吳勝，申興月，李迪　(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

楊君　(武昌理工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院 ，湖北 武漢 430074)

方鋼管再生混凝土短柱軸壓力學(xué)性能有限元分析

吳勝，申興月，李迪(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

楊君(武昌理工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院 ，湖北 武漢 430074)

[摘要]為進(jìn)一步探討方鋼管再生混凝土軸壓短柱的力學(xué)性能,在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,采用非線(xiàn)性有限元軟件ABAQUS對(duì)試驗(yàn)短柱的荷載-位移曲線(xiàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬,驗(yàn)證了有限元分析模型的正確性。將鋼材強(qiáng)度、再生骨料取代率和鋼管壁厚度作為變化參數(shù),用該模型對(duì)方鋼管再生混凝土短柱軸壓力學(xué)性能進(jìn)行了非線(xiàn)性分析。研究表明,鋼材強(qiáng)度對(duì)試件荷載-位移曲線(xiàn)幅值與形狀均有影響,提高鋼材強(qiáng)度會(huì)增大試件極限承載力,而曲線(xiàn)下降段更平緩;再生骨料取代率主要影響試件極限承載力,隨著再生骨料取代率的增大,極限承載力略有減小;鋼管壁厚度對(duì)試件荷載-位移曲線(xiàn)的影響較大,隨著鋼管壁厚度的增大,試件極限承載力和加載初期剛度均有所增大,但試件延性變化不大。

[關(guān)鍵詞]方鋼管再生混凝土短柱;軸壓;力學(xué)性能;ABAQUS;有限元分析

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑物的不斷拆遷和翻新，在建造和拆除的施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄混凝土，而這些廢棄混凝土對(duì)環(huán)境的危害極大，且處理時(shí)需要耗費(fèi)巨大資金。為減小廢棄混凝土對(duì)環(huán)境污染，循環(huán)利用資源，了解再生混凝土的力學(xué)性能尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鋼管再生混凝土進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了豐碩成果[1~9]。Konno等[1,2]共對(duì)10個(gè)鋼管約束再生混凝土構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了鋼管再生混凝土柱的強(qiáng)度和變形能力，研究表明，鋼管再生混凝土柱的剛度及承載力較鋼管混凝土柱略有降低，但兩者力學(xué)性能相似；楊有福[3,4]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了鋼管再生混凝土柱的承載力與位移的關(guān)系，結(jié)果表明，再生骨料取代率大的構(gòu)件荷載-位移曲線(xiàn)下降段較陡，構(gòu)件延性差；陳夢(mèng)成等[5]對(duì)6根圓鋼管再生混凝土短柱的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元模擬，結(jié)果表明，圓鋼管混凝土短柱中是否添加再生骨料對(duì)試件破壞形態(tài)沒(méi)有影響；李軍濤等[6]研究了再生骨料取代率對(duì)方、圓鋼管再生混凝土短柱承載力的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，再生骨料取代率超過(guò)50%后，隨著取代率的增大，短柱極限承載力反而降低。

為進(jìn)一步了解方鋼管再生混凝土軸壓短柱力學(xué)性能影響因素，給工程提供參考，筆者在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了適用于方鋼管再生混凝土的ABAQUS非線(xiàn)性有限元模型，并用該模型分析了鋼材強(qiáng)度、再生骨料取代率和鋼管厚度對(duì)方鋼管再生混凝土短柱軸壓承載力的影響。

1試驗(yàn)概況

筆者共設(shè)計(jì)了3個(gè)方鋼管再生混凝土軸壓短柱，各試件的基本參數(shù)及材料力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1，其中混凝土抗壓強(qiáng)度由與試件同條件養(yǎng)護(hù)的棱長(zhǎng)為150mm的再生混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊測(cè)得，鋼材的屈服強(qiáng)度和彈性模量由鋼板做成的標(biāo)準(zhǔn)試件按《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T 228-2002)規(guī)定的方法確定。

表1　試件基本參數(shù)及材料力學(xué)性能指標(biāo)

試件使用的鋼管為Q235的無(wú)縫方鋼管，混凝土在實(shí)驗(yàn)室自拌，混凝土中原材料包括：強(qiáng)度等級(jí)32.5普通硅酸鹽水泥、河砂、天然碎石、水、再生骨料及高效減水劑FDN-5，其中再生骨料是荊州某質(zhì)檢站的廢棄混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊由破碎機(jī)和人工錘擊而成，最后經(jīng)篩分后得到，粒徑在10~30mm。混凝土的配合比為：水泥∶砂∶骨料∶水=491∶627∶1134∶147，減水劑用量取水泥用量的1%。

采用分級(jí)控制加載制度，具體為當(dāng)施加總軸壓荷載小于0.6倍的計(jì)算極限荷載前，每次施加計(jì)算極限荷載的1/15；當(dāng)施加的總軸壓荷載超過(guò)計(jì)算極限荷載的0.6倍以后，每次施加計(jì)算極限荷載的1/30，每級(jí)荷載持續(xù)2min后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行下一級(jí)加載。當(dāng)柱的壓縮量發(fā)生突變，表示柱屈服，此時(shí)連續(xù)加載，并不斷采集數(shù)據(jù)，直到試件承載力下降至極限承載力的85%以下，終止加載。

2有限元模型建立

2.1　材料本構(gòu)關(guān)系模型

1)鋼材的本構(gòu)模型目前建筑工程中常用鋼材有Q235鋼、Q345鋼和Q390鋼等，這些都是低碳軟鋼，其本構(gòu)關(guān)系比較清楚。鋼材本構(gòu)關(guān)系選用文獻(xiàn)[10]中二次流塑模型，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)分別為5段，即彈性段、彈塑性段、塑性段、強(qiáng)化段和二次束流段。該模型的的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

2)混凝土的本構(gòu)模型混凝土作為一種應(yīng)用最廣泛的建筑材料，由于不均勻性較大，導(dǎo)致其受力性能有很大的差異，因此，目前存在的混凝土本構(gòu)關(guān)系模型較多，主要有線(xiàn)彈性均質(zhì)本構(gòu)模型、非線(xiàn)性彈性模型、彈塑性本構(gòu)模型、塑性-斷裂理論模型、內(nèi)時(shí)理論模型和連續(xù)損傷理論模型等，但由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中核心混凝土受力性能的特殊性，混凝土的受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型是參考文獻(xiàn)[11～13]后提出，它既能考慮鋼管的約束作用，同時(shí)也考慮了再生骨料取代率的影響，因此該本構(gòu)模型更加合理，其具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

圖1　試件有限元模型

圖2　有限元計(jì)算曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比

2.2　單元選取與網(wǎng)格劃分

為同時(shí)提高結(jié)果精度和計(jì)算效率，鋼管采用四節(jié)點(diǎn)的減縮積分殼單元S4R，在計(jì)算過(guò)程中，該單元類(lèi)型可根據(jù)殼的剪切變形大小自動(dòng)選擇厚殼理論或薄殼理論進(jìn)行計(jì)算。核心混凝土采用8節(jié)點(diǎn)的三維線(xiàn)性實(shí)體單元C3D8R；將上下端板設(shè)置成彈性模量Es為2.0×109MPa，泊松比ν為0.001的彈性材料；使用結(jié)構(gòu)化分網(wǎng)格技術(shù)對(duì)試件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

2.3　界面模型處理與加載

該模型的界面模型包括鋼管與端板之間約束、核心混凝土與端板及鋼管與核心混凝土之間的接觸3部分。鋼管與端板之間采用Shell to Solid Coupling的方式進(jìn)行耦合約束；鋼管與核心混凝土之間相互作用通過(guò)界面方向的硬接觸和切線(xiàn)方向的粘結(jié)滑移來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用庫(kù)倫摩擦模型，通過(guò)罰函數(shù)Penalty來(lái)定義，摩擦系數(shù)取0.6，考慮小滑移作用；核心混凝土與端板之間只設(shè)置硬接觸，考慮有限滑移，直接通過(guò)位移邊界條件施加位移荷載。

3有限元模型驗(yàn)證

按試驗(yàn)短柱的實(shí)際尺寸，采用ABAQUS軟件建立了非線(xiàn)性有限元模型，并進(jìn)行了計(jì)算分析。圖2為有限元計(jì)算的荷載-位移曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)。由圖2可以看出，計(jì)算曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)變化趨勢(shì)一致，吻合較好，說(shuō)明采用該方法建立的非線(xiàn)性有限元模型能較真實(shí)反映方鋼管再生混凝土軸壓短柱的受力性能。

4影響因素分析

進(jìn)行方鋼管再生混凝土軸壓短柱承載力影響因素分析的基本算例參數(shù)為：柱截面寬度200mm，鋼管壁厚度3mm，構(gòu)件高度為600mm，鋼材屈服強(qiáng)度f(wàn)y=345MPa，核心混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=32.4MPa，再生骨料取代率為30%。

4.1　鋼材強(qiáng)度影響

圖3是鋼材強(qiáng)度f(wàn)y為420、345、235MPa的構(gòu)件荷載-位移曲線(xiàn)。由圖3可以看出，試件的極限承載力隨鋼材強(qiáng)度的增大而增大，但增大幅度越來(lái)越??；鋼材強(qiáng)度對(duì)試件彈性階段的剛度基本沒(méi)有影響，進(jìn)入彈塑性階段后，試件剛度隨鋼材強(qiáng)度的增大而略有增大，而鋼材強(qiáng)度較大的試件，其荷載-位移曲線(xiàn)的下降段下降趨勢(shì)逐漸變緩，說(shuō)明延性增大。

4.2　再生骨料取代率影響

圖4是再生骨料取代率r為0%、30%、60%的構(gòu)件荷載-位移曲線(xiàn)。整體來(lái)說(shuō)，再生骨料取代率對(duì)荷載-位移曲線(xiàn)形狀影響不大，隨著再生骨料取代率的增大，試件加載初期剛度基本不變，而極限承載力略有減小，后期曲線(xiàn)下降段基本重合。

圖3　不同鋼材強(qiáng)度的荷載-位移曲線(xiàn)　　　　　　　　　　圖4　不同再生骨料取代率的荷載-位移曲線(xiàn)圖

圖5　不同鋼管壁厚度的荷載-位移曲線(xiàn)

4.3　鋼管壁厚度影響

圖5給出了鋼管壁厚度t為3、4、5mm的構(gòu)件荷載-位移曲線(xiàn)。由圖5可以看出，隨著鋼管壁厚度的增大，加載初期的剛度略有增大，試件的極限承載力增大幅度明顯，曲線(xiàn)下降段的下降趨勢(shì)變化不大，但后期曲線(xiàn)又表現(xiàn)出上升。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是，在加載初期，核心混凝土與鋼管各自承受荷載，鋼管壁厚度較大的試件含鋼率大，變形??；隨著進(jìn)一步加載，混凝土與鋼管之間產(chǎn)生相互作用，鋼管壁厚度越大，鋼管的約束作用越強(qiáng)，混凝土強(qiáng)度提高幅度也越大，但由于再生混凝土內(nèi)部存在較多的微裂縫，在較大的軸壓力作用下，微裂縫極易發(fā)展，導(dǎo)致曲線(xiàn)下降段的下降趨勢(shì)并未減小。

5結(jié)論

1)建立的方鋼管再生混凝土軸壓短柱非線(xiàn)性有限元模型能很好反映試件的實(shí)際受力情況，用該模型對(duì)方鋼管再生混凝土短柱軸壓力學(xué)性能影響因素分析是可行的。

2)隨著鋼材強(qiáng)度的提高，方鋼管再生混凝土試件的極限承載力會(huì)提高，但試件彈性階段的剛度基本不變，曲線(xiàn)下降段略微平緩，說(shuō)明試件延性越好。

3)再生骨料取代率對(duì)荷載-位移曲線(xiàn)形狀影響不大，但隨著再生骨料取代率的增大，試件的極限承載力會(huì)減小，后期曲線(xiàn)下降段基本重合。

4)隨著鋼管壁厚度的增大，試件的極限承載力增大幅度明顯，加載初期彈性剛度略有增大，在破壞階段承載力降低較快，曲線(xiàn)下降趨勢(shì)變化不大。

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[編輯]計(jì)飛翔

[引著格式]吳勝，申興月，李迪，等.方鋼管再生混凝土短柱軸壓力學(xué)性能有限元分析[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2015,12(28)：26~29,37.

[中圖分類(lèi)號(hào)]TU398.9

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-1409(2015)28-0026-04

通信作者：

[作者簡(jiǎn)介]吳勝(1988-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事鋼管混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究工作；申興月，swu668@163.com。

[基金項(xiàng)目]湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(D20151304),湖北省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng) 目(104892014001)。

[收稿日期]2015-06-01