L形方钢管再生混凝土组合异形柱压弯扭力学性能有限元分析

2023-07-12马腾飞陈志华杜颜胜张宇桐

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2023年3期

马腾飞,陈志华,杜颜胜,张宇桐,马斌

(1.天津大学建筑工程学院,天津 300072;2.北华航天工业学院建筑工程学院,河北廊坊 065000;3.廊坊市城市建设工程集团有限公司,河北廊坊 065000)

高层钢管混凝土框架结构住宅中,柱子会凸出墙体,占用室内空间,且家居布置不便。与传统的方形、矩形截面柱子相比,方钢管混凝土组合异形柱可埋置于墙体内部,达到不“凸梁露柱”的效果。每年因新建或拆除建筑物会产生大量废弃混凝土,得不到及时处理的废弃混凝土占用了大量土地资源,造成环境污染,而再生混凝土是处理废弃混凝土的有效途径之一[1]。大量研究表明,与天然混凝土相比,再生骨料的加入对混凝土的力学性能会有不同程度的影响,而将再生混凝土填充到钢管内,可充分发挥钢管与再生混凝土二者的优势[2-9]。

目前,对于方钢管混凝土组合异形柱的研究较多,但大多研究都集中于方钢管普通混凝土组合异形柱的力学性能方面[10-17],少有对于方钢管再生混凝土组合异形柱的研究[18]。而且已有成果多为轴压、偏压及抗震性能方面研究,鲜有对方钢管再生混凝土组合异形柱在压弯剪扭等复合受力下的力学性能研究。L形异形柱一般作为角柱使用,角柱在地震作用下,处于一种压弯剪扭等的复合受力状态,因此有必要研究L形方钢管再生混凝土组合异形柱在压弯剪扭等复合受力下的力学性能。

笔者以L形方钢管再生混凝土组合异形柱为研究对象,以粗骨料取代率为变量,研究其在压弯、压弯扭等复合受力下的力学性能。结果表明,在相同的轴压力及弯矩作用下,随着粗骨料取代率的增大,试件的扭矩峰值和延性逐渐降低。研究成果可为L形方钢管再生混凝土组合异形柱的工程设计提供理论基础。

1 数值模型的建立及有效性验证

笔者利用ABAQUS有限元分析软件对L形方钢管再生混凝土组合异形柱进行数值模拟。钢管、连接板和加劲肋采用壳单元模拟,再生混凝土和垫板采用实体单元模拟。钢管与再生混凝土之间以法向“硬接触”连接,切向为罚函数,摩擦系数取0.4[19]。钢管、连接板与上下部垫板之间采用“Tie”命令约束。钢材采用双线性随动强化模型,屈服条件采用von-Mises屈服准则,再生混凝土本构模型采用杜颜胜等[20]提出的本构模型。模型的边界条件采用两端铰接约束形式,即约束柱底所有节点的X向、Y向、Z向自由度,柱顶所有节点耦合到荷载施加位置(形心),并约束X向和Y向自由度。

为验证数值模型建立的有效性,笔者建立的有限元模型参数与文献[18]中试件参数一致,并将模拟结果与文献[18]中试验结果进行对比。以粗骨料取代率为40%的试件为例,荷载-位移曲线对比如图1所示,破坏变形对比如图2所示。从图中可以看出,有限元数值模拟结果与试验结果吻合良好,表明笔者建立的有限元模型可以有效模拟试件的受力性能。

图1 荷载-竖向位移曲线对比图Fig.1 Comparison diagram of load-vertical displacement

图2 破坏变形对比图Fig.2 Comparison diagram of failure deformation

笔者建立的有限元模型中,轴压力、弯矩及扭矩的施加位置:轴压力N施加于截面形心,弯矩M绕X′-X′轴施加,扭矩T施加在X-Y平面内。模型及加载方式如图3所示。

图3 加载方式示意图Fig.3 Schematic diagram of loading mode

2 模拟结果分析

2.1 压扭作用结果分析

对试件进行压力和扭矩同时作用下的力学性能分析,荷载施加顺序为先将压力施加到设定的轴压比,再施加扭矩,以研究不同粗骨料取代率试件在不同轴压力作用下承担扭矩作用的能力。再生粗骨料取代率为0、20%、40%、60%、80%和100%的试件扭矩-扭转角曲线如图4所示。试件以“ZX-YFp”命名表示,试件的粗骨料取代率为X,试件的轴压力值为YFp,其中Fp为轴压加载时试件承受的轴压峰值荷载。

图4 扭矩-扭转角曲线Fig.4 Torque -torsion angle curves

从图4可以看出,相同轴压力下,不同粗骨料取代率的试件扭矩-扭转角曲线变化规律大致相似。笔者以粗骨料取代率为0%的试件为例,对其不同轴压力作用下的扭矩-扭转角曲线进行分析,结果见图5。

图5 Z0试件扭矩-扭转角关系曲线Fig.5 Torque -torsion angle curves of Z0

从图5可以看出,曲线均可分为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段。

(1)弹性阶段(OA段):曲线处于直线上升阶段,试件处于弹性工作阶段,A点为试件由弹性阶段进入到弹塑性阶段的分界点。处于弹性阶段的各试件,钢管与内部的再生混凝土不产生相互作用,钢管与其内部的再生混凝土单独承担扭矩。

(2)弹塑性阶段(AB段):随着荷载的继续增大,试件进入弹塑性阶段,曲线表现为扭矩值增幅不大,但扭转角有较大的增长,B点为试件的扭矩峰值点。处于弹塑性阶段的试件,外部钢管受扭破坏,但由于其内部存在再生混凝土,抑制了钢管发生向内的扭转凹陷现象,扭矩主要由再生混凝土承担,此阶段钢管与其内部的再生混凝土产生相互作用。在轴压力小于0.4Fp时,试件承担的扭矩未发生急剧下降,表现出了良好的延性性能。试件总体变化趋势为轴压力逐渐增大,抵抗扭转变形的能力减弱,延性降低。

(3)塑性阶段(BC段):当荷载继续增加,试件进入塑性阶段。钢管内部的再生混凝土由于扭转变形过大而失稳,试件破坏。

数值模拟结果表明,各试件的变形过程大致相似,笔者以试件Z40为例,其弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段的变形如图6所示,各试件的扭矩最大值列于表1。从表中可以看出,相同轴压力作用下,随着粗骨料取代率的增大,各试件的峰值扭矩值逐渐降低。在0.4Fp的轴压力作用下,粗骨料取代率由0提高到100%时,试件的极限扭矩值降低最多,降低幅度达22.21%。

表1 各试件的扭矩最大值Table 1 Peak torque of specimen

图6 试件Z40压扭作用下变形图Fig.6 Deformation diagram under compression and torsion of Z40

2.2 纯弯作用结果分析

为研究试件同时承受轴压力、弯矩和扭矩的共同作用下的力学性能,首先对试件进行纯弯状态下的受力分析,得出不同粗骨料取代下各试件的弯矩峰值。各试件纯弯状态下的弯矩-弯转角曲线如图7所示,弯矩峰值见表2。从图7和表2可以得出,随着粗骨料取代率的提高,试件能承担的弯矩峰值逐渐降低,粗骨料取代率由0提高到100%时,其峰值弯矩值降低了12.39%。

表2 各试件弯矩峰值Table 2 Peak flexure of specimen

图7 弯矩-弯转角曲线Fig.7 Flexure-flexure angle curves

2.3 压弯扭作用结果分析

模拟试件在压弯扭复合受力下的力学性能时,施加荷载的顺序:先施加轴向力,再施加弯矩,最后施加扭矩。模拟轴向力选取0.2Fp和0.4Fp,弯矩选取0、0.2Mp、0.4Mp和0.6Mp,其中Mp表示纯弯状态下的弯矩峰值。研究结果表明,粗骨料取代率对试件的扭矩-扭转角关系曲线影响不大。笔者以粗骨料取代率为40%的试件为研究对象,试件在不同轴压力、不同弯矩值作用下的扭矩-扭转角关系曲线如图8所示。从图中可以看出,与压扭作用下各试件的扭矩-扭转角关系曲线类似,压弯扭作用下各试件的扭矩-扭转角关系曲线也分为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段。以粗骨料取代率为40%的试件为例,试件各阶段的变形如图9所示。

图8 Z40扭矩-扭转角曲线Fig.8 Torque-torsion angle curves of Z40

图9 试件Z40压弯扭作用下变形图Fig.9 Deformation diagram under compress flexure-torsio of Z40

当轴压力分别取0.2Fp和0.4Fp时,不同粗骨料取代率下各试件随着弯矩值的增大,峰值扭矩逐渐减小,试件的延性逐渐减弱,而相同粗骨料取代率下各试件的抗扭刚度相似。当粗骨料取代率相同且在相同的弯矩值下,0.2Fp工况下的试件与0.4Fp工况下的试件对比,0.2Fp轴压力作用下各试件的峰值扭矩较大,试件抵抗扭转变形的能力较强。不同工况下的扭矩最大值见表3。从表中可以看出,相同轴压力及弯矩条件下,随着粗骨料取代率的提高,试件的抗扭承载力逐渐降低。在0.2Fp轴压力作用下,随着弯矩值的增大,试件的极限扭矩降低比例逐渐增大,这表明在0.2Fp轴压力作用下,试件最终失稳破坏是由弯矩和扭矩导致的。在0.4Fp的轴压力作用下,当弯矩作用值小于0.4Mp时,试件的峰值扭矩降低比例逐渐增大;当弯矩值为0.6Mp时,粗骨料取代率为0%和100%的试件的峰值扭矩值仅相差8.39%,这表明在0.4Fp的轴压力和0.6Mp的弯矩同时作用下,试件的弹塑性阶段很短,有直接由弹性阶段进入塑性阶段的趋势,此时试件的破坏是由轴压力和弯矩的共同作用导致。

表3 压弯扭复合受力下各试件的扭矩最大值Table 3 Peak torque of specimen under compress-flexure-torsion

以上分析表明,相同粗骨料取代率的试件,在相同弯矩值作用下,轴压力的增大会导致试件峰值扭矩降低,延性减弱;在相同的轴压力及弯矩作用下,随着粗骨料取代率的增大,试件的峰值扭矩逐渐降低。当试件承受的轴压力值大于0.4Fp且弯矩值大于0.6Mp时,试件有直接进入破坏阶段的趋势。不同粗骨料取代率下,各试件的弯矩-扭矩关系曲线如图10所示。