李帥 齊海鵬 孫拴虎

摘要：利用非線性有限元軟件ABAQUS建立了配斜拉鋼筋的空腹箱形鋼骨混凝土（SRC）柱有限元分析模型，在選取相關(guān)試驗(yàn)試件對(duì)有限元計(jì)算可靠性驗(yàn)證的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步研究了配斜拉鋼筋對(duì)空腹箱形SRC柱受力機(jī)理及破壞形態(tài)的影響。結(jié)果表明：有限元模擬計(jì)算得到的滯回曲線及破壞形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果總體較為吻合，可以較為準(zhǔn)確地模擬配斜拉鋼筋的空腹箱形SRC柱的受力機(jī)理及破壞過程;配斜拉鋼筋可以提高壓彎剪扭復(fù)合作用下空腹箱形SRC柱的峰值荷載，降低峰之后荷載一位移曲線的下降速度，有益于提高空腹箱形SRC柱的延性;斜拉鋼筋的存在可以對(duì)空腹箱形SRC柱的混凝土形成保護(hù)，抑制斜裂縫的展開，且能有效分擔(dān)內(nèi)部鋼管及箍筋所受的扭矩，可以作為空腹箱形SRC柱提升壓彎剪扭受力性能的有效措施。

關(guān)鍵詞：鋼骨混凝土柱;斜拉鋼筋;壓彎剪扭;有限元;受力機(jī)理

中圖分類號(hào)：TU398文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

地震作用下，平面布置不規(guī)則或剛度突變結(jié)構(gòu)的柱子不僅會(huì)承受壓彎剪的共同作用，往往還可能受到扭矩作用的影響，這不但不利于柱子的延性，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致其耗能能力下降，剛度退化加快。目前，壓彎剪扭復(fù)合受力作用下的抗震性能研究多針對(duì)于鋼筋混凝土柱，對(duì)于鋼骨混凝土（SRC）柱的研究則較少見于報(bào)道，且《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》也未對(duì)承受壓彎剪扭復(fù)合作用的組合構(gòu)件給出相應(yīng)計(jì)算方法。根據(jù)型鋼配置形式的差異，SRC柱又可分為實(shí)腹式和空腹式兩大類，其中空腹式因?yàn)榭箯潉偠却?、方便施工及自重較輕等優(yōu)點(diǎn)，可以有效降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剪力、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求及工程造價(jià)，使得此類構(gòu)件具有很好的工程應(yīng)用前景。袁書強(qiáng)等以扭彎比為分析參數(shù)對(duì)7個(gè)sRc柱進(jìn)行了低周往復(fù)加載試驗(yàn)，分析了扭彎比對(duì)sRc柱受力及變形性能的影響，結(jié)果表明彎扭復(fù)合作用降低了sRc柱的抗彎能力。許協(xié)隆等為改善彎扭復(fù)合作用下空腹箱型SRC柱的受力性能，在柱子中段設(shè)計(jì)了斜拉鋼筋，并對(duì)其進(jìn)行了低周往復(fù)加載試驗(yàn)研究，結(jié)果表明配置斜拉鋼筋不僅可以有效提高構(gòu)件的抗扭剛度及極限承載力，還明顯能減緩極限承載力的后承載力退化速度。

為進(jìn)一步研究配斜拉鋼筋對(duì)壓彎剪扭作用下空腹箱形SRC柱的受力性能的影響，本論述利用有限元軟件ABAQus建立了其有限元分析模型，分析了配置斜拉鋼筋對(duì)空腹箱形SRC柱受力機(jī)理及破壞形態(tài)的影響，從而為后續(xù)的研究提供理論依據(jù)。

1有限元模型

1.1分析模型

有限元分析模型幾何尺寸參照文獻(xiàn)中的試件TMP-3，模型上下兩端450mm為箍筋加密區(qū)，中間段箍筋內(nèi)側(cè)綁扎直徑為8mm的斜拉鋼筋，此斜拉鋼筋由兩根以每間隔240mm在平面內(nèi)沿相反方向交替彎折90。形成的鋸齒形鋼筋綁扎而成。所有鋼筋都采用HRB400級(jí)鋼筋，內(nèi)部箱形鋼管為方形，鋼管截面寬為150mm，厚為4.5mm，采用Q345級(jí)鋼，混凝土等級(jí)為c60，軸壓比為0.3，扭彎為0.25。分析模型尺寸及配筋情況見圖1。

1.2有限元分析模型建立

配斜拉鋼筋的空腹箱形SRC柱包含了混凝土與鋼材兩類型材料。其中混凝土采用ABAQUS自帶的塑性損傷模型，選用約束混凝土模型來模擬其單軸壓應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。鋼材部分選用雙折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型，對(duì)于強(qiáng)化段的彈模取初始彈性模量的0.01倍。根據(jù)材料自身的特點(diǎn)，混凝土采用C3D8R單元，而鋼筋采用T3D2單元，內(nèi)部鋼管采用SR4單元。內(nèi)部鋼管與混凝土的法向接觸以硬接觸來模擬，切向接觸則應(yīng)用庫倫摩擦模型模擬，u（界面摩擦系數(shù)）取0.25。鋼筋和混凝土的接觸應(yīng)用“Embeded”將整個(gè)鋼筋籠內(nèi)嵌到后者中，不考慮二者的黏結(jié)滑移。加載方式參考試驗(yàn)加載過程，第一個(gè)分析步在柱子頂端加載梁的上部分割面上施加豎向荷載，第二個(gè)分析步在加載梁側(cè)面施加水平偏心荷載，水平偏心荷載以位移進(jìn)行控制。約束柱子下端混凝土和鋼管所有方向的位移和轉(zhuǎn)角，模擬嵌固結(jié)邊界條件。有限元分析模型如圖2所示。

2有限元計(jì)算可靠性驗(yàn)證

采用本論述的建模方法對(duì)文獻(xiàn)[9]中的試驗(yàn)試件TMP3的加載過程進(jìn)行了模擬計(jì)算。圖3為有限元計(jì)算與試驗(yàn)滯回曲線對(duì)比，由圖可知，二者的承載力、剛度及滯回全過程整體變化趨勢(shì)基本一致，由于材料性能及邊界條件較為理想，有限元計(jì)算的峰值承載力及初始剛度略高于試驗(yàn)。

圖4為有限元計(jì)算所得的破壞模式與試驗(yàn)對(duì)比，由圖可知，有限元計(jì)算與試驗(yàn)的破壞模式均為彎扭破壞，塑性鉸都處于距柱子底部約300mm的范圍內(nèi)，由于角處無斜拉鋼筋的保護(hù)作用，混凝土塑性變形主要由角處向上發(fā)展。綜合分析滯回曲線及破壞形態(tài)對(duì)比可以看出，有限元計(jì)算可以較為準(zhǔn)確的模擬試件的受力性能及破壞過程。

3受力機(jī)理及破壞形態(tài)分析

圖5為有限元分析模型計(jì)算的荷載一位移曲線，由圖可知，配置斜拉鋼筋的柱子承載力為150.4kN，未配置斜拉鋼筋的柱子承載力為145.7kN，說明配置寫斜拉鋼筋有益于提高壓彎剪扭復(fù)合作用下空腹箱型SRC柱的承載力。此外，配置斜拉鋼筋的柱子荷載一位移曲線在峰值后下降明顯較緩，可知延性比未配斜拉鋼筋的模型更好。在配斜拉鋼筋模型的荷載一位移曲線中選取4個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行分析：點(diǎn)1為柱下部混凝土開裂的時(shí)刻;點(diǎn)2時(shí)，縱筋及內(nèi)部鋼管屈服;點(diǎn)3為模型達(dá)到峰值荷載;點(diǎn)4為試件的破壞點(diǎn)。

圖6、圖7分別為分析模型特征點(diǎn)的鋼材的應(yīng)力分布和混凝土等效塑性應(yīng)變分布。由圖可知，加載初期（即加載位移達(dá)到1點(diǎn)時(shí)），柱子下部混凝土部分首先開裂，在與加載方向垂直的兩個(gè)面上主要受彎矩影響，裂縫以水平裂縫為主，而在與加載方向平行的兩個(gè)面上主要受扭矩影響，裂縫以斜向45°裂縫為主，此時(shí)鋼材未見明顯屈服;隨著加載位移的增加（達(dá)到2點(diǎn)時(shí)），混凝土塑性區(qū)域逐漸由柱腳處向上延伸，塑性應(yīng)變?cè)龃?，接著縱筋、內(nèi)部鋼管相繼發(fā)生屈服，最大應(yīng)力達(dá)到416.8MPa;當(dāng)加載位移進(jìn)一步增大時(shí)（達(dá)到3點(diǎn)時(shí)），由于斜拉鋼筋的保護(hù)作用，與加載方向平行的兩個(gè)面上混凝土的塑性應(yīng)變?cè)黾恿枯^小，斜裂縫發(fā)展緩慢，而與加載方向垂直的兩個(gè)面上混凝土的塑性應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)則較快，水平裂縫增大迅速，直至荷載達(dá)到了峰值;此后繼續(xù)加載（達(dá)到4點(diǎn)時(shí)），扭矩逐漸增大，斜拉鋼筋起到了分擔(dān)扭矩的作用，使荷載一位移曲線下降減緩，破壞時(shí)斜拉鋼筋逐漸屈服，內(nèi)部鋼管向內(nèi)發(fā)生了輕微鼓起，混凝土的塑性應(yīng)變?cè)谂c加載方向垂直的面上較大，并主要由棱角處向上發(fā)展。

4結(jié)論

（1）利用本文的建模方法對(duì)配斜拉鋼筋的空腹箱形SRC柱在壓彎剪扭復(fù)合受力下的試驗(yàn)試件進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算，得到的滯回曲線、破壞形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果總體較為吻合，驗(yàn)證了有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性。

（2）配斜拉鋼筋可以提高壓彎剪扭復(fù)合作用下空腹箱形SRC柱的峰值荷載，降低峰之后荷載一位移曲線的下降速度，有益于提高空腹箱形SRC柱的延性。

（3）在壓彎剪扭復(fù)合作用下，配斜拉鋼筋的空腹箱形SRC柱破壞形態(tài)表現(xiàn)出扭轉(zhuǎn)受力的特征，配置斜拉鋼筋可以對(duì)混凝土形成保護(hù)，抑制斜裂縫的展開，且能有效分擔(dān)內(nèi)部鋼管及箍筋所受的扭矩，可以作為空腹箱形SRC柱提升壓彎剪扭受力性能的有效措施。