郭靳時 李 飛

(吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,長春 130118)

0 引言

輕骨料混凝土是指用輕粗骨料、普通砂或輕細(xì)骨料、膠凝材料和水配制而成的干表觀密度不大于1 950kg/m3的混凝土[1].由于輕骨料混凝土具有輕質(zhì)高強(qiáng)、易于施工、耐久性能高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn),被視為一種具有發(fā)展前途的新型混凝土[2].鋼管輕骨料混凝土構(gòu)件是在鋼管混凝土構(gòu)件研究的基礎(chǔ)上,用輕骨料混凝土代替混凝土而來.國外對于輕骨料混凝土的研究進(jìn)行的比較早.隨著休斯敦貝殼廣場大廈的建立,標(biāo)志著輕骨料混凝土的研究及應(yīng)用進(jìn)入了一個新階段.我國對于輕骨料混凝土的研究相對較晚,目前已取得了一定的成果.2001年,李幗昌、劉之洋以煤矸石為輕骨料,進(jìn)行了一系列軸壓長短柱、偏心受壓柱及受彎、受扭等力學(xué)試驗研究,進(jìn)行了有效的探索并取得了一定的成果[3].自2005年始,吉伯海與王曉亮、胡正清、周文杰、傅中秋、陳甲樹等人合作,通過試驗陸陸續(xù)續(xù)研究了鋼管輕集料混凝土構(gòu)件抗彎性能、中長柱軸壓偏壓性能以及受荷方式對鋼管輕集料混凝土短柱軸壓性能的影響,進(jìn)行了大量分析,成果顯著[4-8].文獻(xiàn)[9-11]在收集了大量鋼管輕骨料混凝土軸壓短柱力學(xué)性能的試驗結(jié)果基礎(chǔ)上,統(tǒng)一分析及計算,推導(dǎo)出鋼管輕骨料混凝土軸壓短柱極限承載力簡化計算公式和組合應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系全曲線,計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好.目前,國內(nèi)研究多是對鋼管輕骨料混凝土軸壓柱的力學(xué)性能研究,而對于輕骨料鋼管混凝土柱抗震性能的研究卻鮮有文獻(xiàn).為此,本文采用大型通用軟件ABAQUS對方鋼管輕骨料混凝土柱的滯回性能進(jìn)行有限元分析,為鋼管輕骨料混凝土柱的研究提供一定的指導(dǎo)意義.

1 ABAQUS有限元模型

1.1 ABAQUS介紹

ABAQUS有兩個主要的分析模塊:ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit,以及一個全面支持求解的圖形用戶界面,即人機(jī)交互前后處理模塊-ABAQUS/CAE(Complete ABAQUS Environment)組成.隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,CAE技術(shù)受到廣泛的關(guān)注,而ABAQUS軟件正是CAE技術(shù)領(lǐng)域成熟的分析方法之一.ABAQUS具有強(qiáng)大的計算功能和廣泛的模擬能力,擁有大量不同種類的單元模型、材料模型、分析過程等，無論是分析一個簡單的線彈性問題,還是一個包括幾種不同材料、承受復(fù)雜的機(jī)械和熱荷載過程以及變化接觸條件的非線性組合問題,分析結(jié)果都會令人滿意.ABAQUS除了能解決大量結(jié)構(gòu)問題,還可以模擬其它領(lǐng)域的許多問題,因此,在各國的同業(yè)界以及研究機(jī)構(gòu)中被廣泛使用.

圖1 鋼筋本構(gòu)模型Fig.1 Constitutive model of rebar

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 材料的本構(gòu)模型

(1) 輕骨料混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線. 根據(jù)文獻(xiàn)[11]得到輕骨料混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)P(guān)系曲線.曲線公式如下:

(1)

式中,參數(shù)An為混凝土彈性模量與峰值割線模量之比.

單軸受壓時,y=σ/fc,x=ε/εc,此時n=1,fc=0.88×fcu,εc=730×fcu1/3×10-6

參數(shù)A1=1.68×10-3ρfcu-1/6.ρ為輕骨料混凝土密度,fc為輕骨料混凝土軸心抗壓強(qiáng)度,fcu為輕骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度,εc為輕骨料混凝土受壓峰值應(yīng)變.參數(shù)B1=1.6(A1-1)2,α1取值0.15,B1為控制上升段曲線彈性模量衰減程度的物理量,α1為輕骨料混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段參數(shù)ft.

單軸受拉時,y=σ/fc,x=ε/εt,此時n=2,ft=fcu/15,εc=730×fcu1/3×10-6,εt=50×fcu1/3×10-6,A2=1.5×10-3ρfcu-1/6,B1=1.6(A2-1)2,α2=1+3×10-4×fcu2.ft為輕骨料混凝土軸心抗拉強(qiáng)度,εt為輕骨料混凝土受拉峰值應(yīng)變.

(2) 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線. 鋼材本構(gòu)關(guān)系采用彈性強(qiáng)化模型,鋼材受壓受壓彈性模量取值相同,取為Es=2×105MPa,泊松比0.3.fy為鋼材屈服強(qiáng)度,屈服應(yīng)變εy=fy/Es(見圖1所示).

1.2.2 單元選取與網(wǎng)格劃分

ABAQUS擁有豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫.為了提高模型的精度,鋼材與混凝土采用8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體線性減縮積分單元(C3D8R).網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù).墊板網(wǎng)格大小50mm,鋼管網(wǎng)格使用20mm,混凝土網(wǎng)格20mm.

1.2.3 模型的界面關(guān)系

鋼管與輕骨料混凝土之間、鋼管混凝土與墊板之間的接觸均采用綁定的模式.雖然忽略了各部件間的粘結(jié)滑移對構(gòu)件的力學(xué)性能的影響,但是卻簡化了模型,調(diào)高精度的同時又提高了模型計算效率.

1.2.4 邊界條件與加載

柱底與墊板采用完全固定的方式(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0),柱頂U(kuò)1,U3方向可任意平動.為便于模型收斂,設(shè)置兩個耦合點(diǎn)RP1,RP2.在頂部耦合點(diǎn)RP2處,施加軸向力與水平荷載,軸向力采用力的加載方式,水平力采用位移加載的方式.

1.2.5 計算控制參數(shù)的設(shè)定

輕骨料混凝土是非線性材料,為保證模型精度與效率,需合理選取計算參數(shù).初始增量步設(shè)為0.001,最小增量步設(shè)為10～15.膨脹角取值30°,fb0/fc0取值1.16,k值取0.666 7,偏心率取值0.1.

1.2.6 分析過程

力學(xué)分析時,設(shè)定兩個荷載步:第一個為施加由力控制的軸向荷載,采用力加載;第二個施加水平荷載,采用位移加載的方式.

2 結(jié)果分析

柱高1 440mm,截面尺寸250mm×250mm.輕骨料混凝土LC45,鋼管Q235鋼.重點(diǎn)分析了軸壓比、含鋼率對于構(gòu)件滯回性能的影響.軸壓比n取值0.2,0.3,0.4,方鋼管壁厚t取值4mm,6mm,8mm,12mm.

n=N/(fcAc+fAs),N為軸力;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值;Ac為鋼管內(nèi)混凝土積;f為鋼材的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值;As為鋼管的截面面積;D方鋼管截面邊長,L為柱長.試件參數(shù)見表1.

表1 試件參數(shù)Table 1 Specimen parameters

2.1 軸壓比對滯回曲線和骨架曲線的影響

圖2為軸壓比對骨架曲線的影響.

圖2 骨架曲線Fig.2 Skeleton curve

圖3 骨架曲線Fig.3 Skeleton curve

由圖2可以看出,軸壓比對于輕骨料鋼管混凝土柱彈性階段的影響很小,這是由于此階段變形很小,荷載-位移效果并不明顯;軸壓比對于構(gòu)件的水平承載力影響不大,隨著軸壓比的增加,鋼管柱水平承載力略有減小,強(qiáng)化階段的剛度也越小.當(dāng)軸壓比達(dá)到一定數(shù)值時,曲線會出現(xiàn)下降段,甚至隨著軸壓比的變大下降幅度更快,構(gòu)件的位移延性則越來越小.

2.2 含鋼率對滯回曲線和骨架曲線的影響

圖3為含鋼率對于骨架曲線的影響.由圖3可以看出,隨著含鋼率的變大,構(gòu)件彈性階段剛度變化明顯、水平承載力有很大提高,但含鋼率總體上主要影響骨架曲線的數(shù)值,對于構(gòu)件荷載-位移曲線的形狀影響則很小.

3 結(jié)論

由以上分析可得出以下結(jié)論:

(1) 鋼管輕骨料混凝土柱在低周反復(fù)荷載作用下滯回曲線略為飽滿,表現(xiàn)出一定的抗震性能.

(2) 軸壓比影響構(gòu)件骨架曲線的形狀,隨著軸壓比的增大,構(gòu)件水平承載力以及延性略有減小,但對于構(gòu)件初始剛度影響不大.

(3) 含鋼率對于構(gòu)件骨架曲線的數(shù)值有很大影響,但對于骨架曲線的形狀影響不大.隨著含鋼率的變大,構(gòu)件彈性階段剛度變化明顯以及水平承載力有很大提高.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 12-2006)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[2] 李繼業(yè),劉福勝.新型混凝土使用技術(shù)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[3] 李幗昌,劉之洋.自應(yīng)力鋼管輕集料混凝土結(jié)構(gòu)[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2001.

[4] 吉伯海,王曉亮,馬敬海,楊明.鋼管高強(qiáng)輕集料混凝土短柱軸壓性能的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2005(5):60-65.

[5] 吉伯海,陳甲樹,王曉亮,楊明,高建明.受荷方式對鋼管輕集料混凝土短柱軸壓性能的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006(4):590-595.

[6] 吉伯海,周文杰,王曉亮.鋼管輕集料混凝土中長柱軸壓性能的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2007(5):118-123.

[7] 吉伯海,胡正清,陳甲樹,周文杰.圓鋼管輕集料混凝土構(gòu)件抗彎性能的試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2007(8):35-40.

[8] 吉伯海,傅中秋,胡正清.鋼管輕集料混凝土短柱偏心受壓性能的試驗[J].交通科學(xué)與工程,2009(3):22-28.

[9] 丁發(fā)興,應(yīng)小勇,余志武.輕骨料混凝土單軸力學(xué)性能統(tǒng)一計算方法[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(5):1973-1979.

[10] 丁發(fā)興,應(yīng)小勇,余志武,歐進(jìn)萍.圓鋼管輕骨料混凝土軸壓短柱的力學(xué)性能分析[J].深圳大學(xué)學(xué)報(理工版),2011(3):207-212.

[11] 丁發(fā)興,應(yīng)小勇,余志武.輕骨料混凝土單軸力學(xué)性能統(tǒng)一計算方法[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(5):1973-1979.