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角鋼套箍高強(qiáng)混凝土軸壓短柱承載力分析與設(shè)計建議

2016-09-06 09:32:06張云雷張文福袁朝慶劉迎春王樹偉徐松芝
東北石油大學(xué)學(xué)報 2016年1期
關(guān)鍵詞:短柱軸壓角鋼

計 靜, 張云雷, 張文福, 袁朝慶, 劉迎春, 王樹偉, 徐松芝

( 1. 東北石油大學(xué) 黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程重點實驗室,黑龍江 大慶 163318; 2. 香港理工大學(xué) 土木與環(huán)境工程系,香港 九龍 紅勘 )

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角鋼套箍高強(qiáng)混凝土軸壓短柱承載力分析與設(shè)計建議

計靜1,2, 張云雷1, 張文福1, 袁朝慶1, 劉迎春1, 王樹偉1, 徐松芝1

( 1. 東北石油大學(xué) 黑龍江省防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程重點實驗室,黑龍江 大慶163318;2. 香港理工大學(xué) 土木與環(huán)境工程系,香港 九龍 紅勘 )

以套箍系數(shù)、混凝土等級和鋼材屈服強(qiáng)度為控制參數(shù),設(shè)計15根剪跨比為1.5的角鋼套箍高強(qiáng)混凝土軸壓短柱;基于簡化的鋼材本構(gòu)模型和考慮套箍效應(yīng)的約束高強(qiáng)混凝土本構(gòu)模型,采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值仿真分析,通過與實驗數(shù)據(jù)對比驗證有限元建模的合理性;考察不同套箍系數(shù)、混凝土強(qiáng)度等級和角鋼屈服強(qiáng)度等級對角鋼套箍高強(qiáng)混凝土軸壓短柱力學(xué)性能的影響;考慮綴板對混凝土的套箍效應(yīng),引入綴板影響因數(shù),利用1stopt軟件反演影響因數(shù)與套箍系數(shù)之間線性關(guān)系,建立角鋼套箍高強(qiáng)混凝土軸壓短柱極限承載力計算表達(dá)式,提出軸壓短柱的設(shè)計方法與施工建議。結(jié)果表明,套箍系數(shù)比其他參數(shù)對軸壓短柱的承載力和延性的影響更加顯著,為該短柱在新建和改造工程中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

角鋼套箍高強(qiáng)混凝土; 軸壓; 短柱; 套箍系數(shù); 承載力; 設(shè)計建議

0 引言

角鋼套箍高強(qiáng)混凝土柱是在素高強(qiáng)混凝土構(gòu)件外部四角配置角鋼的一種組合結(jié)構(gòu)形式[1-4],角鋼之間通過橫向綴板焊接連接,構(gòu)件內(nèi)部不再設(shè)置縱向鋼筋。該類構(gòu)件不但構(gòu)造簡單、連接方便,而且具有承載力高、延性好等獨特的力學(xué)特性。同時,將高強(qiáng)混凝土應(yīng)用于外包角鋼混凝土構(gòu)件,能夠大幅減小構(gòu)件的截面尺寸,減少混凝土的用量,有效減輕結(jié)構(gòu)的自重。

Sheikh S A等[5]首先開展鋼板箍約束角鋼空間桁架混凝土柱的軸壓靜力試驗,考察柱的破壞過程,利用荷載—軸向變形曲線給出承載力計算公式,結(jié)果表明鋼板箍間距和數(shù)量可以明顯改善核心混凝土的強(qiáng)度和延性。Rosario M等[6]開展13組角鋼混凝土柱的偏心受壓試驗,提出該類構(gòu)件的理論分析模型,用于精確分析角鋼混凝土柱及普通鋼筋混凝土柱的承載力。任富棟等[7]開展外包角鋼加固鋼筋混凝土框架柱試驗,獲得加固框架柱的破壞形式,提出角鋼加固柱的設(shè)計理論。姜紹飛等[8]探討混凝土軸壓強(qiáng)度、縱向含鋼率、配箍間距和箍筋直徑對軸壓外包角鋼短柱力學(xué)性能的影響,給出承載力計算公式。魯華偉[9]開展10根長細(xì)比為3的角鋼約束普通混凝土軸壓短柱試驗,獲得破壞形態(tài)和豎向荷載—位移曲線,探討構(gòu)件截面、綴板間距,以及混凝土軸心抗壓強(qiáng)度對角鋼約束混凝土柱承載力和延性性能的影響,提出角鋼強(qiáng)度降低系數(shù)的概念,并回歸得出角鋼強(qiáng)度降低系數(shù)隨套箍系數(shù)變化的規(guī)律。

目前,對角鋼套箍高強(qiáng)混凝土短柱研究的相關(guān)報道較少,相應(yīng)的理論也不成熟?;趯嶒灁?shù)據(jù),筆者采用ANSYS有限元軟件[10-11],開展不同參數(shù)下的角鋼套箍高強(qiáng)混凝土軸壓短柱的數(shù)值分析,獲得軸壓短柱的力學(xué)性能,給出承載力計算表達(dá)式,并提出設(shè)計方法與施工建議。該研究結(jié)果不僅有一定的理論意義和實際工程實用價值,同時也為《鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的完善提供依據(jù)。

表1 DZ試件參數(shù)

1 試件設(shè)計

以綴板間距s、套箍系數(shù)λt、混凝土強(qiáng)度等級和角鋼強(qiáng)度等級為控制參數(shù),設(shè)計15根角鋼套箍的核心高強(qiáng)混凝土組合柱(剪跨比為1.5),參數(shù)見表1。試件為等邊角鋼,厚度為5 mm,邊長為50 mm,用“∠50×5”表示;試件高度為600 mm;試件截面尺寸為200 mm×200 mm。DZ-2試件的外形尺寸及柱截面構(gòu)成見圖1。

2 模型與驗證

2.1鋼材和套箍高強(qiáng)混凝土本構(gòu)模型

鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用簡化的雙線性模型[12-15],不考慮屈服后的強(qiáng)度硬化,采用Mises屈服準(zhǔn)則,本構(gòu)模型見圖2。角鋼對核心混凝土的套箍作用與箍筋對混凝土的約束性質(zhì)類似,基于Mander J B、楊坤等提出的箍筋約束混凝土本構(gòu)模型[16-18],對角鋼約束的混凝土核心有效約束區(qū)進(jìn)行修正,得到適用于角鋼約束的高強(qiáng)混凝土的本構(gòu)模型(見圖3),核心有效約束區(qū)見圖4。

圖1 DZ-2試件尺寸及截面形式(mm)Fig.1 Dimesions and sectional form of specimen DZ-2(mm)

組合柱核心高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度表達(dá)式的構(gòu)成形式與箍筋約束混凝土本構(gòu)模型[16]一致:

(1)

(2)

式中:fr為橫向鋼板的約束應(yīng)力;ke為有效約束系數(shù)。ke的計算表達(dá)式:

(3)

式中:Ae為鋼板對核心混凝土的有效約束面積;Acc為截面鋼板形心包圍的核心混凝土面積除去縱向角鋼的面積。Acc的計算表達(dá)式:

(4)

式中:Ac為截面鋼板形心包圍的核心混凝土面積;ρcc為縱向角鋼的總面積與截面鋼板形心包圍的核心混凝土面積比值。

圖2 鋼材的本構(gòu)模型

圖3 高強(qiáng)混凝土的本構(gòu)模型

圖4 高強(qiáng)混凝土有效約束區(qū)域Fig.4 Effective constrained zone of high-strength concrete

[16]矩形箍筋約束混凝土柱的核心有效約束區(qū),結(jié)合角鋼約束的特點,給出鋼板套箍約束高強(qiáng)混凝土柱的有效核心約束區(qū)(見圖4)。Ae的計算表達(dá)式:

(5)

將式(4)、式(5)代入式(3),計算有效約束系數(shù)ke:

(6)

組合柱核心高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度對應(yīng)的約束高強(qiáng)混凝土峰值應(yīng)變表達(dá)式為

(7)

式中:εcc和εco分別為約束高強(qiáng)混凝土和素高強(qiáng)混凝土的峰值應(yīng)變。

利用式(1)和式(7)求得套箍高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變,代入式(8)求得本構(gòu)模型的表達(dá)式:

(8)

2.2有限元模型

為了獲得試件的荷載—位移曲線,在ANSYS有限元建模[9]中采用SOLID45三維實體單元模擬角鋼及綴板,采用SOLID65單元模擬高強(qiáng)混凝土,觀察高強(qiáng)混凝土的拉裂、壓潰、塑性變形和蠕變現(xiàn)象。采用Drucker-Prager模型模擬混凝土塑性的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,裂縫的處理方式采用分布模型。采用實體建模方法建立角鋼約束高強(qiáng)混凝土柱有限元模型,不考慮高強(qiáng)混凝土的收縮、徐變,采用GLUE命令將高強(qiáng)混凝土和鋼骨架粘結(jié)形成一體。采用掃略法進(jìn)行幾何模型網(wǎng)格劃分,得到離散有限單元,以DZ-2試件網(wǎng)格劃分為例(見圖5),對柱底所有節(jié)點自由度進(jìn)行約束并形成固接;柱頂豎向(Y方向)全部節(jié)點自由度耦合,豎向位移自由,X和Z方向節(jié)點自由度全部約束。將荷載施加在柱頂上,自由度耦合能夠避免柱頂?shù)木植渴軌浩茐摹?/p>

圖5 鋼骨架、高強(qiáng)混凝土和角鋼套箍組合柱有限元網(wǎng)格劃分Fig.5 Finite element grid division of steel skeleton, high-strength concrete and composite column

2.3實驗驗證

為驗證有限元建模的合理性,采用2.2的建模方法,對5組試件[8]進(jìn)行有限元數(shù)值分析,獲得試件的豎向荷載—位移關(guān)系曲線并與實驗結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果見圖6;與實驗承載力對比結(jié)果見表2,承載力誤差小于10%,有限元計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。仿真分析曲線比試驗曲線的位移偏小,原因是ANSYS有限元數(shù)值模擬到一定位移時,組合柱內(nèi)部單元之間離散很大,導(dǎo)致計算程序不收斂。

圖6 軸壓短柱有限元數(shù)值分析結(jié)果與實驗荷載—位移曲線Fig.6 Comparison of load-displacement curves between ANSYS and test

試件編號實驗承載力/kN有限元分析承載力/kN實驗與有限元分析承載力誤差/%ARCC1196021308.00ARCC2217023628.05ARCC3262027815.76ARCC4125013406.72ARCC5185018701.07

3 擴(kuò)展參數(shù)數(shù)值分析

采用ANSYS有限元軟件,對15根角鋼套箍高強(qiáng)混凝土軸壓短柱開展軸壓分析,提取試件的荷載-位移曲線,考察套箍系數(shù)、混凝土強(qiáng)度等級和角鋼屈服強(qiáng)度等級對角鋼套箍高強(qiáng)混凝土柱軸壓剛度、延性和承載力等力學(xué)性能的影響規(guī)律。

3.1套箍系數(shù)

不同套箍系數(shù)對角鋼約束高強(qiáng)混凝土軸壓短柱影響的荷載—位移曲線見圖7。由圖7可以看出,軸壓短柱荷載—位移曲線初始階段為直線段,主要表現(xiàn)構(gòu)件的彈性性能。隨著套箍系數(shù)的增大,初始剛度逐漸增大,且構(gòu)件的極限承載力顯著提高。隨著綴板間距減小,荷載—位移曲線下降變慢,表明隨著綴板間距的減小軸壓短柱的延性增強(qiáng)。

圖7 不同套箍系數(shù)的軸壓短柱荷載—位移曲線Fig.7 Comparison of load-displacement curves of composite columns with different hoop coefficients

3.2混凝土強(qiáng)度等級

不同混凝土強(qiáng)度等級(C60、C70、C80)對角鋼約束高強(qiáng)混凝土軸壓短柱影響的荷載—位移曲線見圖8。由圖8可以看出,軸壓短柱的初始剛度基本相同,隨著位移增加,曲線逐漸偏離縱軸線。隨著混凝土強(qiáng)度等級提高,剛度表現(xiàn)略有增大,屈服荷載和極限承載力明顯提高,屈服位移變化不明顯。

3.3角鋼強(qiáng)度等級

不同角鋼屈服強(qiáng)度(Q235、Q345、Q390)對角鋼約束高強(qiáng)混凝土軸壓短柱影響的荷載—位移曲線見圖9。由圖9可以看出,初始剛度基本不變,屈服荷載和極限承載力隨著角鋼屈服強(qiáng)度的增大明顯提高,同時采用能量法確定的屈服位移也明顯增大。

圖8 不同核心混凝土強(qiáng)度的組合柱荷載—位移曲線

圖9 不同角鋼強(qiáng)度等級的組合柱荷載—位移曲線Fig.9 Comparison of load-displacement curves of columns

4 軸壓短柱承載力表達(dá)式

通過ANSYS有限元軟件對15組試件的模擬分析,獲得不同控制參數(shù)下的角鋼套箍高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力(見表3)。考慮角鋼和綴板引起的套箍效應(yīng)對角鋼約束高強(qiáng)混凝土短柱抗壓承載力的提高,以鋼筋混凝土柱極限承載力表達(dá)式為參考,引入綴板間距影響系數(shù)αs,構(gòu)建角鋼套箍高強(qiáng)混凝土短柱的極限承載力表達(dá)式。

表3角鋼套箍高強(qiáng)混凝土短柱極限承載力數(shù)值解

Table 3 Numerical solution of ultimate bearing capacity of angle-steel confined high-strength concrete short columns

試件編號承載力/kN試件編號承載力/kN試件編號承載力/kNDZ-11956DZ-62515DZ-112367DZ-22018DZ-72316DZ-122231DZ-32177DZ-82423DZ-132443DZ-42195DZ-92645DZ-142388DZ-52308DZ-102166DZ-152589

角鋼套箍高強(qiáng)混凝土軸壓短柱承載力表達(dá)式可寫為

(9)

利用式(9)獲得15組試件的αs,結(jié)果見表4。利用lstopt程序回歸得到αs與套箍系數(shù)λt的關(guān)系,兩者擬合為直線:

αs=0.656λt+0.496。

(10)

將式(10)代入式(9),得到角鋼套箍高強(qiáng)混凝土軸壓短柱承載力表達(dá)式為

(11)

表4 試件參數(shù)與獲得的綴板間距影響因數(shù)

5 設(shè)計建議

地震發(fā)生時,許多建筑的框架柱因軸壓比過大而發(fā)生破壞,可見瞬時軸壓比增加[19-22],盡管角鋼套箍高強(qiáng)混凝土組合柱的軸壓比限值可以適當(dāng)放寬,但建議按鋼筋混凝土柱的軸壓比限值取值。軸壓比μ表達(dá)式為

(12)

鋼板箍的配箍率需要滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中箍筋體積配筋率的要求。該類柱的軸壓承載力按式(11)計算。

角鋼套箍高強(qiáng)混凝土組合柱實現(xiàn)鋼材的集中化,角鋼之間可穿越型鋼和預(yù)應(yīng)力筋,角鋼套箍高強(qiáng)混凝土組合柱和預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土組合梁可以形成新的結(jié)構(gòu)型式(見圖10)。預(yù)應(yīng)力筋實現(xiàn)在柱端張拉和錨固,適合應(yīng)用于大跨、重載的新建和既有建筑的加固改造。預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土組合梁可實現(xiàn)施工階段的自承重,在既有建筑的增層改造中具有獨特的優(yōu)勢。角鋼外包在高強(qiáng)混凝土柱的外側(cè),便于在組合柱四周焊接龍骨,其上可布置薄膜太陽能發(fā)電板,為室內(nèi)外及走廊提供照明,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能、裝飾與節(jié)能應(yīng)用一體化。薄膜太陽能發(fā)電板的布置見圖10。角鋼套箍高強(qiáng)混凝土組合柱角鋼骨架可在工廠焊接連接,大幅縮短建筑的施工周期。

圖10 采用組合柱和組合梁的大跨框架結(jié)構(gòu)體系及太陽能板的應(yīng)用Fig.10 Large-span frame structure system consisting of composite column and composite beam and application of sun-energy plates

6 結(jié)論

(1)以套箍系數(shù)、混凝土等級和鋼材的屈服強(qiáng)度為控制參數(shù),設(shè)計15根剪跨比為1.5的角鋼套箍高強(qiáng)混凝土軸壓短柱,開展有限元數(shù)值分析,與已有的實驗數(shù)據(jù)對比驗證有限元建模的合理性。

(2)考察不同套箍系數(shù)、不同混凝土強(qiáng)度等級和不同角鋼屈服強(qiáng)度對角鋼套箍高強(qiáng)混凝土短柱力學(xué)性能的影響規(guī)律,回歸出角鋼套箍高強(qiáng)混凝土軸壓短柱承載力表達(dá)式。

(3)提出角鋼套箍高強(qiáng)混凝土組合柱在實際工程中的設(shè)計建議,為該類短柱在土木工程新建和加固工程中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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2015-11-30;編輯:任志平

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(新教師類:20122322120004);黑龍江省自然科學(xué)基金面上項目(E201336);國家自然科學(xué)基金項目(51178087);黑龍江省級領(lǐng)軍人才梯隊后備帶頭人資助項目;東北石油大學(xué)青年骨干出國研修項目

計靜(1977-),男,博士,教授,主要從事土木結(jié)構(gòu)工程方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.012

TU528.57;TU528.01

A

2095-4107(2016)01-0111-10

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