矩形中空夹层钢管混凝土短柱轴压性能数值分析

2023-11-23刘世明白鹏坤郜致峣

科学技术与工程 2023年30期

刘世明,白鹏坤,郜致峣

(1.华北水利水电大学河南省生态建材工程国际联合实验室,郑州 450045; 2.华北水利水电大学土木与交通学院,郑州 450045)

钢管混凝土(concrete filled steel tube,CFST)及中空夹层钢管混凝土(concrete filled double skin steel tube,CFDST)构件具有优良的耐腐蚀性、耐久性及较大的强重比,已广泛应用于桥塔、拱肋、墩柱等构件中[1-2],其中中国尊外框柱、梨川桥桥塔及舟山大猫岛输电塔柱均运用了钢管混凝土技术。CFDST相较于CFST结构具有质轻、延性好及防火性能优异等优势[3-4]。现有关于钢管混凝土的研究主要集中在截面形式、加劲形式、材料和钢管混凝土构件之间的连接等。王灿灿等[5]进行的试验及有限元分析表明,圆形高强CFDST轴压构件承载力随混凝土强度的提高而增加,随空心率及含钢率的增加而降低。叶斌等[6]和Wang等[7]关于不锈钢管混凝土构件的研究结果表明,不锈钢可以提供更大的应变硬化和延展性,但是高昂的价格使其得不到大规模的使用。黄宏等[8]开展5根大空心率方中空夹层钢管超高性能混凝土短柱轴压试验分析,指出空心率越大,试件的承载力越低且超高性能混凝土所承受的荷载占比越小。王亚晋等[9]基于验证过的有限元模型,研究了典型矩形钢管混凝土压弯剪构件的受力全过程关系曲线,分析了剪切荷载角度、轴压比、剪跨比、钢材强度、含钢率等参数对其受力性能和承载力的影响规律。谢力等[10]对矩形CFDST和 CFST短柱的轴压试验表明,外管截面尺寸较大者其轴压承载力略高。

已有研究中多集中于矩形CFDST柱的整体受压性能,而忽略了内钢管对受压性能的影响,且由于矩形CFDST构件其长短边的差异所造成复杂的约束作用及受力机理值得进一步的探究。现结合已有的试验数据,采用ABAQUS有限元分析软件分析韩林海混凝土本构、陶忠混凝土本构[11]及混凝土规范GB50010—2010[12]对于CFDST柱的适用性。考虑内外钢管径厚比、夹层混凝土强度等参数变化,设计60个数值分析试件,得到各参数对CFDST短柱的受压承载力、延性性能和混凝土-钢贡献率的影响规律。

1 有限元模型的建立

1.1 钢材本构

钢材应力-应变关系式采用五段式二次塑流模型。Le等[13]认为由于夹层混凝土的存在使钢管的残余应力及局部缺陷的影响最小,因此在有限元模型中未考虑钢管的残余应力与初始缺陷。

1.2 混凝土本构

1.3 单元类型

钢管混凝土柱中的混凝土使用8节点实体单元(C3D8R)模拟,薄壁钢管使用四节点曲壳单元(S4R)模拟。经试算,当钢管和混凝土的网格尺寸分别采用5 mm和10 mm时模型达到最佳的收敛性及计算精度。

1.4 接触及边界

在钢管柱的上下两端分别设置弹性模量较大的刚性板,其对结构性能没有贡献,只是作为轴向位移的工具。将钢管和上下端板采用耦合约束连接。上下端板与混凝土之间采用“tie”绑定连接。钢管与混凝土接触面的法线方向采用“硬”接触,切线方向使用库伦模型,摩擦系数为0.6。考虑对称性,有限元模型中仅考虑1/4模型,在对称轴建立相应的对称边界。试件底端盖板约束3个方向的平动位移。上端盖板耦合到参考点RP1,对其施加轴向位移荷载。有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

2 有限元模型的验证

为了快速准确地构建有限元模型,采用python平台开发了CFST柱和CFDST柱的参数化自动建模程序。选取5根CFST柱[1]及6根CFDST柱[10,17]已有的试验柱进行了有限元分析,试件具体参数和有限元预测结果如表1和表2所示,典型的荷载应变关系曲线和破坏模式如图2和图3所示。由表2、图2和图3可知,有限元模型能总体模拟CFST和CFDST短柱的受压过程和破坏形态。与试验承载力比值均值在0.99～1.05,其中采用韩林海本构的有限元模型得到的荷载应变关系曲线与试验曲线更接近,能更准确地预测试验过程,对试验承载力预测的标准差和变异系数最低。

表1 试验试件参数

表2 试验与有限元分析结果对比

图2 试验结果与有限元结果对比

3 参数研究

为研究几何和材料特性对轴压性能参数的影响规律,设计5组,共60个试件,如表3所示。模型外钢管尺寸设置为D0×B0=300 mm×250 mm,内钢管尺寸为Di×Bi=150 mm×100 mm,内外钢管的屈服强度均为450 MPa,柱的长度取L=3D0,以避免整体屈曲。参数模型主要基于内外钢管径厚比(D0/t0和Di/ti)及混凝土强度(fcu),其中D0/t0取30～60,Di/ti取20～50,混凝土强度范围为45～75 MPa。模型编号表示为“C-D0/t0-Di/ti”,例如,C-30-20-45表示D0/t0为30,Di/ti为20,fcu为45 MPa的CFDST柱。

3.1 轴压性能指标

(1)轴向极限承载力为

Nu=-4RFu

(1)

式(1)中:RFu为参考点U3方向最大反力。

(2)延性指标。为判断构件的延性性能,延性指标PIsd的计算公式[18]为

(2)

式(2)中:εu为峰值后轴向荷载降至极限荷载90%时的轴向应变;εy取ε0.75/0.75,其中ε0.75表示轴向荷载达到其极限荷载75%时所对应的应变。

(3)混凝土-钢贡献率(concrete-steel contribution ration,CSCR)。Ekmekyapar等[3]用CSCR值评估CFDST柱相较于CFST柱的性能。

(3)

式(3)中:Nu,CFDST为矩形CFDST柱极限轴向承载力;Nu,CFST为矩形CFST极限轴向承载力。

3.2 破坏机理分析

试件破坏时内外钢管的破坏形态和对应破坏位置混凝土轴向应力如图4和图5所示。由图4可知,内、外钢管受到夹层混凝土的约束而分别向内、外产鼓曲,夹层混凝土对钢管的支撑效果明显。由图5可知,当达到极限承载力时,CFDST构件中截面的混凝土轴向应力略大于对应的CFST构件,表明内钢管对夹层混凝土有一定的支撑作用,使得其处于三向受压状态,便于提升构件强度。

图4 CFDST柱钢管破坏形态

图5 极限荷载时中截面混凝土轴向应力云图

3.3 D0/t0的影响

外钢管D0/t0变化对CFDST延性和极限轴向承载能力的影响如图6和图7所示。由图6和图7可知,当fcu和Di/ti相同时,CFDST柱延性指标和极限荷载均随着D0/t0的增加呈现下降变化。因为D0/t0的增加意味着外钢管厚度的减小,夹层混凝土填充的区域增加,而混凝土的强度和延性都低于钢材,且外钢管厚度减小的同时对夹层混凝土的约束效果降低,构件出现延性和极限轴向承载能力的降低是合理的。CFDST柱在D0/t0从30增加到60时,平均延性指标和承载力分别降低了23.6%和26.4%。

图6 D0/t0对延性的影响

图7 D0/t0对极限承载力的影响

3.4 Di/ti的影响

在相同D0/t0及fcu下,Di/ti对CFDST柱轴压性能的影响如图8和图9所示。相较于CFST柱,CFDST柱在Di/ti比率为20时,延性指标及极限荷载出现了明显的增加,在D0/t0和fcu分别为30和45 MPa时,CFDST柱延性指标和强度分别增加了24.5%和18.6%。从图8中可以看出,随着fcu的增加,CFDST柱相较于CFST柱表现出更好的延性,在fcu达到75 MPa时,Di/ti在0～50范围内CFDST柱的延性均优于CFST柱。CFDST柱的延性指标及极限承载能力随Di/ti的增加而降低。相较于CFST柱核心混凝土被钢管所代替,CFDST柱具有更好的延性和极限承载能力,随着Di/ti的增大,管壁厚度减小,CFDST柱的延性和极限承载能力随Di/ti比率的增大呈现减小的趋势。

图8 Di/ti对延性的影响

图9 Di/ti对极限承载力的影响

由表3可知,较薄的外钢管和较低强度的夹层混凝土可获得最大CSCR值。由于较薄的外管和较低的fcu对柱压缩能力的影响并不显著,且较薄外钢管不能对夹层混凝土提供可靠约束,因此,试样C-60-20-45产生最大的CSCR值为1.26。内钢管越薄的CFDST柱可以通过选择更薄的外管和更低的fcu来实现较大的CSCR值。同样,由于较薄的外管和较低fcu的CFDST构件强度和延性较差,此时内钢管的贡献变得非常重要。

3.5 fcu的影响

fcu对轴压性能的影响如图10所示。由图10可知,随着fcu的增加,CFDST柱的延性指标表现出降低的趋势,这是因为夹层混凝土伴随着fcu的增加脆性增加,从而导致CFDST柱的延性降低。CFDST柱极限承载力随着fcu的增加而大幅度增加,fcu从45 MPa增加到75 MPa,CFDST柱的极限承载能力均提升18%以上,增加fcu是提高CFDST柱承载力的有效方法。