掺入煤矸石胶凝材料的混凝土钢管梁柱节点抗震性能有限元分析

2022-11-23王海任李翔宇

粘接 2022年11期

彭军，王海任，李翔宇

(1.榆林学院建筑工程学院，陕西榆林 719000；2.榆林市榆阳区自然资源调查与规划中心，陕西榆林 719000)

20世纪70年代开展了对煤矸石的综合利用工作，煤矸石综合利用产品可替代一次性建材资源，一般来说煤矸石在混凝土中的应用主要包括2种：一种是将煤矸石作为粗细骨料掺入混凝土中；另一种是将煤矸石作为胶凝材料掺入混凝土中。在混凝土中加入粉煤灰、硅灰等工业废料部分取代水泥可以降低混凝土内部有害孔的数量，可节约水泥，提高混凝土强度、耐久性，极大降低混凝土水化热。同时，煤矸石作为粗骨料加入混凝土中，可更进一步提升混凝土中胶凝材料的水化进度；加入煤矸石的量越多，活性越好，对胶凝材料的水化作用就越显著。因此，采用煤矸石制备建筑材料可以有效地减少建材工业对自然材料的需用量的同时，也节省了能源，减少了成本，缓解了环境污染的重荷。近几年，钢管混凝土具有强度高，塑性、韧性好，承载能力强性能，在土木工程界的应用越来越广，尤其在高层及超高层建筑中。将煤矸石自密实混凝土应用于钢管混凝土中，本文借助其他学者的试验结论，进而采用有限元方法分析方钢管煤矸石混凝土梁柱节点的抗震性能。

1 试验方案

1.1 煤矸石自密实混凝土配合比计算

按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)的规定，进行煤矸石混凝土配合比设计、试配与调整，最终达到混凝土工作性能与力学性能的标准。具体计算如下：

(1)粗骨料质量：mg=Vg·ρg；

(2)砂浆体积：Vm=1-Vg；

(3)砂体积和质量：Vs=Vm·Фs，ms=Vs·ρs；

(4)浆体体积：Vp=Vm-Vs；

(5)胶凝材料表观密度：根据各自材料的相对含量与表观密度得出：

1.2 配合比试验方案设计

结合JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》，经试配过程中不断的调试，确定煤矸石型自密实混凝土配合比。煤矸石型自密实混凝土水胶比均取0.3，砂率均定为43%。在煤矸石型自密实混凝土中，煤矸石等量替代天然石比例取为15%，粉煤灰等量替代水泥的比例为10%，硅灰等量替代水泥的比例定为5%；具体配合比如表1所示。

表1 煤矸石自密实混凝土试验配合比Tab.1 Test mix ratio of coal gangue self compacting concrete kg/m3

2 有限元模型材料参数和尺寸

2.1 钢材的本构关系模型

依据钢材在往复循环荷载作用下的特点，本文选取双斜线性模型建立方钢管煤矸石混凝土的钢材骨架线，即弹性段和强化段，来模拟钢材的弹塑性阶段。弹性段采用初始弹性模量E，强化段弹性模量为0.01E[1]。本文选用ABAQUS软件随动强化模型建立钢材本构关系模型，同时考虑了包辛格效应。

2.2 核心煤矸石混凝土的本构关系

在往复循环荷载下，为充分考虑方钢管对核心煤矸石混凝土的约束作用，本文采用单轴受压的钢管轻集料混凝土中核心轻集料混凝土的本构模型代替核心煤矸石混凝土的本构关系模型。同时，为了合理地模拟煤矸石混凝土的刚度退化和裂面咬合效应等因素，文中选用ABAQUS软件中提供的混凝土损伤模型(Concrete Plastic Damage)进行模拟分析[2-3]。

2.3 构件尺寸

试件钢管采用Q235钢材，fy=235 N/mm2，Es=2.1×105，泊松比取0.3。钢管内填充C30煤矸石混凝土，其中煤矸石掺量为15%，水胶比为0.3，砂率为45%；具体试件参数如表2所示。

表2 有限元模型试件参数Tab.2 Specimen parameters of finite element model

3 有限元模型的建立

3.1 单元类型选取

本文采用S4R壳单元模拟钢管和钢梁，因与长度相比，结构的宽度相对较小。采用这种结构模型可以极大降低计算繁杂度，提高模拟速度，可以较好地模拟岀材料的塑性性能与材料受力后的应力等多种特征。本研究中，使用了ABAQUS有限元软件系统，它具有颇强的非线性分析功能，通过建模进一步研究混凝土轴压工作性能受到粘接强度的影响，在具体分析之际，明确了混凝土、钢材之间的本构关系模型；同时，还完成了单元遴选、细分单元网格，明确了边界条件，给出了界面接触处理等[8-9]。采用C3D8R单元模拟方钢管柱内的煤矸石混凝土，8个节点的线性实体，缩减积分、沙漏控制，可以输入混凝土压缩与拉伸损伤的功能选项，更好地反映钢管混凝土在受复杂荷载作用时的应力-应变损伤情况。盖板相对整体构件刚度要大很多，采用8个线性六面体单元模拟，其弹性模量为1×1012MPa，泊松比为0.000 1。图1为方钢管煤矸石混凝土梁柱节点构件(Base构件)的有限元分析模型[10]。

图1 有限元模型Fig.1 Finite element model

3.2 界面模型设定

模拟钢管与煤矸石核心混凝土的界面模型处理至关重要，钢管与煤矸石法线方向采用硬接触，可以通过界面法向的接触单元传递压力，切线方向采用粘接滑移，即库仑摩擦模型。除此之外，还有钢梁和加载板、盖板与混凝土、钢管与盖板之间的接触。

3.3 单元网格划分

通过有限元法对结构进行分析，是当前典型的离散化数值分析法。离散化就是通过有限大小单元，在数个结点之上进行相互对接，于是就能产生离散结构物，这样就能将原先的弹塑性体分析，转变成离散结构分析。在此过程中，网格划分显然是颇为关键性的步骤，需要对种子进行设置，从而完成网格密度的控制，细分网格密度对有限元精度进行很好影响。若是划分的网格过密，就会投入较多的计算时间，同时也耗费更多的资源；若是划分的网格过于粗糙，那么计算的精度往往不能满足要求，甚至会产生错误[11-13]。为此，在离散化处理结构之际，需要对网格密度进行科学调控，然后在此基础上选择合适的网格划分技术、算法等，而且还需要注重计算的收敛性。

3.4 边界条件设定及加载方式

本边界条件：由于钢管柱长径比为5，所以假设不考虑失稳效应。钢管柱顶端、底端均按支座铰接模拟，钢梁远离节点区的2侧、2端中心点上约束其竖向位移来模拟2端与刚性支杆的铰接，加载方案如图2所示。先在柱顶施加轴力，当施加至预定轴力稳定后在梁端施加对称集中力。

图2 加载方案示意图Fig.2 Loading diagram

(1)根据轴压比的大小，在柱顶端施加轴向荷载加至轴力稳定。(2)在保证轴压比不变的条件下，在粱端施加低周往复荷载。梁端施加的竖向位移按Δy/2、Δy、2Δy、3Δy、4Δy…的位移控制加载方式进行，每级位移循环1次，直至试件破坏[14]。

4 方钢管煤矸石核心混凝土梁柱节点有限元分析

4.1 滞回性能分析

滞回曲线反映的是在低周反复荷载作用下，P与结构某点位移之间的关系，综合体现了构件的抗震性能。JD-1试件在循环荷载作用下的滞回曲线如图3所示。JD-1试件在循环荷载作用下能够完成5Δy竖向位移的循环，在由5Δy进入6Δy循环时滞回曲线有下降的趋势。在破坏前的各次循环中强度和刚度没有明显降低，卸载曲线和加载曲线的弹性部分接近平行，滞回曲线饱满、稳定，呈仿锤型，表明节点连接具有较强的耗能能力[15]。

图3 JD-1滞回曲线Fig.3 Hysteresis curve of JD-1

4.2 骨架曲线对比分析

骨架曲线是将P-Δ滞回曲线中加载级的第1循环峰值点所连成的，即滞回曲线的包络线。它能够更直观地反映结构的强度、变形等性能。试件JD-1和JD-3的骨架曲线如图 4所示。

由图4可知，骨架曲线大致呈S形，说明试件在低周往复荷载作用下经历了3个阶段：第1阶段为弹性阶段，在此阶段初始刚度没有显著变化[16-17]；第2阶段为强化阶段，即节点的刚度变小；第3阶段为破坏阶段，此阶段曲线变化缓慢，说明节点具有良好的延性，JD-1和JD-3骨架曲线在压缩峰值低时没有出现明显变化，刚度退化不明显[18]。随着压缩峰值的增加，JD-3骨架曲线强度要低于JD-1骨架曲线，表明结构含钢量下降，在压缩峰值较低时影响较小；随着压缩峰值的增加，结构强度会发生明显下降。JD-2和JD-4骨架曲线对比可以看出含钢量越大，刚度越大，承载力越高。

图4 骨架曲线对比图Fig.4 Comparison of skeleton curves

4.3 粘接强度对轴压工作性能的影响分析

在分析有限元模型时，需要对粘接强度参量进行综合考虑，具体是基于此模型，对混凝土界面与钢管之间的摩擦系数进行考虑。在使用相关算法时，此系数使用了3种不同的系数，亦即0.6、0.3和0，该系数用m表示；若该系数为0，意味着没有出现粘接现象；若为0.6，则可以将其视作完全粘接。典型算例条件为：方钢管或者圆钢管的混凝土界面外边长、外径，使用B(D)表示，其大小为40 cm，钢管的壁厚、样件的长度、钢材的屈服强度分别使用t、L和fy表示，具体值为0.93 cm、120 cm、345 MPa。核心混凝土立方体抗压强度使用fcu表示，大小为60 MPa[19-20]。粘接强度对这2种钢管混凝土轴压试件的载荷-变形关系曲线有着类似的影响规律，粘接强度对曲线弹性阶段缺乏足够的影响；在粘接强度提升下，钢管混凝土轴压极限承载力会显著提升，对应增长幅度不超过5个百分点。粘接强度对混凝土的竖向应力分布产生相应影响，若是完全粘接，对应的混凝土应力值就会稍微增大，由此产生的影响并不显著。