中空夹层钢管钢筋混凝土长柱压弯扭力学性能分析

王兴雨, 王建超

(沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳 110168)

0 引言

中空夹层钢管钢筋混凝土柱是两根钢管之间浇筑钢筋混凝土而成,相比于普通的中空夹层钢管混凝土柱而言,该类构件具有更高的承载能力和延性,可应用于塔杆、高层建筑和桥梁工程中。目前,中空夹层钢管混凝土柱在压弯扭共同作用下的力学性能研究较为充分,如黄宏[1-2]对方中空夹层钢管混凝土压弯扭构件进行了试验研究和工作机理分析,作者指出当构件轴压比n大于 0.2时,抗扭承载力降低。洪志坚[3]对圆中空夹层波纹钢管钢筋混凝土短柱进行了轴压试验,试验表明构件破坏模式为剪切破坏,波纹管壁厚越大,构件承载能力和延性显著提高。一般来讲,工程中的构件很少有单一的受力状态,因此对于复杂受力状态下构件性能研究是很有必要的。钢管钢筋混凝土柱是指一种新型的钢混组合结构,该类构件在复合受力下的力学性能研究较少,为此本文对压弯扭共同作用下的圆中空夹层钢管钢筋混凝土长柱进行有限元模拟,考察偏心率、体积配箍率及混凝土强度等参数对构件力学性能的影响,总结各参数对构件的影响规律,同时对典型构件进行了受力全过程分析。

1 有限元模型

1.1 模型参数

文献[4]指出当Le/D>4时为长柱,其中Le为柱的计算长度,D为截面直径。本文采用λ=μl/i的方法计算构件的长细比,μ为长度系数。本文圆中空夹层钢管钢筋混凝土长柱的参数为:柱高L=3600 mm,长细比λ=46,外钢管外直径D0=600 mm,内钢管外直径Di=180 mm,钢管壁厚t=10 mm,外钢管为Q345,内钢管为Q235,纵筋采用8根直径为φ16 mm钢筋,箍筋间距为100 mm,纵筋和箍筋均为HRB400级,保护层厚25 mm。模型截面网格划分示意如图1所示。模型参数见表1。

图1 模型网格划分示意

1.2 各材料的本构模型

钢管采用文献[5]中所建议的五阶段本构关系式。钢筋采用双折线本构模型,强化段的弹性模量为0.01ES,钢材的弹性模量ES和泊松比μs分别为206 GPa和0.3。混凝土采用ABAQUS中的塑性损伤模型,夹层混凝土的单轴受压和单轴受拉本构关系分别按照文献[6]和文献[7]中的建议选取。不同强度混凝土的弹性模量EC按照文献[7]取值,泊松比μc为0.2。

1.3 单元类型、相互作用及边界条件

钢管和混凝土的单元类型均采用C3D8R,纵筋和箍筋采用T3D2。钢筋笼嵌入混凝土中,钢管与混凝土之间选择表面与表面接触,其中混凝土表面为从面(Slave),钢管表面为主面(Master)。钢管与夹层混凝土的法向行为采用硬接触,切向行为采用库伦摩擦模型,摩擦系数为0.6[5]。模型两端的边界条件为底端固定,加载端自由。加载板与柱的两端采用绑定连接,通过加载板上的RP1点先施加恒定偏心荷载并保持不变,然后在加载板中心位置RP2点处施加转角位移UR3,几何初始缺陷即初始偏心距按照L/1 000取值[8]。构件有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

2 参数分析

2.1 偏心率

图3给出了不同偏心率时构件扭矩(T)-转角(θ)的关系曲线。偏心率的变化对于加载初期的刚度没有影响,但是偏心率增大导致构件的抗扭承载力和延性降低。模型NMT-ER02、模型NMT-ER05和模型NMT-ER08的扭矩分别为1 637.59 kN·m、1 592.54 kN·m 和1 421.72 kN·m,偏心率为0.5和0.8的构件抗扭承载力较偏心率为0.2的构件抗扭承载力分别降低2.75%和13.18%。

图3 偏心率率对扭矩-转角曲线的影响

2.2 混凝土强度

图4给出了不同混凝土强度对构件扭矩(T)-转角(θ)关系曲线的影响。混凝土强度的变化对于加载初期的刚度没有影响,混凝土强度增加会使构件的抗扭承载力有一定程度的提高。模型NMT-CS30、模型NMT-CS40和 模型NMT-CS50的扭矩分别为1 637.59 kN·m、1 680.80 kN·m 和1 711.20 kN·m,混凝土强度为C40和C50的构件抗扭承载力较C30的构件抗扭承载力分别提高2.64%和4.50%。

图4 混凝土强度对扭矩-转角曲线的影响

2.3 体积配箍率

图5所示为不同体积配箍率对构件扭矩(T)-转角(θ)关系曲线的影响。同样地,体积配箍率的变化只会提高构件的抗扭承载力。模型NMT-SV53、模型NMT-SV14和 模型NMT-SV21的扭矩分别为1 637.59 kN·m、1 701.45 kN·m 和1 756.72 kN·m,体积配箍率为2.1%和1.36%的构件抗扭承载力较体积配箍率为0.53%的构件抗扭承载力分别提高3.90%和7.30%。

图5 体积配箍率对扭矩-转角曲线的影响

3 受力全过程分析

本节选取NMT-ER08进行受力全过程分析,其扭矩(T)-转角(θ)关系曲线如图6所示,图中A点表示构件的扭矩大约达到0.7Tu、B点表示构件达到极限抗扭承载力Tu,C点表示加载结束。在各特征点时钢管应力分布和混凝土塑性应变分布见图7～图9。

图6 NMT-ER08扭矩-转角曲线

图7 外钢管应力分布

图8 混凝土塑性应变分布

图9 内钢管应力分布

(1) 弹性阶段(OA):构件在受到偏心荷载作用的同时,逐渐施加转角位移,此时A点扭矩为1 010.81kN·m,钢管刚好达到屈服强度值,混凝土纵向塑性应变最大值为936 με,钢筋应力为254.3 MPa。构件处于弹性工作阶段,扭矩-转角为线性关系。

(2)弹塑性阶段(AB):继续施加转角位移,会发现扭矩的增长速度远慢于转角的增长速度,在B点之前外钢管已经屈服,混凝土纵向塑性应变迅速发展,纵向应变最大值为7 630 με,出现在构件与加载板的连接处,从混凝土塑性应变分布可知,此时混凝土外边缘应变已经超过了极限压应变值。受力钢筋的应力为371.1 MPa,已屈服。

(3) 塑性阶段(BC):由于钢管壁厚较大,且两钢管对核心钢筋混凝土有较强的约束作用,使构件具有较高的延性。在达到极限扭矩值后,扭矩-转角曲线呈现出缓慢平稳的下降,在C点时,构件的扭矩为1 328.93 kN·m,内钢管已经屈服。

4 结论

(1) 当轴压比一定,偏心率由0.2增大到0.8时,压弯扭共同作用下的圆中空夹层钢管钢筋混凝土长柱的抗扭承载力降低13.18%,相比于提高混凝土强度等级,增大体积配箍率更有利于提高圆中空夹层钢管钢筋混凝土长柱的抗扭能力。

(2) 偏心率、体积配箍率或者混凝土强度等级变化对加载初期的刚度影响很小。

(3) 压弯扭共同作用下的圆中空夹层钢管钢筋混凝土长柱其受力过程可分为弹性、弹塑性和塑性三个阶段,由于两个钢管能够提供较强的约束作用,使构件具有较高的承载能力和抵抗变形的能力。