張 科

(衡陽(yáng)公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)大力發(fā)展，修建的結(jié)構(gòu)物不斷朝著高層、超高層發(fā)展，而傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱延性差、混凝土易開(kāi)裂、易壓碎破壞，限制了高層與超高層建筑的發(fā)展，同時(shí)也不利于結(jié)構(gòu)抗震[1-2]。對(duì)此，郭子雄等[3]提出了核心型鋼-混凝土組合構(gòu)件，即在混凝土柱內(nèi)埋置型鋼結(jié)構(gòu)并配置一定的鋼筋量，形成一種新型的組合結(jié)構(gòu)；該結(jié)構(gòu)不僅能同時(shí)發(fā)揮鋼筋混凝土和型鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，而且截面尺寸小、承載力高，同時(shí)型鋼外包混凝土可有效防止型鋼在復(fù)雜環(huán)境下的銹蝕，解決防火問(wèn)題，避免了鋼材局部屈曲，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)延性不足的缺陷，可大大提高結(jié)構(gòu)的抗震能力[4-5]。

目前，對(duì)于型鋼-混凝土柱結(jié)構(gòu)的研究越來(lái)越多，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一?；荽娴萚6]以實(shí)際工程中矩形截面的型鋼-混凝土柱為背景，開(kāi)展了軸心和偏心荷載下的單調(diào)加載試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)型鋼-混凝土柱結(jié)構(gòu)具有很好的塑性變形能力和延性。Ellobody等[7-8]也開(kāi)展了型鋼-混凝土組合柱在軸心、偏心和溫度荷載下的力學(xué)性能研究，發(fā)現(xiàn)混凝土柱內(nèi)嵌型鋼可有效提高組合柱的受力性能。Tokgoz等[9-10]開(kāi)展了核心型鋼-L型鋼纖維高強(qiáng)鋼筋混凝土組合柱的雙向偏心受壓試驗(yàn)研究，以研究組合柱的受壓性能。賈磊鵬等[11]開(kāi)展了核心型鋼-混凝土組合柱的軸心受壓試驗(yàn)和ABAQUS有限元分析，研究其軸心受壓性能和設(shè)計(jì)方法。劉陽(yáng)等[12]進(jìn)行了核心型鋼-混凝土組合柱的抗震性能和軸壓比限值試驗(yàn)的低周往復(fù)擬靜力試驗(yàn)研究，提出了組合柱軸壓比限值的建議取值。周樂(lè)等[13-14]開(kāi)展了核心型鋼-混凝土組合柱的軸壓試驗(yàn)，研究其在負(fù)載下加固后的力學(xué)性能和破壞模式。李奉閣等[15]開(kāi)展了2榀型鋼混凝土柱-鋼梁框架的低周往復(fù)擬靜力試驗(yàn)研究，分析了其滯回性能、耗能能力等。馬輝等[16]開(kāi)展了9根圓形鋼管型鋼-再生混凝土組合短柱的軸心受壓試驗(yàn)，分析了徑厚比和含鋼率對(duì)其軸壓性能的影響。含鋼率為影響核心型鋼-混凝土組合柱受壓性能的重要參數(shù)，然而，當(dāng)前對(duì)于在不同含鋼率影響下組合柱的破壞特征和極限承載力的計(jì)算研究還不多，仍有待進(jìn)一步深入分析。

為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用ABAQUS數(shù)值分析與理論計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)核心型鋼-混凝土組合柱在軸向荷載下的受壓破壞特征與極限承載力計(jì)算展開(kāi)研究，在現(xiàn)有鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件計(jì)算理論的基礎(chǔ)上考慮含鋼率的影響，并對(duì)不同含鋼率下組合柱的極限受力行為進(jìn)行了深入分析，為組合柱的設(shè)計(jì)計(jì)算與相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

1 核心型鋼-混凝土組合柱的設(shè)計(jì)與有限元建模

為了進(jìn)一步確定核心型鋼-混凝土柱設(shè)計(jì)的合理性，本文在文獻(xiàn)[15]的基礎(chǔ)上對(duì)其受壓力學(xué)性能計(jì)算分析，文獻(xiàn)[15]采用的是鋼骨混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)，本文僅取其鋼骨混凝土柱作為計(jì)算模型，并與文獻(xiàn)[15]采用相同的核心型鋼-混凝土柱截面尺寸以及混凝土、型鋼和鋼筋的基本力學(xué)參數(shù)。

含鋼率研究參數(shù)分別為0%、2.83%、3.54%、4.25%、5.66%和7.08%，分別命名為S-RC-0～S-RC-5。核心型鋼-混凝土柱高H為1.2 m，采用尺寸200 mm的正方形截面，混凝土柱內(nèi)配置了4Φ12縱向鋼筋和Φ6@100箍筋，鋼筋保護(hù)層厚度為15 mm。

采用ABAQUS通用有限元軟件進(jìn)行核心型鋼-混凝土柱的建模分析，假定混凝土與型鋼澆筑牢固，采用面面綁定(Tie)，縱向鋼筋與箍筋合并成一個(gè)鋼筋籠嵌入(Embedded region)混凝土柱內(nèi)，同時(shí)于柱底面設(shè)置一塊截面尺寸為b×h×t=600 mm×500 mm×100 mm的混凝土墊塊，核心型鋼-混凝土柱底面與混凝土墊塊頂面進(jìn)行Tie約束，混凝土墊塊底面采用固結(jié)。

分析中，采用分步位移軸向加載，設(shè)定最終加載位移為10 mm，加載增量2 mm。在柱頂10 mm位置處設(shè)置參考點(diǎn)RP，參考點(diǎn)與柱頂面采用耦合(Coupling)，位移施加在參考點(diǎn)之上。有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 有限元模型及其邊界約束

2 核心型鋼-混凝土組合柱受壓性能計(jì)算分析

2.1 外包混凝土柱的破壞行為

圖2給出了受不同含鋼率影響的外包混凝土柱受壓破壞情況，圖3給出了外包混凝土柱最嚴(yán)重破壞位置與含鋼率關(guān)系，其中，最嚴(yán)重破壞高度是指破壞位置至柱頂?shù)木嚯x。

由圖2可知，組合柱的含鋼率增大，外包混凝土的塑性應(yīng)變隨之減小，混凝土壓碎破壞有所改善，同時(shí)混凝土破壞的范圍更寬，減小了應(yīng)力集中，可有效改善混凝土柱的局部破壞。此外，由圖3可以發(fā)現(xiàn)，外包混凝土柱的破壞位置與含鋼率表現(xiàn)為非線性關(guān)系，關(guān)系曲線存在2個(gè)不同階段，分別為無(wú)含鋼率和受含鋼率影響階段。當(dāng)含鋼率逐漸減小至0時(shí)，外包混凝土柱的破壞位置會(huì)逐漸朝著柱底部發(fā)展，不利于結(jié)構(gòu)整體受力，這是引起整體結(jié)構(gòu)垮塌的主要原因。而當(dāng)含鋼率逐漸增大時(shí)，引起組合柱的內(nèi)力重分布，外包混凝柱的破壞位置逐漸朝柱中部發(fā)展，受力更為均勻。

a)S-RC-1

b)S-RC-2

c)S-RC-3

d)S-RC-4

e)S-RC-5

f)S-RC-0

圖3 外包混凝土柱最嚴(yán)重破壞位置-含鋼率的關(guān)系曲線

2.2 內(nèi)嵌型鋼柱的破壞行為

圖4給出了受不同含鋼率影響的內(nèi)嵌型鋼柱受壓破壞情況，圖5給出了內(nèi)嵌型鋼柱最嚴(yán)重破壞位置與含鋼率關(guān)系，其中不包括S-RC-0組合柱，因其含鋼率為0，即無(wú)內(nèi)嵌型鋼柱，圖中給出的最嚴(yán)重破壞高度是指破壞位置至柱頂?shù)木嚯x。

a)S-RC-1

b)S-RC-2

c)S-RC-3

d)S-RC-4

e)S-RC-5

由圖4可知，組合柱設(shè)計(jì)的含鋼率越大，內(nèi)嵌型鋼的塑性應(yīng)變?cè)叫?，外包混凝土有效地保護(hù)了型鋼的受力，可延緩型鋼柱過(guò)早屈服，同時(shí)破壞的范圍也更寬，可有效避免型鋼的局部屈曲現(xiàn)象。由圖5可知，內(nèi)嵌型鋼柱的破壞位置與含鋼率表現(xiàn)為近似線性關(guān)系，隨著含鋼率增大，內(nèi)嵌型鋼柱的最嚴(yán)重破壞位置沿著柱中部發(fā)展，與外包混凝土柱破壞的發(fā)展規(guī)律相似。

圖5 內(nèi)嵌型鋼柱最嚴(yán)重破壞位置-含鋼率的關(guān)系曲線

2.3 組合柱受壓極限承載力計(jì)算

對(duì)組合柱極限承載力的極限進(jìn)行分析，此處采用承載力占比ξsc來(lái)定義內(nèi)嵌型鋼柱在組合柱中承受外部荷載的貢獻(xiàn)，可通過(guò)式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中:Fsc為組合柱的極限承載力,kN;Fc為外包混凝土柱的極限承載力,kN。

通過(guò)式(2)可計(jì)算出不同含鋼率下型鋼柱承載比變化情況，詳見(jiàn)圖6。由圖6可以看出型鋼柱承載比隨著含鋼率增大而提高。通過(guò)線性擬合方法，可得到型鋼柱承載比與含鋼率成正相關(guān)，如圖6所示，變異系數(shù)R2=0.999 4，說(shuō)明了擬合曲線能很好地體現(xiàn)兩者變化情況。

圖6 型鋼承載比-含鋼率曲線

ξF=72.32ρa(bǔ)+0.004 16

(2)

我國(guó)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)[17]和《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 138—2001)[18]分別規(guī)定了鋼筋混凝土軸心抗壓柱和型鋼-混凝土軸心抗壓柱的極限承載力計(jì)算，詳見(jiàn)式(3)～式(5)。

Nc=0.9φf(shuō)cAc+fyAy

(3)

Nsc=φf(shuō)cAc+fyAy+fsAs

(4)

Nsc=1+ξsc·0.9φf(shuō)cAc+fyAy

(5)

式中:Nc為鋼筋混凝土柱軸向壓力設(shè)計(jì)值,N;Nsc為型鋼-混凝土組合柱的軸向壓力設(shè)計(jì)值,N;φ為鋼筋混凝土柱的穩(wěn)定系數(shù);fc為混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)值,MPa;A為構(gòu)件截面面積,mm2;fy為鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,MPa；Ay為全部縱向鋼筋截面面積,mm2;fs為型鋼抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,MPa；As為型鋼截面面積,mm2;

采用式(3)可計(jì)算得到鋼筋混凝土軸心抗壓柱的極限承載力值，通過(guò)考慮型鋼柱承載力占比ξsc系數(shù)的影響，即可計(jì)算得到不同含鋼率下組合柱的極限承載力，如圖7所示。由圖7可知，采用式(4)和式(5)可較為準(zhǔn)確地計(jì)算型鋼-混凝土組合柱的極限承載力，相比式(5)的計(jì)算精度較好，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型的合理性。

圖7 型鋼-混凝土組合柱的極限承載力計(jì)算值

3 結(jié)論

以核心型鋼-混凝土組合柱為研究對(duì)象，基于有限元與理論分析相結(jié)合的方法，通過(guò)ABAQUS軟件建立了組合柱的三維實(shí)體有限元模型，研究了不同含鋼率對(duì)外包混凝土柱和內(nèi)嵌型鋼柱的破壞特征以及對(duì)組合柱極限承載力的影響，結(jié)論如下：

1)組合柱的含鋼率增大，外包混凝土的塑性應(yīng)變隨之減小，混凝土壓碎破壞有所改善，同時(shí)混凝土的破壞范圍更寬，減小了應(yīng)力集中，可有效改善混凝土柱的局部破壞。

2)組合柱設(shè)計(jì)的含鋼率越大，內(nèi)嵌型鋼的塑性應(yīng)變?cè)叫?，外包混凝土可有效保護(hù)型鋼的受力，延緩型鋼柱過(guò)早屈服，同時(shí)破壞的范圍也更寬，能有效避免型鋼的局部屈曲現(xiàn)象。

3)外包混凝土柱的破壞位置與含鋼率表現(xiàn)為非線性關(guān)系，內(nèi)嵌型鋼柱的破壞位置與含鋼率表現(xiàn)為近似線性關(guān)系。而型鋼承載比隨著含鋼率增大而提高，兩者成正相關(guān)。

4)考慮型鋼承載比的鋼筋混凝土柱極限承載力理論公式，可更為準(zhǔn)確地計(jì)算組合柱的極限承載力，且較好地與有限元計(jì)算結(jié)果吻合，驗(yàn)證了有限元模型的合理性。