孫文澤 王 鈞

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

0 引言

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)(Steel Reinforced Concrete簡稱SRC)因其優(yōu)越的抗震性能與較高的承載力被廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁與超高層建筑中。將型鋼混凝土結(jié)構(gòu)與高強(qiáng)混凝土相結(jié)合，可有效改善高強(qiáng)混凝土脆性強(qiáng)、延性差等缺點(diǎn)，充分發(fā)揮型鋼與高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能優(yōu)勢，具有較高工程實(shí)際意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前已有學(xué)者對型鋼高強(qiáng)混凝土柱進(jìn)行了相應(yīng)的研究。王清湘等[1]開展了鋼骨—鋼管高強(qiáng)混凝土柱軸壓受力性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，內(nèi)置鋼骨可有效提高鋼管高強(qiáng)混凝土柱的承載力，并抑制混凝土剪切裂縫的開展；應(yīng)武擋等[2]通過12根型鋼高強(qiáng)混凝土推出試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)增加混凝土保護(hù)層厚度與配箍率可有效提升高強(qiáng)混凝土與型鋼的黏結(jié)強(qiáng)度，且機(jī)械咬合力為黏結(jié)力最重要組成部分；朱偉慶等[3]進(jìn)行了27根型鋼高強(qiáng)混凝土柱的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，分析其結(jié)果發(fā)現(xiàn)型鋼高強(qiáng)混凝土柱的抗震性能明顯好于鋼筋高強(qiáng)混凝土柱，通過合理的配置箍筋可避免試件發(fā)生脆性破壞，且栓釘在試件變形性能較好時(shí)可有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。但目前對于型鋼高強(qiáng)混凝土柱的研究多集中于結(jié)構(gòu)的軸壓與抗震性能，對其偏壓性能研究尚不夠深入。因此筆者設(shè)計(jì)了2根型鋼高強(qiáng)混凝土組合柱，并結(jié)合有限元模擬結(jié)果，分析不同參數(shù)對組合柱承載力的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)2根型鋼高強(qiáng)混凝土偏心受壓試件，柱高1 200 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C100，型鋼為焊接H型鋼，鋼材強(qiáng)度等級為Q345，縱筋與箍筋分別為C12與C8的HRB400級鋼筋。具體試件參數(shù)見表1，試件截面及型鋼截面示意圖如圖1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

1.2 材料力學(xué)性能

型鋼與鋼筋材性實(shí)測值如表2所示；高強(qiáng)混凝土原料為P.O52.5R水泥、天然河砂、石子、硅粉、粉煤灰、城市自來水，減水劑采用聚羧酸高效減水劑，具體配合比見表3。

表2 鋼材力學(xué)性能

表3 高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，為防止牛腿提前破壞，在柱頂200 mm范圍內(nèi)進(jìn)行碳纖維布加固處理，具體加載裝置如圖2所示。在正式加載前，對組合柱預(yù)加載以檢驗(yàn)試驗(yàn)儀器是否正常工作，組合柱承載力下降至極限承載力70%后，試驗(yàn)結(jié)束。

1.4 破壞形態(tài)對比

由圖3a)，圖3b)對比可以看出，大偏心受壓試件PZ1在破壞時(shí)，試件側(cè)向變形不明顯，受拉側(cè)混凝土表面有數(shù)條較寬的水平裂縫，混凝土壓潰區(qū)高度約為40 cm。清除被壓潰混凝土后可以看到箍筋約束部分混凝土較為完好，未見明顯破壞；小偏心受壓試件PZ2在破壞前預(yù)兆不明顯，試件達(dá)到極限承載力時(shí)，加載點(diǎn)遠(yuǎn)端混凝土無裂縫產(chǎn)生，試件未見明顯側(cè)向變形，受壓側(cè)混凝土壓潰現(xiàn)象更為嚴(yán)重，混凝土壓潰高度約為55 cm，清除壓潰混凝土可以看出，混凝土破壞程度大于PZ1，箍筋內(nèi)部混凝土已被壓碎。

2 SRC柱有限元模型分析

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)型鋼高強(qiáng)混凝土偏心受壓試驗(yàn)結(jié)果，采用ABAQUS有限元分析軟件對組合柱進(jìn)行建模。其中鋼筋選用T3D2桁架單元，型鋼與混凝土采用C3D8R實(shí)體單元。由于鋼筋與混凝土可較好的協(xié)同工作，因此鋼筋采用嵌入式相互作用；而型鋼與混凝土之間粘結(jié)應(yīng)力較小，因此接觸面法線方向?yàn)橛步佑|，切線方向摩擦系數(shù)選取為0.25[4]。鋼筋材料本構(gòu)根據(jù)表2中材料實(shí)測值確定；混凝土根據(jù)所受約束不同劃分為型鋼約束混凝土、箍筋約束混凝土與無約束混凝土[5]三個(gè)部分，如圖4所示。

2.2 混凝土約束本構(gòu)的選擇

組合柱中混凝土由于受到約束效應(yīng)的不同，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系有明顯區(qū)別。對于箍筋約束混凝土，根據(jù)Mander等[4]的研究，以有混凝土強(qiáng)度提升系數(shù)kg表示有效約束應(yīng)力fl對混凝土的約束作用，本文箍筋約束kg取值為1.06，具體計(jì)算方法見式(1)；型鋼約束混凝土則選用趙憲忠等[5]所提出簡化的混凝土約束本構(gòu)。本文型鋼約束混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)ks取值為1.11，具體計(jì)算方法見式(2)。

(1)

(2)

式中：fl——混凝土受到的側(cè)向約束應(yīng)力；

fc——無約束混凝土抗壓強(qiáng)度；

fl1,fl2——兩個(gè)水平方向上的有效約束應(yīng)力；

kh——型鋼約束混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)ks的上限解；

kl——型鋼約束混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)ks的下限解。

2.3 有限元分析結(jié)果驗(yàn)證

圖5為有限元模擬出荷載—位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果的對比，可以看出，模擬曲線與試驗(yàn)曲線承載力發(fā)展趨勢較為一致，由于實(shí)際試驗(yàn)存在初始缺陷等不可控因素，導(dǎo)致試驗(yàn)曲線上升段斜率略低于有限元模擬曲線。但因兩者整體上較為吻合，考慮混凝土約束效應(yīng)的有限元模型可較為準(zhǔn)確地模擬高強(qiáng)型鋼混凝土柱偏心受壓試驗(yàn)的全過程，可用于進(jìn)一步參數(shù)分析。

3 SRC柱有限元擴(kuò)參數(shù)分析

在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了6根不同鋼材強(qiáng)度的高強(qiáng)混凝土組合柱偏心受壓模擬，分析不同鋼材強(qiáng)度對組合柱力學(xué)性能的影響，具體模擬結(jié)果見表4。

表4 有限元模擬結(jié)果對比

3.1 小偏心受壓影響分析

圖6為在不同鋼材強(qiáng)度下的小偏心受壓構(gòu)件荷載—位移曲線，可以看出，鋼材強(qiáng)度由380 MPa提升至524 MPa與703 MPa后，試件承載力僅提高3.7%與4.9%，提升極小。由受壓型鋼的受力情況可以看出，達(dá)到極限承載力時(shí)，Q460型鋼接近屈服，而Q690型鋼遠(yuǎn)未達(dá)到屈服應(yīng)力，材料并沒有完全發(fā)揮作用。但觀察曲線承載力下降段可以看出，高強(qiáng)度鋼材試件的曲線下降更為平緩，且試件XP3的承載力可再次上升。受壓型鋼應(yīng)力云圖如圖7所示。

3.2 大偏心受壓影響分析

圖8為在不同鋼材強(qiáng)度下的大偏心受壓構(gòu)件荷載—位移曲線，可以看出，鋼材強(qiáng)度由380 MPa提升至524 MPa與703 MPa后，試件承載力可提高4.9%與7.9%，提升幅度略大于小偏心受壓試件。試件達(dá)到極限承載力時(shí)，Q460受拉型鋼已經(jīng)屈服，但Q690型鋼受拉翼緣應(yīng)力僅為536 MPa，材料并沒有完全發(fā)揮作用。但由于DP3型鋼強(qiáng)度較大，承載力達(dá)峰值后下降極小，試件延性較好。受拉型鋼應(yīng)力云圖見圖9。

4 結(jié)論

本文通過型鋼高強(qiáng)混凝土偏心受壓柱試驗(yàn)與有限元分析，得出以下結(jié)論：

1)型鋼高強(qiáng)混凝土偏心受壓柱在不同偏心距下破壞形式有較明顯區(qū)別，大偏壓試件受拉側(cè)混凝土存在橫向裂縫，小偏壓試件破壞前無明顯預(yù)兆。且小偏壓試件受壓側(cè)混凝土壓潰程度遠(yuǎn)大于大偏壓試件。2)采用ABAQUS建立了考慮混凝土約束作用的偏心受壓柱模型，對比于試件荷載位移曲線，二者擬合較好，可用于進(jìn)一步擴(kuò)參數(shù)分析。3)利用有限元模型分析鋼材強(qiáng)度對型鋼高強(qiáng)混凝土柱偏心受壓力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)鋼材強(qiáng)度的提高對試件承載力影響較小，但可有效提高組合柱的延性。