李幗昌，曹凱奇，楊志堅，邱增美

(沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧 沈陽 110168)

型鋼混凝土柱具有延性好、耐火、承載力高等優(yōu)點，且可以滿足空間需求，提高房屋有效使用面積，因此在工程中被廣泛應用。目前，諸多學者已對型鋼高強混凝土柱進行了軸心受壓試驗研究[1-3]。為研究型鋼高強混凝土短柱的軸壓性能，趙根田等[4]對具有不同型鋼截面尺寸、混凝土強度和配箍率的型鋼高強混凝土短柱進行了非線性分析；E.Ellobody等[5]通過ABAQUS建立了非線性有限元模型，對型鋼混凝土柱進行了數(shù)值模擬。由于型鋼與混凝土存在粘結(jié)滑移破壞的現(xiàn)象，研究人員設計了開孔板、栓釘、開孔波折板、角鋼等各類抗剪連接件，并通過推出試驗研究其受力性能[6-7]。鑒于混凝土和鋼材之間存在粘結(jié)滑移，為了增大混凝土與型鋼之間的接觸面積，增強二者的粘結(jié)作用，近年來，部分學者開始將栓釘抗剪連接件應用于型鋼混凝土柱中進行試驗及有限元分析。楊怡亭等[8]對焊接栓釘?shù)膱A截面型鋼混凝土柱進行了軸心受壓試驗以及有限元分析；卜良桃等[9]對布置栓釘?shù)男弯摶钚苑勰┗炷林M行了軸壓性能分析，并結(jié)合相關規(guī)范給出了該組合結(jié)構(gòu)的近似承載力公式；鞏玉發(fā)等[10]以軸壓比、混凝土強度、栓釘間距為參數(shù)，通過ABAQUS對布置栓釘?shù)男弯摶炷林M行了滯回有限元分析。

以上分析表明，國內(nèi)外學者主要對型鋼高強混凝土柱軸壓性能以及抗剪連接件受力性能進行研究，但在型鋼混凝土柱中布置抗剪連接件，并通過有限元軟件分析抗剪連接件對組合柱軸壓性能是否有影響的研究較少?；诖耍P者將李幗昌等[11-12]設計開發(fā)的π形開孔板、π形CR兩種新型抗剪連接件應用于型鋼混凝土柱中，利用有限元軟件ABAQUS對布置抗剪連接件的型鋼混凝土軸壓短柱進行數(shù)值模擬，研究了構(gòu)件的應力狀態(tài)并進行參數(shù)分析。研究表明:在型鋼翼緣設置抗剪連接件可以增強型鋼與混凝土的粘結(jié)作用，提高構(gòu)件延性。

1 構(gòu)件設計

筆者共設計了22個采用新型抗剪連接件的型鋼混凝土短柱，分析不同參數(shù)對型鋼混凝土短柱的影響。構(gòu)件截面寬度b=300 mm，高度h=400 mm，長度l=1 200 mm；構(gòu)件內(nèi)型鋼高度h1=200 mm，型鋼寬度b1=150 mm，腹板厚度tw=10 mm，翼緣厚度t=12 mm，構(gòu)件截面形式及配筋如圖1所示，構(gòu)件參數(shù)見表1。在構(gòu)件型鋼翼緣處布置栓釘抗剪連接件、π形開孔板抗剪連接件和π形CR抗剪連接件，其中型鋼與抗剪連接件均選用Q355鋼材，抗剪連接件的形式及尺寸如圖2所示。

圖1 構(gòu)件截面尺寸及配筋Fig.1Dimensions and reinforcement details of specimens

表1 構(gòu)件參數(shù)Table 1Parameters of specimens

圖2 抗剪連接件Fig.2Shear connectors

2 有限元模型的建立

2.1 本構(gòu)關系

2.1.1 混凝土本構(gòu)關系

在實際受力過程中，考慮到型鋼上下翼緣、腹板、箍筋對混凝土都有加強作用，導致不同區(qū)域的混凝土本構(gòu)關系有所差異。因此，將截面劃分為無約束區(qū)、弱約束區(qū)、強約束區(qū)3個區(qū)域[13](見圖3)。其中無約束區(qū)、弱約束區(qū)混凝土采用過鎮(zhèn)海[14]提出的本構(gòu)關系，強約束區(qū)混凝土本構(gòu)以J.A.B.Mander[15]模型為基礎，并參考趙憲忠[16-17]提出的模型關系進行計算?；炷镣ㄟ^考慮塑性損傷來進行數(shù)值模擬，損傷因子根據(jù)文獻[18]中的公式計算得到。其中混凝土膨脹角、偏心率等相關參數(shù)的設置采用ABAQUS默認數(shù)值。

圖3 混凝土約束分布圖Fig.3Concrete restraint distribution

2.1.2 鋼材本構(gòu)關系

型鋼通過焊接工藝拼裝在一起，在建模過程中忽略高溫焊接對鋼材影響，假定鋼材是各向同性的。為了簡化模型以及計算方便，型鋼、抗剪連接件、鋼筋均采用雙折線理想模型。鋼材應力-應變曲線如圖4所示。

圖4 鋼材本構(gòu)關系Fig.4Constitutive relation of steel

2.2 構(gòu)件建模過程

模型建立過程中，型鋼、混凝土、抗剪連接件(π形開孔板抗剪連接件、π形CR抗剪連接件、栓釘)均采用C3D8R實體單元，縱筋、箍筋、貫穿鋼筋均采用桁架單元(T3D2)。上下端板視為剛體，不考慮其變形。

為提高計算速度以及精確度，設置混凝土、型鋼、混凝土榫、抗剪連接件的網(wǎng)格密度為40，蓋板網(wǎng)格密度為30，鋼筋為50。在建立接觸關系時，混凝土與型鋼、混凝土與抗剪連接件之間均采用法向硬接觸、切向摩擦約束，抗剪連接件與型鋼、混凝土與混凝土榫均采用tie接觸(綁定)，鋼筋嵌入到整個模型中。各部件之間的接觸關系如圖5(a)所示。

圖5 有限元模型Fig.5Finite element model

考慮到構(gòu)件的實際受力情況，為保證柱底為固定端，邊界設置為U1=U2=U3=0、UR1=UR2=UR3=0；在柱頂設置參考點RF1，并將RF1與端板約束在一起，U1=U2=U3=0、UR1=UR2=UR3=0，通過位移加載對柱頂RF1處施加豎向荷載。構(gòu)件加載及邊界條件如圖5(b)所示。

3 有限元計算結(jié)果

3.1 有限元計算結(jié)果的驗證

為驗證有限元模型的正確性，筆者對采用新型抗剪連接件的型鋼混凝土短柱進行軸壓試驗，構(gòu)件截面尺寸、抗剪連接件形式及間距見表1，配筋形式見圖1?；炷亮⒎襟w抗壓強度為58 MPa，鋼材力學性能見表3。其中fy為屈服強度，fu為極限強度，Es為彈性模量。

表3 鋼材力學性能Table 3Mechanical properties of steel

試驗破壞模態(tài)及荷載-相對位移曲線與有限元模型的分析結(jié)果對比如圖6所示，圖中Nf為模擬結(jié)果，Ne為試驗結(jié)果。

圖6 有限元模型驗證Fig.6Verification of finite element model

由于試驗中試件底部墊板處可能存在虛位移或者試件澆筑過程存在一定的初始缺陷，從而導致有限元分析結(jié)果的剛度整體大于試驗值，為了消除上述缺陷所帶來的影響，筆者對模擬值與試驗值進行歸一化處理然后再對比分析，橫坐標為軸向變形與屈服位移的比值(Δ/Δy)。由圖6可以看出，有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，兩個構(gòu)件峰值荷載分別相差2.44%、1.84%。表明此建模方法能較準確地模擬該構(gòu)件的軸壓性能，因此可以按照該建模方法對采用新型抗剪連接件的型鋼混凝土柱進行參數(shù)分析。

3.2 典型構(gòu)件應力分析

3.2.1 混凝土縱向應力

圖7為典型構(gòu)件SRCDC-1混凝土中截面縱向應力分布圖。由圖可知，構(gòu)件在受力過程中混凝土的縱向應力分布均勻，型鋼上下翼緣附近的應力值變化明顯，說明型鋼翼緣部分對混凝土的約束作用較強。從圖7(a)可以看出，加載至0.75Pu(Pu為峰值荷載)時，構(gòu)件四角處混凝土縱向應力較大，且外圍混凝土的縱向應力大于內(nèi)部混凝土縱向應力。此時構(gòu)件角部混凝土的縱向應力為0.81fc(fc為混凝土軸心抗壓強度)左右，強約束區(qū)混凝土縱向應力為0.69左右?？梢钥闯?，混凝土縱向應力由外向內(nèi)逐漸減小，說明加載初期，外圍混凝土對軸力的貢獻更大；除角部混凝土外，其他區(qū)域內(nèi)混凝土與強約束區(qū)混凝土的縱向應力數(shù)值大小相近，說明此時型鋼還沒有充分發(fā)揮作用。從圖7(b)可以看出，由0.75Pu加載至峰值荷載時，混凝土縱向應力明顯增大，強約束區(qū)混凝土縱向應力最先超過混凝土峰值應力，應力等值線由弱約束區(qū)向強約束區(qū)發(fā)展，這表明型鋼發(fā)揮作用，提高了對混凝土的約束作用。

圖7 構(gòu)件SRCDC-1混凝土縱向應力Fig.7Concrete longitudinal stresses of SRCDC-1

3.2.2 接觸應力

構(gòu)件SRCDC-1、SRCD中混凝土與型鋼不同位置處的平均接觸應力關系曲線如圖8所示。從圖8可以看出，構(gòu)件型鋼翼緣的接觸應力大于型鋼腹板處的接觸應力，說明在型鋼混凝土柱中，型鋼上下翼緣對混凝土的作用更強。在加載前期，測點3、測點4處與混凝土之間的作用較小，隨著繼續(xù)加載，二者間的接觸應力增大。加載至峰值荷載時，構(gòu)件SRCDC-1中1點、2點、3點、4點處的接觸應力分別為2.74 MPa、4.96 MPa、1.09 MPa、0.50 MPa；構(gòu)件SRCD中相應位置處的接觸應力分別為0.60 MPa、0.77 MPa、1.47 MPa、0 MPa。峰值荷載過后，隨著混凝土的橫向膨脹，此時型鋼翼緣與腹板轉(zhuǎn)角處接觸應力變大。由圖8可知，受力過程中，與未布置抗剪連接件的構(gòu)件相比，布置π形CR抗剪連接件的構(gòu)件中型鋼翼緣處的接觸應力更大；且布置抗剪連接件的型鋼翼緣1點處接觸應力在構(gòu)件屈服時達到最大值，2點處在峰值荷載時達到最大值，但未布置抗剪連接件的構(gòu)件，在構(gòu)件未屈服前翼緣處接觸應力已達到最大值。布置抗剪連接件的構(gòu)件型鋼翼緣3點處接觸應力在承載力達到峰值荷載后一直增長；未布置抗剪連接件構(gòu)件達到峰值荷載時，型鋼翼緣3點處接觸應力達到最大值。綜上可知，布置抗剪連接件可使型鋼與混凝土之間的接觸應力更大，從而可以增強型鋼與混凝土之間的粘結(jié)作用。

圖8 型鋼與混凝土的接觸應力Fig.8Contact stresses between steel and concrete

4 參數(shù)分析

4.1 抗剪連接件

將π形開孔板抗剪連接件、π形CR抗剪連接件分別以100 mm、200 mm和300 mm的間距布置于型鋼混凝土柱中，分析抗剪連接件布置間距對構(gòu)件荷載-位移曲線的影響，曲線如圖9所示。由圖可知，構(gòu)件達到峰值荷載前，荷載-位移曲線基本重合，表明π形開孔板抗剪連接件、π形CR抗剪連接件對構(gòu)件剛度無影響；且布置不同間距的上述兩種抗剪連接件對型鋼混凝土柱軸壓承載力基本無影響。布置抗剪連接件雖未提高構(gòu)件承載力，但相較于未布置抗剪連接件的構(gòu)件，布置抗剪連接件的型鋼混凝土柱荷載-位移曲線下降段明顯變緩，延性得到改善。

圖9 抗剪連接件對構(gòu)件荷載-位移影響曲線Fig.9Influence of shear connectors on load - displacement curves of specimens

4.2 體積配箍率

通過改變箍筋間距研究體積配箍率對構(gòu)件荷載-位移曲線的影響，曲線如圖10所示。由圖可知，構(gòu)件承載力以及初始剛度隨體積配箍率的增大而提高，主要是由于體積配箍率增大，使得箍筋增強了對混凝土的約束作用，進而混凝土的抗壓強度也隨之提高。構(gòu)件體積配箍率由0.51%提高至0.67%時，布置π形CR抗剪連接件的構(gòu)件承載力提高幅度較小(3.14%)，而布置π形開孔板抗剪連接件的型鋼混凝土柱承載力提高了6.72%；體積配箍率由1.33%提高至2.66%時，各構(gòu)件承載力分別提高5.21%、5.01%。

圖10 體積配箍率對構(gòu)件荷載-位移影響曲線Fig.10Influence of volume stirrup ratio on load-displacement curves of specimens

4.3 混凝土強度

混凝土強度對構(gòu)件荷載-位移影響曲線如圖11所示。從圖中可以看出，改變混凝土強度對構(gòu)件峰值荷載影響較大，構(gòu)件承載力以及初始剛度隨混凝土強度的提高而提高。由圖11(a)可知，混凝土強度由C40提高至C80時，布置π形CR抗剪連接件的型鋼混凝土柱承載力分別提高13.65%、12.19%、14.33%、8.7%。由圖11(b)可知，混凝土強度由C40提高至C60時，布置π形開孔板抗剪連接件的型鋼混凝土柱承載力分別提高12.73%、11.36%、13.71%、7.02%?？梢钥闯龌炷翉姸扔蒀70變?yōu)镃80時，試件承載力增幅變?。磺译S混凝土強度的提高，構(gòu)件荷載-位移曲線下降段明顯變陡，表明混凝土等級對型鋼混凝土柱的延性有一定影響。

圖11 混凝土強度對構(gòu)件荷載-位移影響曲線Fig.11Influence of concrete strength on load-displacement curves of specimens

5 結(jié) 論

(1)受力過程中，布置新型抗剪連接件的構(gòu)件混凝土縱向應力變化均勻，且連接件可以提高型鋼與混凝土之間的接觸應力，從而增強二者之間的粘結(jié)作用。

(2)在型鋼翼緣布置π形開孔板抗剪連接件、π形CR抗剪連接件可以提高構(gòu)件延性，但對軸壓承載力影響較小。

(3)隨著體積配箍率和混凝土強度的提高，布置π形開孔板抗剪連接件、π形CR抗剪連接件的型鋼混凝土柱承載力以及初始剛度逐漸提高。