L形方钢管再生混凝土组合异形柱轴压力学性能研究*

马腾飞 陈志华 杜颜胜

(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)

0 引 言

钢结构住宅以其抗震性能优越、工业化程度高、施工速度快等一系列优点,成为目前最具发展潜力的装配式住宅之一[1-5]。钢结构住宅体系具有充分的灵活性、可改性和安全性,有利于满足人民对现代生活的需求。与普通钢结构住宅结构相比,方钢管混凝土组合异形柱结构表现出独特的优势。方钢管混凝土组合异形柱,截面形式可以是L形、T形或十字形,见图1,其中的单肢采用方钢管混凝土,具有较好的抗剪性能,由于内填混凝土的存在,单肢方钢管混凝土不会出现明显的局部屈曲现象,因此,方钢管混凝土柱表现出良好的塑性和承载力。方钢管混凝土组合异形柱最大的特点是可以包裹在墙体内部,节省建筑面积,室内不显露凸角,方便家居布置[6]。

a—L形(用于角柱); b—T形(用于边柱); c—十字形(用于中柱)。图1 方钢管混凝土组合异形柱Fig.1 Special-shaped column composed of concrete-filled square steel tubes

再生混凝土是指将废弃的混凝土块经过破碎、清洗、分级后,按一定比例与级配混合,部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料),再加入水泥、水等配制而成的新型绿色混凝土。再生混凝土是处理废弃混凝土、降低建筑垃圾危害的有效途径。有研究表明,掺入再生骨料后,混凝土的强度和弹性模量较低、收缩性和徐变较大[7-8],但是,将再生混凝土灌入钢管内,使其受到钢管的约束,可以改善再生混凝土的力学性能。目前,对于方钢管混凝土组合异形柱的研究工作主要是对方钢管与普通混凝土组合的方钢管混凝土组合异形柱的研究[9-19],未见对方钢管再生混凝土组合异形柱的研究,因此,有必要研究方钢管再生混凝土组合异形柱的力学性能。在试验研究的基础上,通过数值模拟,对L形方钢管再生混凝土组合异形柱进行轴压性能的参数化分析,得到了一系列结论。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 有限元模型的建立

试验构件中的异形柱由钢管、混凝土、连接板及加劲肋组成,其中钢管、加劲肋和连接板采用有限应变壳单元Shell 181模拟,混凝土采用钢筋混凝土实体元Solid 65模拟。钢管与混凝土之间的接触采用面-面接触形式[6,20]。

钢管、连接板及加劲肋模型采用双线性随动强化BKIN模型,应用Mises/Hill屈服准则[21],其本构关系如式(1)。

(1)

式中:Es为钢材的弹性模量,当进入强化阶段后,弹性模量为αEs,α为取值0.01的系数;fy和εy分别为钢材的屈服应力和屈服应变。

再生混凝土采用考虑钢管约束的混凝土损伤塑性模型[22],其本构关系如式(2)。

(2)

式中:σ0和ε0为经过约束系数ξ调整后的峰值应力和应变;fy为钢管的屈服强度;As为钢管的横截面积;fc为再生混凝土的抗压强度;Ac为再生混凝土的横截面面积。

模型中混凝土的侧面作为刚性面,用Targe 170单元模拟;方钢管的侧面作为柔性面,用Conta 173单元模拟。在柱底约束所有结点的X、Y、Z方向的平动自由度,柱顶所有结点耦合到一个结点上,约束该结点在X和Y方向上的平动自由度,并在该结点上施加轴压荷载。模拟的边界条件与试验边界条件保持一致。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2 数值模拟与试验结果对比

利用有限元分析软件ANSYS建立不同粗骨料取代率的L形方钢管再生混凝土组合异形柱模型,并对其进行轴压荷载作用下的受力分析。与试验结果相似,数值模拟的轴压荷载作用下,L形方钢管再生混凝土组合异形柱的破坏模式表现为绕弱轴的整体失稳破坏。试验与数值模拟结果的荷载对比信息列于表1中,“ZX”代表粗骨料取代率为X%的试验构件。从结果可以看出,数值模拟的屈服荷载和峰值荷载与试验结果相差均在合理范围之内,数值模拟结果较为准确。

表1 试验与数值模拟结果对比Table 1 The comparison between experimental results and simulated ones

试验与数值模拟的荷载-竖向位移对比曲线如图3所示,由曲线可见,刚度吻合良好。从数值模拟的结果来看,随着粗骨料取代率的提高,方钢管再生混凝土组合异形柱的屈服荷载与峰值荷载呈现单调递减趋势。总体来看,数值模拟的曲线与试验曲线吻合良好。从轴压荷载-竖向位移曲线可以看出,当粗骨料取代率为0%、20%和40%时,在试验构件的弹性阶段结束后,会出现明显的弹塑性阶段,进而进入塑性阶段;而当粗骨料取代率为60%、80%、100%时,在试验构件的弹性阶段结束后,弹塑性阶段并不明显,有直接进入塑性阶段的趋势。这说明,当粗骨料取代率在40%以下时,再生粗骨料的加入对方钢管再生混凝土组合异形柱的破坏形态影响较小;而当粗骨料取代率大于40%时,再生混凝土的初始损伤对方钢管再生混凝土组合异形柱力学性能的影响较为明显。

a—Z0; b—Z20; c—Z40; d—Z60; e—Z80; f—Z100。试验; 数值模拟。图3 轴压荷载-竖向位移对比曲线Fig.3 Curves of the axial load-vertical displacement

3 参数化分析

3.1 钢材强度的影响

本文以Q235、Q345、Q390、Q420、Q460为变量,研究钢材强度对L形方钢管再生混凝土组合异形柱轴压力学性能的影响。各种不同取代率情况下,L形方钢管再生混凝土组合异形柱的峰值荷载随钢材强度变化曲线如图4所示。可以看出,随着钢材强度的提高,不同粗骨料取代率情况下的方钢管再生混凝土组合异形柱的峰值荷载均呈上升趋势。当粗骨料取代率为0%和20%时,钢材强度由Q235提高到Q345时,构件的峰值荷载增幅最大,达到16%左右。其余情况上升增量基本相同,为12%左右。钢材强度由Q235提高到Q460时,不同粗骨料取代率情况下的各构件的轴压承载力的上升增量基本相同,均增加了43%左右。此外,由图4可见,当钢材强度相同时,不同粗骨料取代率情况下的各试件的轴压承载力略有差异,基本趋势为,粗骨料取代率越大,其轴压承载力越小。由此可见,通过提高钢材强度,可以有效提高方钢管再生混凝土组合异形柱的轴压承载力。

图4 轴压荷载-钢材强度曲线Fig.4 Axial load-steel strength curves

3.2 钢材厚度的影响

为研究钢材厚度对L形方钢管再生混凝土组合异形柱轴压力学性能的影响,选取了3.75,5.75,7.75,9.75,11.75,13.75,15.75,19.75 mm 8种不同的钢材厚度进行轴压极限承载力比较,这里所说的改变钢材厚度是指钢管壁厚、连接板厚度及加劲肋厚度3种厚度同时做改变。轴压荷载作用下,不同粗骨料取代率下的L形方钢管再生混凝土组合异形柱的极限承载力变化曲线如图5所示。钢材厚度由3.75 mm提高至19.75 mm时,不同粗骨料取代率的试件的轴压承载力提高了272%～331%,且粗骨料取代率越高,增大钢材厚度时,其轴压承载力提高幅度越大,其中粗骨料取代率为100%时的增幅最大,为331%左右。此外,由图5可见,当钢材厚度相同时,不同粗骨料取代率情况下的各试件的轴压承载力略有差异,基本趋势为,粗骨料取代率越大,其轴压承载力越小。这说明,可以通过提高钢材厚度的方法,提高L形方钢管再生混凝土组合异形柱的极限承载力。

图5 轴压荷载-钢材厚度曲线Fig.5 Axial load-steel thickness curves

3.3 方钢管宽度的影响

为研究方钢管宽度对L形方钢管再生混凝土组合异形柱轴压力学性能的影响,模拟了100,150,200 mm 3种不同的方钢管宽度(方钢管截面边长宽度)情况下的极限承载力。此外,还模拟了在不同的钢管厚度情况下,3种不同的方钢管宽度对L形方钢管再生混凝土组合异形柱轴压力学性能的影响。轴压荷载-方钢管宽度曲线如图6所示。由图6可见,钢管厚度相同的情况下,随着方钢管宽度的增加,不同粗骨料取代率情况下的L形方钢管再生混凝土组合异形柱的轴压承载力均呈上升趋势。相同粗骨料取代率下,方钢管宽度由100 mm增至150 mm时,各试件的轴压承载力增加幅度在45%～82%之间,方钢管宽度由100 mm增至200 mm时,各试件的轴压承载力增加幅度在84%～178%之间。总体趋势为,在相同的钢材厚度情况下,粗骨料取代率越小,提高方钢管的宽度,其轴压承载力的增幅越大。此外,由图6可以看出,在方钢管宽度相同的情况下,随着钢材厚度的增大,L形方钢管混凝土组合异形柱轴压承载力呈上升趋势。这表明,可以通过增加方钢管宽度的方法提高L形方钢管再生混凝土组合异形柱的轴压承载力。

a—Z0; b—Z20; c—Z40; d—Z60; e—Z80; f—Z100。钢材厚度3.75 mm; 钢材厚度7.75 mm; 钢材厚度11.75 mm; 钢材厚度15.75 mm; 钢材厚度19.75 mm。图6 轴压荷载-方钢管宽度曲线Fig.6 Axial load-square steel tube width curves

3.4 连接板宽度的影响

为研究连接板宽度对L形方钢管再生混凝土组合异形柱轴压力学性能的影响,选取100,150,200 mm 3种不同的连接板宽度,对其进行参数化分析。共模拟了钢管厚度分别为3.75,7.75,11.75,15.75,19.75 mm 5种不同钢管厚度情况下,不同连接板宽度的L形方钢管再生混凝土组合异形柱的轴压承载力。轴压荷载-连接板宽度曲线如图7所示。由图可见,当连接板宽度一定时,随着钢材厚度的增大,轴压承载力呈上升趋势。在相同的钢材厚度情况下,增大连接板宽度,并不能使得轴压承载力逐渐提高。当粗骨料取代率为0%时,在相同钢材厚度情况下,随着连接板宽度的增大,试件的峰值荷载有所增加,但增幅不大。当粗骨料取代率为20%时,随着连接板宽度的增大,试件的峰值荷载几乎不变或有较小增幅。当粗骨料取代率大于40%时,当钢管厚度大于15.75 mm时,试件的峰值荷载保持不变或增幅较小。因此,整体来看,不建议采用增大连接板宽度的方法提高试件的峰值荷载。

4 结束语

1)建立的数值模型模拟结果与试验结果吻合良好,可以采用所用的数值模拟方法模拟试件的轴压力学性能。

2)当粗骨料取代率小于40%时,再生粗骨料的加入对方钢管再生混凝土组合异形柱的破坏形态影响较小;而当粗骨料取代率大于40%时,再生混凝土的初始损伤对方钢管再生混凝土组合异形柱力学性能的影响较为明显,会降低构件的弹塑性变形能力。

3)在工程设计中,可以采用提高钢材强度、增大钢材厚度、增大方钢管宽度等方法,提高构件的峰值荷载。不建议采用增大连接板宽度的方法提高构件的峰值荷载。