吳孫武，張震

(安徽建筑大學(xué)土木學(xué)院，安徽 合肥 230022)

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方鋼管再生混凝土框架柱的非線性有限元分析

吳孫武，張震

(安徽建筑大學(xué)土木學(xué)院，安徽 合肥 230022)

[摘要]為進一步研究方鋼管再生混凝土框架柱在地震反復(fù)荷載下的抗震性能，基于試驗結(jié)果，選擇合理的材料本構(gòu)關(guān)系及破壞準(zhǔn)則，采用有限元軟件ABAQUS對試驗中框架柱的抗震性能進行非線性分析，得到其荷載-位移滯回曲線。在此基礎(chǔ)上對方鋼管再生混凝土框架柱進行了參數(shù)分析，分析了核心混凝土等級、再生骨料替代率這2個參數(shù)對框架柱抗震性能的影響。研究結(jié)果表明，該模型的計算結(jié)果較為準(zhǔn)確，計算得到的荷載-位移滯回曲線與試驗實測結(jié)果吻合較好；提高核心混凝土等級，試件的承載力提高明顯，但后期變形能力差，延性較差；增大再生骨料替代率可以明顯改善試件的延性，但會降低試件所能達到的極限荷載。研究結(jié)果可供實際工程需要及試驗設(shè)計參考。

[關(guān)鍵詞]鋼管再生混凝土；框架柱；有限元；非線性分析；抗震性能

現(xiàn)階段我國正處在建筑業(yè)快速發(fā)展期，舊建筑的拆除會產(chǎn)生大量的廢棄混凝土，如何更好的處置這些建筑垃圾已引起環(huán)保人士和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。將廢棄混凝土破碎分級作為再生骨料而配置成再生混凝土[1，2]，這類混凝土目前已應(yīng)用于道路和非承重結(jié)構(gòu)中。然而，再生混凝土的強度、彈性模量都較普通混凝土要差，且耐久性不好，不利于其在工程實際中的推廣。

為了推廣再生混凝土的使用范圍，相關(guān)學(xué)者[3～5]將再生混凝土填充至鋼管形成鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)。目前，關(guān)于鋼管再生混凝土的研究主要集中在其軸壓力學(xué)性能和抗震性能上：軸壓力學(xué)性能方面，王玉銀等[6]、邱慈長等[7]、張向?qū)萚8]、楊有福等[9]對軸壓短柱、軸壓長柱和壓彎、純彎構(gòu)件的承載力做了一些相關(guān)研究；抗震性能方面，黃一杰等[10]、張向?qū)萚11，12]、黃丹等[13]、張銳等[14]對鋼管再生混凝土柱的抗震性能進行了試驗研究。但是，關(guān)于鋼管再生混凝土柱的非線性有限元分析鮮有學(xué)者涉及，因此十分有必要對其進行相關(guān)研究。

為此，基于已有的試驗結(jié)果，筆者擬采用大型有限元分析軟件ABAQUS對方鋼管再生混凝土框架柱進行非線性有限元分析，并在此基礎(chǔ)上對框架柱進行參數(shù)分析，探討了核心混凝土等級、軸壓比2個參數(shù)對框架柱抗震性能的影響，以期為實際工程和鋼管再生混凝土框架柱設(shè)計提供參考和借鑒。

1試驗概況

試驗一共設(shè)計制作了4根方鋼管再生混凝土框架柱試驗?zāi)Ｐ?，主要考慮了軸壓比、含鋼率和取代率對框架柱抗震性能的影響。試件編號為Z-0、Z-1、Z-2、Z-3，試件Z-0為普通方鋼管混凝土框架柱，試件Z-1、Z-2、Z-3為方鋼管再生混凝土框架柱，再生骨料替代率為50%?？蚣苤摴懿捎?80mm×180mm的Q235B直縫方鋼管，有效高度L=1200mm，試件Z-2鋼管壁厚6mm，其余框架柱壁厚4mm。試件Z-3柱頂軸力為720kN，軸壓比為0.6，其余框架柱柱頂軸力為480kN，軸壓比為0.4。管內(nèi)核心混凝土等級為C40，立方體平均抗壓強度為40.2MPa。

圖1　加載示意圖

試驗過程中，將試件固定在混凝土底座上，混凝土底座再錨固在地面以此來形成固定約束。試件頂部放置千斤頂來提供軸力，作動器固定在反力墻上來對試件施加低周反復(fù)荷載，試件的加載示意圖如圖1所示。試件屈服前采用荷載控制，到滯回曲線上出現(xiàn)明顯拐點后再采用位移控制，然后按位移的倍數(shù)依次循環(huán)3次，直至試件破壞。

2有限元模型

2.1材料的本構(gòu)模型

常見的低碳軟鋼如Q235鋼、Q345鋼及Q390鋼，這類鋼材在實際工程中應(yīng)用較多，本構(gòu)關(guān)系較為清晰。鋼管內(nèi)核心再生混凝土因受到外部鋼管的包裹，使得其工作性能較為復(fù)雜，且隨著受力狀態(tài)的改變處于動態(tài)變化。鋼材采用文獻[15]的本構(gòu)模型，對再生混凝土的本構(gòu)關(guān)系[16]進行修正，見式(1):

(1)

其中：

A=2.0-KB=1.0-KK=0.1ξ0.745

式中，fck表示核心混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度；ξ為約束特征系數(shù)；r為再生骨料的取代率。另外，再生混凝土泊松比取0.21，鋼材的彈性模量取Es=2.03×105MPa。再生混凝土的彈性模量Ec、軸心抗壓強度fc及立方體抗壓強度fcu的關(guān)系見式(2)：

(2)

2.2單元選取和網(wǎng)格劃分

因設(shè)計的方鋼管再生混凝土框架柱采用的是外露式柱腳，框架柱根部設(shè)置有加勁肋。建模過程中，根部為整個鋼域，為便于建模和計算，將加勁肋區(qū)域忽略。鋼管和核心區(qū)混凝土采用不同的單元類型，鋼管采用殼單元S4R，該單元允許沿著厚度方向產(chǎn)生剪切變形，當(dāng)殼厚度較小時，剪切變形較小?；炷敛捎冒斯?jié)點線性縮減積分三維實體單元C3D8R。劃分網(wǎng)格時采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)對所建模型進行網(wǎng)格劃分，這樣有利于有限元計算結(jié)果的精度，也有利于計算的收斂。

2.2界面模型處理與加載

為了更好模擬出構(gòu)件實際受力情況及建立模型邊界條件，先在柱頂部施加恒定的均布荷載，柱底部完全固定，水平荷載通過位移控制施加在柱頂加載點處。加載方式采用多步驟分析法，即第一個分析步首先在柱頂部施加恒定豎向荷載，其余分析步保持該荷載不變，在加載點處施加側(cè)向位移。將正、反向加載各定義成一個分析步就形成了循環(huán)加載。

3有限元模型驗證

采用上述的有限元模型，利用ABAQUS進行計算后得到了各個試件模型的荷載-位移滯回曲線，將有限元計算曲線與實測曲線繪制于同一張圖中，如圖2所示。

圖2　有限元計算曲線與實測曲線

從圖2可知，有限元計算的結(jié)果和實測曲線吻合較好，說明模擬可以很好的驗證試驗，且滯回曲線非常飽滿，證實了方鋼管再生混凝土框架柱擁有良好的耗能能力和變形能力。但有限元模擬曲線中極限荷載值均大于實測極限荷載值，可作出如下解釋：

1)有限元模型是理想化狀態(tài)，輸入的材料本構(gòu)關(guān)系難免同實際值有所差別；

2)試驗過程中，試件屈服后循環(huán)加載3次，而有限元模擬中滯回曲線只循環(huán)加載了1次，故損傷較小，所能達到的極限荷載值更高。

4影響因素分析

由于試驗限制，不可能大量進行試驗以考察不同材料參數(shù)對框架柱抗震性能的影響。數(shù)值模擬的好處在于可以免除試驗條件的限制，并能針對不同材料參數(shù)進行數(shù)值計算，探究不同材料參數(shù)情況下對鋼管再生混凝土框架柱的抗震性能的影響。

4.1再生混凝土強度的影響

圖3　不同核心混凝土強度下框架柱的骨架曲線

圖4　不同再生骨料替代率下框架柱的骨架曲線

以試件Z-1為考察對象，考察再生混凝土等級強度的影響。分別考察3組不同的混凝土強度C40、C50、C60。不同核心混凝土強度下方鋼管再生混凝土框架柱骨架曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，在框架柱達到極限荷載之前，核心混凝土的等級越高，其框架柱的水平荷載也越大。極限荷載之后，混凝土等級高的框架柱骨架曲線下降階段越陡，下降的速率越快，造成框架柱的延性變差。這是因為有限元計算時僅改變了再生混凝土的等級，外部鋼管強度不變，核心混凝土等級越高，鋼管對其的約束效應(yīng)越低。這就導(dǎo)致了框架柱在加載過程中微裂縫發(fā)展速度加快，不利于后期的承載，故后期承載力下降幅度加大。所以，再生混凝土等級越高，框架柱延性變差，不利于抗震。因此，工程實際中，提高混凝土強度的同時也需要提高鋼管的強度等級，或采用更厚的管壁，這樣方能保證鋼管對混凝土具有更好的約束作用，有利于抗震。

4.2再生骨料替代率的影響

以試件Z-2的為考察對象，改變不同的再生骨料替代率來考察其對抗震性能的影響。不同再生骨料替代率下框架柱的骨架曲線如圖4所示。

圖4列出了再生骨料取代率為50%、75%、100%時框架柱的骨架曲線。由圖4可知，框架柱的初始剛度隨著再生骨料替代率的上升而有所下降，說明再生骨料取代率對框架柱的初始剛度有不利的影響。再生骨料取代率越大，框架柱所達到極限荷載越低。極限荷載之后，隨著再生骨料取代率的上升，骨架曲線承載力下降越緩慢，水平段變長，破壞位移提高，延性較好。因此，再生骨料替代率的增大可以改善框架柱的延性。

5結(jié)論

基于試驗結(jié)果，通過使用ABAQUS軟件建立有限元模型對其進行分析，并研究了核心混凝土等級、再生骨料替代率這2個參數(shù)等框架柱抗震性能的影響，可得出如下結(jié)論：

1)建立的方鋼管再生混凝土框架柱的有限元模型計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合良好，說明用該模型來分析方鋼管再生混凝土結(jié)構(gòu)是可行的。

2)隨著再生混凝土強度的提高，方鋼管再生混凝土框架柱的極限荷載也越高，但下降段更陡，表現(xiàn)出更差的延性和耗能能力。因此，筆者建議若工程中需要增大混凝土等級時，也應(yīng)相應(yīng)增大框架柱管壁的厚度或者強度，才能達到更好的抗震效果。

3)再生骨料取代率對框架柱的初始剛度有不利影響，取代率越大，初始剛度越小。但取代率對框架柱的延性有一定影響，即取代率越大，框架柱的延性越好。

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[編輯]計飛翔

[文獻標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)13-0052-05

[中圖分類號]TU391

[作者簡介]吳孫武(1988-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事地下工程結(jié)構(gòu)方面的研究工作；通信作者：張震，907067328@qq.com。

[基金項目]江蘇省自然科學(xué)基金青年基金資助項目(BJ2013485)；住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部基金資助項目(2012-K21-4)。

[收稿日期]2016-01-14

[引著格式]吳孫武，張震.方鋼管再生混凝土框架柱的非線性有限元分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2016,13(13)：52～56.