朱業(yè)鵬，金松，張銘

（1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

0 引言

隨著超高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載越來(lái)越大，如何保證結(jié)構(gòu)在各種災(zāi)害下安全，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。柱子作為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，在地震作用下應(yīng)該具有較高的承載力和延性，避免形成倒塌機(jī)構(gòu)。文獻(xiàn)[1]提出了鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱這種新型組合柱的設(shè)計(jì)模式。文獻(xiàn)[2-3]進(jìn)行了13根鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱進(jìn)行偏心受壓有限元分析，研究了偏心距、配骨指標(biāo)，長(zhǎng)細(xì)比等參數(shù)對(duì)組合柱偏心受壓承載力及延性的影響。并且提出偏心受壓承載力簡(jiǎn)化計(jì)算公式。文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了14根鋼骨-方鋼管高強(qiáng)混凝土柱偏心受壓有限元分析?？紤]不同參數(shù)對(duì)方形組合柱偏心受壓承載力的影響，同時(shí)也提出了方形組合柱偏心受壓承載力計(jì)算公式。文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了鋼骨-圓鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱抗彎力學(xué)性能研究，不同受力階段的應(yīng)力分布規(guī)律以及破壞模態(tài)，同時(shí)考慮不同參數(shù)對(duì)組合柱抗彎力學(xué)性能的影響，并提出組合柱抗彎承載力簡(jiǎn)化計(jì)算公式。文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了14根鋼骨-方鋼管高強(qiáng)混凝土柱試件在高軸向壓力和低周反復(fù)水平荷載作用下的試驗(yàn)，對(duì)鋼骨-方鋼管高強(qiáng)混凝土柱的抗震性能進(jìn)行分析。但實(shí)際工程中由于偶然因素作用，柱子常常處于雙向偏心受壓狀態(tài)。但目前對(duì)于該種類(lèi)型組合柱的雙向偏心受壓的力學(xué)性能研究的相關(guān)報(bào)道較少，因此有必要展開(kāi)相關(guān)研究，筆者采用非線性有限元軟件ABAQUS對(duì)該類(lèi)型組合柱在雙向偏心受壓荷載下的力學(xué)性能展開(kāi)研究。通過(guò)上述研究，為該種新型組合柱在工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用提供參考和指導(dǎo)。

1 有限元分析模型

1.1 試件設(shè)計(jì)

圖1 試件截面形式Fig.1 Specimen cross section form

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

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系模型及接觸約束

對(duì)于外部鋼管和內(nèi)置的鋼骨采用文獻(xiàn)[7]中建議的二次塑性流動(dòng)模型。混凝土本構(gòu)采用文獻(xiàn)[8]中的韓林海建議的模型。鋼管、鋼骨采用四節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的殼單元(S4R)，在殼單元的厚度方向，采用9個(gè)積分點(diǎn)。核心混凝土采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元。鋼管和混凝土接觸面界面模型采用庫(kù)侖摩擦類(lèi)型來(lái)模擬，鋼骨采用嵌入的命令將其嵌入到核心混凝土中，不考慮其滑移。在有限元計(jì)算模型加載端設(shè)置剛度很大墊塊模擬加荷端板，彈性模量取1012MPa，泊松比取為0.0001[9]。通過(guò)在墊塊上設(shè)置偏心加載線來(lái)模擬偏心加載，同時(shí)采用旋轉(zhuǎn)墊塊的方法來(lái)模擬雙向偏心受壓的不同加載角度。組合柱雙偏壓位移邊界條件及加載方式如圖2所示。

圖2 組合柱位移邊界條件及加載方式Fig.2 Displacement boundary condition and loading method of composite columns

1.3 有限元分析模型驗(yàn)證

目前，對(duì)于鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱雙向偏心受壓國(guó)內(nèi)外報(bào)道較少，為了有效驗(yàn)證組合柱雙向偏心受壓有限元分析模型的合理性和有效性，本文在文獻(xiàn)[10]試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，選取其中6組典型的試件進(jìn)行有限元模型的有效性驗(yàn)證，圖3給出了有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較。從圖3來(lái)看非線性有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在試件彈性階段吻合良好，在非彈性階段有限元計(jì)算結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果偏高，主要是由于有限元無(wú)法考慮混凝土開(kāi)裂后造成的剛度退化而造成的承載力下降。

2 有限元模擬結(jié)果及分析

圖3 有限元計(jì)算結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果與比較Fig.3 Test results and comparison of finite element calculation results

通過(guò)后處理得到組合柱雙向偏心受壓典型試件的荷載-側(cè)向撓度關(guān)系曲線，典型試件荷載-側(cè)向撓度曲線主要可以分為以下四個(gè)主要階段:

彈性工作階段（OA），彈塑性階段（AB），下降段（BC），其中N表示縱向荷載，表示組合柱中截面的側(cè)向撓度(如圖4所示)。

（1）第一段是加載初期的彈性階段（OA）：這一階段的主要特征就是荷載-側(cè)向撓度關(guān)系曲線基本呈線性關(guān)系；此時(shí)外部方鋼管、核心混凝土、內(nèi)置鋼骨幾乎單獨(dú)受力，外部方鋼管與核心混凝土之間相互作用力很小，外部方鋼管、內(nèi)置鋼骨和核心混凝土均處于彈性工作狀態(tài)。A點(diǎn)可以看作彈性段的比例極限(彈塑性階段起點(diǎn) )。

（2）第二個(gè)階段是屈服階段（AB）：隨著外部的荷載不斷增大，組合柱試件變形不斷增長(zhǎng)，由受壓區(qū)的核心混凝土與方鋼管開(kāi)始產(chǎn)生不均勻的相互作用，此時(shí)組合柱試件開(kāi)始進(jìn)入彈塑性變形階段，荷載-側(cè)向撓度曲線開(kāi)始表現(xiàn)出非線性關(guān)系。

（3）第三個(gè)階段是破壞階段（BC）：加載超過(guò)峰值荷載點(diǎn)（C點(diǎn)）時(shí)，由于內(nèi)外力無(wú)法達(dá)到平衡，試件的承載力進(jìn)入下降段。加載超過(guò)C點(diǎn)以后，由于鋼骨對(duì)于組合柱承載力的貢獻(xiàn)作用，曲線開(kāi)始進(jìn)入平緩階段。

圖4 典型組合柱試件曲線Fig.4 Typical composite column specimencurve

2.1 試件典型破壞模態(tài)

鋼管破壞模態(tài)類(lèi)似于組合長(zhǎng)柱整體破壞模態(tài)，核心混凝土在鋼管發(fā)生局部屈曲部位產(chǎn)生，達(dá)到較大的縱向壓應(yīng)力，最終被壓碎，鋼骨由于中部產(chǎn)生較大的側(cè)向撓曲變形最終發(fā)生破壞。組合柱各個(gè)部件的破壞模態(tài)如圖5所示：

圖5 典型試件破壞模態(tài)Fig.5 Failure mode of typical specimen

2.2 參數(shù)分析

影響鋼骨-方鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱雙偏壓力學(xué)性能的主要因素有混凝土強(qiáng)度等級(jí)、配骨指標(biāo)、鋼材強(qiáng)度、加載角度、偏心率、長(zhǎng)細(xì)比。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，組合柱雙向偏心受壓承載力不斷增大(如圖6 (a)所示)，混凝土強(qiáng)度從C60提高到C90組合柱雙向偏心受壓承載力提高28.4%?；炷翉?qiáng)度等級(jí)的提高對(duì)于組合柱的初始剛度和后期剛度影響都不明顯。隨著配骨指標(biāo)的提高，組合柱雙向偏心受壓承載力不斷提高，配骨指標(biāo)從0.76增長(zhǎng)到0.78，組合柱承載力提高5.6%，但由于配骨指標(biāo)變化范圍很小，所以組合柱承載力提高不明顯(如圖6 (b)所示)。隨著鋼材強(qiáng)度提高，組合柱雙向偏心受壓承載力大幅度提高，其中以鋼材強(qiáng)度從235 MPa增長(zhǎng)到345 MPa組合柱承載力增長(zhǎng)的幅度最大，組合柱的承載力增長(zhǎng)17.5%，鋼材強(qiáng)度超過(guò)345 MPa以后，提高鋼材強(qiáng)度組合柱雙向偏心受壓承載力提高幅度下降。同時(shí)提高鋼材強(qiáng)度對(duì)于組合柱的初始剛度和曲線的形狀走勢(shì)影響很小(如圖6(c)所示)。不同偏心率對(duì)于組合柱雙向偏心受壓承載力影響較大，偏心距從20 mm提高40 mm，組合柱雙向偏心受壓承載力下降14.5%，偏心距從40 mm增長(zhǎng)到60 mm，組合柱雙向偏心受壓承載力下降14.9%，同時(shí)隨著偏心率不斷增大，組合柱初始剛度出現(xiàn)大幅度下降(如圖6 (d)所示)。

圖6 不同參數(shù)下曲線Fig.6 Under different parameterscurve

3 結(jié)論

（1）雙向偏心受壓組合柱在整個(gè)受力過(guò)程中，鋼骨和鋼管應(yīng)力發(fā)生重分布，核心混凝土的應(yīng)力按加載角度呈現(xiàn)帶狀分布。破壞時(shí)外部方鋼管發(fā)生一定的屈曲變形。

（2）采用的有限元分析的計(jì)算荷載-撓度曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明采用的有限元分析方法及本構(gòu)關(guān)系是合理的。

（3）鋼材的強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度、偏心率，長(zhǎng)細(xì)比對(duì)組合柱雙向偏心受壓承載力影響較大。加載角和配骨指標(biāo)影響很小。同時(shí)當(dāng)鋼材強(qiáng)度超過(guò)235 MPa時(shí)，雙向偏心受壓承載力增長(zhǎng)較小。