蘇 宇 王欣然

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 研究背景

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，是指通過(guò)在普通鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)配置型鋼，使鋼材與混凝土材料互相約束，令各自性能充分發(fā)揮，從而具備更好的受力性能的一種結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)今建筑結(jié)構(gòu)高度、跨度不斷增大，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于重要建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的深入，國(guó)家設(shè)立“十二五”科技支撐計(jì)劃“鋼結(jié)構(gòu)民用建筑高性能結(jié)構(gòu)鋼成套應(yīng)用技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目，促進(jìn)高強(qiáng)鋼材在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色健康發(fā)展。將高強(qiáng)鋼材應(yīng)用于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，可降低鋼材消耗量，壓縮截面尺寸，提供更大的使用空間，減少焊材及涂層材料的消耗量，帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

然而，受到現(xiàn)行組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范適用范圍的限制，工程中使用Q420以上強(qiáng)度等級(jí)鋼材時(shí)需要開(kāi)展專項(xiàng)論證，造成成本的提高和工程進(jìn)度的延誤，阻礙了高強(qiáng)型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的推廣使用。目前，高強(qiáng)型鋼應(yīng)用于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)定尚不完善，相關(guān)研究亦處于起步階段。

李灝[1]對(duì)14根實(shí)腹式高強(qiáng)型鋼混凝土梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，對(duì)其破壞特征、剛度和延性等展開(kāi)研究，并討論規(guī)范計(jì)算公式的適用性，研究結(jié)果說(shuō)明簡(jiǎn)單疊加法應(yīng)用于高強(qiáng)型鋼混凝土框架梁的抗震設(shè)計(jì)時(shí)偏于不安全。楊怡亭等[2]基于實(shí)際工程進(jìn)行研究，對(duì)2根縮尺模型試件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，建立并驗(yàn)證有限元分析模型，研究Q460高強(qiáng)型鋼混凝土柱的受力性能。通過(guò)與各國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用于高強(qiáng)型鋼混凝土柱設(shè)計(jì)偏于保守。Binglin Lai等[3]將C90混凝土與550 MPa級(jí)別高強(qiáng)型鋼結(jié)合，設(shè)計(jì)12根高強(qiáng)型鋼混凝土柱試件，并與歐美現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)試件軸壓承載力計(jì)算值低于實(shí)測(cè)值。林明強(qiáng)[4]對(duì)8根高強(qiáng)型鋼混凝土柱進(jìn)行軸心靜載試驗(yàn)，提出混凝土和高強(qiáng)型鋼兩種材料間存在應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。

由于兩種材料存在應(yīng)變不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，高強(qiáng)鋼材所發(fā)揮的抗壓強(qiáng)度受到混凝土壓應(yīng)變的限制，我國(guó)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中提出將軸心受壓構(gòu)件中500 MPa 級(jí)別鋼筋的抗壓強(qiáng)度取為400 MPa。然而研究表明，約束作用可提高混凝土的變形性能，進(jìn)而提高其與鋼材間的協(xié)同工作能力，而作為常見(jiàn)的約束措施，箍筋約束對(duì)高強(qiáng)型鋼混凝土組合構(gòu)件受壓性能的影響尚有待探究。

2 有限元模型的建立及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型建立

本文通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件建立高強(qiáng)型鋼混凝土組合柱分析模型，考察其在軸心壓力作用下的力學(xué)性能。結(jié)合課題組現(xiàn)有Q345型鋼混凝土組合柱軸壓試驗(yàn)，按試件幾何條件建立分析模型，試件高1 200 mm，箍筋間距100 mm，截面詳圖如圖1所示，為防止試件發(fā)生局壓破壞，在兩端200 mm范圍內(nèi)進(jìn)行箍筋加密。模型建立過(guò)程中，將混凝土按照約束條件的差異劃分為保護(hù)層及箍筋約束區(qū)，鋼材選用理想彈塑性模型，混凝土材料選用Mander[5]提出的混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線。綜合考慮模擬結(jié)果的準(zhǔn)確程度及時(shí)間成本，選擇1∶1∶2.5的網(wǎng)格劃分比例[6]，如圖2所示。其中型鋼和混凝土采用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行模擬，鋼筋選用T3D2桁架單元。鋼筋采用嵌入式約束，型鋼與混凝土間定義接觸，摩擦系數(shù)為0.25，以模擬型鋼與混凝土間的粘結(jié)作用。通過(guò)施加軸向位移的方式對(duì)模型施加軸壓力。

模擬分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖3所示。由于有限元分析模型較為理想化，而實(shí)際構(gòu)件在制作與試驗(yàn)過(guò)程中不可避免地存在一定的初始缺陷及誤差，承載力模擬值略高于試驗(yàn)值；模擬加載初期，由于八節(jié)點(diǎn)單元存在體積閉鎖效應(yīng)[7]，模型剛度略大于試件剛度?？傮w上，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的荷載位移曲線較為吻合，破壞形式較為一致，該有限元分析模型能夠準(zhǔn)確模擬型鋼混凝土組合柱在軸心壓力作用下的受力過(guò)程，可用于后續(xù)的影響因素分析。

2.2 模擬柱設(shè)計(jì)

為了研究約束作用對(duì)高強(qiáng)型鋼混凝土組合柱軸壓承載能力的影響，基于上述分析模型設(shè)計(jì)6根型鋼混凝土軸壓柱，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為58 MPa，模擬柱詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

表1 模擬柱參數(shù)

(1)

(2)

其中，ρs為配箍率；fyh為箍筋屈服強(qiáng)度；ke為有效約束系數(shù)；w′,s′分別為相鄰縱筋、箍筋凈距；bc,dc分別為矩形箍筋的長(zhǎng)度、寬度；ρcc為縱筋面積與約束區(qū)面積之比。

對(duì)于型鋼的約束作用，趙憲忠等[9]提出了其有效約束力的計(jì)算方法，文獻(xiàn)[10]提出型鋼和箍筋共同約束區(qū)域所受到的約束作用為二者約束力的線性疊加。結(jié)合三者的理論分析可知H型鋼的約束作用對(duì)該類試件的承載力影響小于2%，故此處僅討論箍筋約束作用的影響。

忽略約束作用的影響時(shí)，全部混凝土采用無(wú)約束混凝土本構(gòu)；考慮箍筋約束作用時(shí)，對(duì)本次模擬的試件可按式(3)計(jì)算混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)k，對(duì)箍筋約束區(qū)內(nèi)的混凝土本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行修正[5]。修正后的混凝土本構(gòu)關(guān)系如圖5所示。

(3)

其中，fc0為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。

3 箍筋約束作用影響分析

3.1 忽略約束作用的模擬結(jié)果

各試件承載力模擬結(jié)果見(jiàn)表1。配置Q235型鋼的試件A1C0Q2，由于模擬分析軟件自身在一定程度上考慮了混凝土的雙軸受壓，如圖6所示，試件破壞時(shí)，縱筋與箍筋交匯處約束作用最強(qiáng)，混凝土壓應(yīng)力最高，而約束較弱的區(qū)域混凝土應(yīng)力略微降低，約為43.2 MPa，相較于其理論分析強(qiáng)度49.2 MPa降低了12.2%。忽略約束作用導(dǎo)致低估了約束區(qū)域混凝土的抗壓強(qiáng)度，會(huì)導(dǎo)致一定程度的材料浪費(fèi)。配置Q460型鋼的試件A2C0Q4，如圖7所示，試件破壞時(shí)型鋼應(yīng)力約為502 MPa，未能屈服。配置Q690型鋼的試件A3C0Q6破壞時(shí)型鋼應(yīng)力與Q460型鋼接近(505 MPa)，試件達(dá)到極限承載力時(shí)型鋼遠(yuǎn)未屈服，其模擬承載力與配置Q460型鋼的試件相比幾乎未得到提高。

3.2 考慮箍筋約束作用

由于基于箍筋約束作用修正后的混凝土本構(gòu)關(guān)系模型考慮了混凝土在約束作用下受壓能力和變形性能的提升，配置高強(qiáng)型鋼的試件達(dá)極限承載力時(shí)，混凝土的壓潰破壞晚于型鋼屈服，高強(qiáng)型鋼能夠充分發(fā)揮其力學(xué)性能，如圖8所示。

與忽略約束作用的試件相比，如圖9所示，配有Q235，Q460和Q690型鋼的試件考慮約束作用后承載力分別提升4.6%，9.7%和22.4%，箍筋約束作用對(duì)型鋼混凝土組合柱軸壓承載力的影響隨型鋼強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大。

通過(guò)上述討論可以看出，箍筋的約束作用對(duì)高強(qiáng)型鋼混凝土組合柱的軸壓承載力有著顯著的影響，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中予以考慮：一方面約束作用能夠增強(qiáng)混凝土的抗壓能力，考慮箍筋的約束作用能夠在一定程度上避免材料浪費(fèi)；另一方面約束作用能夠顯著增強(qiáng)混凝土的變形能力，設(shè)計(jì)使用高強(qiáng)鋼材的構(gòu)件時(shí)，可通過(guò)增加所配箍筋的方式確保高強(qiáng)鋼材性能能夠充分發(fā)揮。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件建立模型，討論約束作用對(duì)高強(qiáng)型鋼混凝土柱軸壓性能的影響，得出以下結(jié)論：

1)箍筋的約束作用對(duì)高強(qiáng)型鋼混凝土組合柱的軸壓承載力有較大影響，且影響程度隨型鋼強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大，對(duì)于配有Q235，Q460和Q690型鋼的試件，考慮箍筋對(duì)混凝土的約束作用的積極影響后，試件模擬承載力分別提高了4.6%，9.7%和22.4%。

2)約束作用可以影響混凝土的抗壓性能和高強(qiáng)鋼材所發(fā)揮的抗壓強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)忽略其對(duì)承載力的積極貢獻(xiàn)。

3)建立了H型鋼混凝土軸壓柱ABAQUS有限元分析模型，可較為準(zhǔn)確地模擬該類試件在軸心壓力作用下的受力行為。