉筋的内约束方钢管混凝土柱极限承载力比通长配拉筋柱大，且滞回环更饱满。图9为轴压比（n）为0.8时不同配箍率下内约束方钢管混凝土柱破坏时混凝土和钢管的应力变形云图，可见提高体积配箍率明显改善了柱子的应力和变形。

图9 SC-CFT柱破坏时混凝土和钢管的应力与变形云图Fig.9 Stress and deformation nephogram of concrete and steel tube in and SC-CFT columns

2.4 轴压比的影响

选取“基础算例”，柱长L=1 200 mm，轴压比n分别为0.2～0.8，柱底部焊接对拉钢筋方钢管混凝土柱进行轴压比分析，焊接拉筋范围按本文提出的最优配筋范围取值，计算得到滞回曲线如图10（a）所示。整体上看：轴压比对内约束方钢管混凝土柱的滞回曲线的饱满程度影响较小，且均比较饱满无明显捏缩现象。当轴压比从0.2增大到0.4时，组合柱的极限承载力和初始刚度增大；而当轴压比从0.4增大到0.8时，其极限承载力和初始刚度逐渐减小。

2.5 截面含钢率的影响

采用“基础算例”进行含钢率影响的分析，柱长L=1 200 mm，轴压比取0.4，钢管壁厚度t取4.82 mm（含钢率ρ=0.05）和7.55 mm（含钢率ρ=0.08）两种，柱底部B范围焊接对拉钢筋。图10（b）为计算得到的不同含钢率下内约束方钢管混凝土柱的滞回曲线。由图10（b）可知：随着组合柱含钢率增大，其滞回曲线更加饱满，无明显捏拢现象，初始刚度和极限承载力均明显提高，延性更好，下降段明显放慢。

2.6 长细比的影响

选取柱长L=800 mm、1 200 mm和2 000 mm三种高度的内约束方钢管混凝土柱，轴压比n取0.4，其他参数与基础算例保持相同。长细比对组合柱滞回性能的影响如图10（c）所示。从图10（c）可看出：（1）随着长细比的增大，其滞回线逐渐呈现捏缩现象，下降越明显；（2）长细比越大，其极限承载力、初始刚度以及延性越差。

2.7 耗能分析

采用有限元软件ABAQUS隐式分析功能考察（内约束）钢管混凝土柱的能量耗散，定量分析地震作用下结构的能量输入和耗散。本文对“基础算例”进行耗能分析，分析不同轴压比（n=0.2、0.4和0.8）下内约束方钢管混凝土柱总耗能、各部件耗能以及耗能比例，如图11所示。由图11可知：（1）首先可以看到钢管所占总耗能比例最大，混凝土和拉筋次之；（2）拉筋能提高结构的整体耗能，轴压比越大耗能提高越明显；（3）随着轴压比提高试件的整体耗能增加，加入拉筋后钢管耗能比例减小，而混凝土耗能比例增大。