歐智菁, 俞 杰

(福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院, 福州 350118)

鋼管約束超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)是由UHPC灌入普通鋼管制備而成, 其承載力、塑性、韌性、抗震性及耐火性等均優(yōu)于普通鋼管約束鋼筋混凝土, 且施工方便、經(jīng)濟[1-3]．在承載力一定的情況下, 鋼管約束UHPC柱的截面積較小, 因此廣泛應(yīng)用于高層、超高層建筑底部的重載柱及對延性要求較高的結(jié)構(gòu)中．

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于鋼管約束混凝土的力學(xué)性能進行了大量研究．周緒紅等[4]的研究表明鋼管約束鋼筋混凝土柱的鋼管約束性僅適用于短柱情況,鋼管與混凝土間的黏結(jié)摩擦和構(gòu)件長度都會限制鋼管的約束作用; Wang等[5]研究鋼管約束鋼筋混凝土雙柱的抗震性能,其側(cè)向載荷能力和彎曲剛度有一定程度的提高; Nie等[6]以鋼管約束鋼筋混凝土柱在純扭轉(zhuǎn)荷載作用下的準靜態(tài)實驗為基礎(chǔ), 建立了有限元模型及其極限扭轉(zhuǎn)能力計算方法, 指出鋼管厚度、截面尺寸和縱筋比是鋼管約束鋼筋混凝土柱扭轉(zhuǎn)能力的最重要參數(shù); Yang等[7]以加熱時間、截面尺寸、長細比、材料強度、鋼管與混凝土面積比和配筋率為參數(shù)進行鋼管約束鋼筋混凝土柱的試驗研究, 提出一種簡化方法預(yù)測鋼管約束鋼筋混凝土柱細長柱受火災(zāi)后的承載能力; Ding等[8]在極限平衡理論的基礎(chǔ)上,建立了適用于圓形鋼管約束鋼筋混凝土柱的極限承載力公式; 臧興震[9]提出了鋼管約束鋼筋高強混凝土柱的承載力計算方法及抗震構(gòu)造方案, 結(jié)合有限元模型及試驗數(shù)據(jù)得出了鋼管約束鋼筋高強混凝土柱的徑厚比、型鋼含鋼率的合理值和栓釘?shù)臉?gòu)造方案; An等[10]研究了約束系數(shù)和徑厚比對鋼管約束UHPC柱強度和延性的影響,驗證了歐洲規(guī)范EC4、美國規(guī)范AISC、日本規(guī)范AIJ和一些現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的適用性．

綜上所述,目前相關(guān)研究主要針對鋼管約束鋼筋普通混凝土柱或鋼管約束鋼筋高強混凝土柱,而對鋼管約束UHPC柱僅見靜力性能等初步研究．本文應(yīng)用Abaqus有限元軟件,對鋼管約束UHPC柱構(gòu)件的滯回性能、延性、剛度退化等受力性能和規(guī)律進行研究,模擬分析其軸壓比、長細比等主要參數(shù)的適宜范圍,為相關(guān)工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)．

1 建模方法

1.1 模型建立

圖1為有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖．模型由內(nèi)置鋼筋、核心混凝土與外包鋼管三部分組成．鋼管與核心混凝土采用實體單元(C3D8R), 鋼筋采用桁架單元(T3D2)．將鋼管視為理想彈性材料,其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用雙折線本構(gòu)模型,約束混凝土采用混凝土塑形損傷本構(gòu)模型[11]．鋼管與混凝土之間為面面接觸, 其法向接觸作用視為硬接觸,即接觸面間任意傳遞壓力; 其切向作用使用庫倫摩擦接觸模型, 摩擦系數(shù)取0.5．端板與混凝土之間為綁定接觸．

1.2 模型有效性

由于目前關(guān)于鋼管約束UHPC柱抗震試驗的相關(guān)文獻較少,為驗證模型合理性,本文選取鋼管混凝土約束高強混凝土柱作為驗證對象[9], 試件編號為C-55-1.3-150-4、C-55-1.3-150-6、C-55-1.8-150-4、C-55-1.8-150-6. 試件C-55-1.3-150-4編號中“C”表示圓鋼管約束鋼筋混凝土柱，“55”表示混凝土強度等級為C55，“1.3”表示剪跨比，“150”表示鋼管徑厚比，“4”表示試件軸壓比n=0.4. 其余編號類推. 圖2為鋼管約束鋼筋混凝土構(gòu)件的荷載-位移滯回曲線．由圖2可知, 模擬曲線和試驗曲線吻合較好, 兩者滯回曲線形狀、面積均相似．結(jié)合表1的構(gòu)件骨架曲線特征值可知,屈服點荷載Py和峰值荷載Pmax的計算結(jié)果與試驗結(jié)果的相對誤差小于5%,說明有限元模型的有效性．

表1 構(gòu)件的骨架曲線特征值

2 抗震性能

2.1 滯回曲線

鋼管約束UHPC柱基準模型A-0的具體構(gòu)造如圖3所示, 柱高800 mm, Q460鋼管厚度為2 mm, 鋼管內(nèi)填充C120混凝土,箍筋和縱筋分別采用HPB300、HRB335鋼筋．圖4為試件反復(fù)水平移動的荷載-位移滯回曲線．如圖4所示, 基準模型A-0的滯回曲線形狀較飽滿, 呈穩(wěn)定的弓形, 捏縮效應(yīng)小, 說明鋼管約束UHPC柱具有良好的耗能能力及抗震性能．由滯回曲線中荷載極值點相連得到的骨架曲線可見: 加載初期位移較小, 在保持軸壓比不變的條件下,構(gòu)件處于彈性階段;隨著加載位移的增加, 構(gòu)件進入彈塑性階段,混凝土受拉開裂,中部鋼管對混凝土側(cè)向表面產(chǎn)生約束力;當位移繼續(xù)增加,荷載極值點開始緩慢下降,說明構(gòu)件進入破壞階段．

2.2 延性

位移延性系數(shù)μu是評價結(jié)構(gòu)延性性能的重要指標之一．μu=Δu/Δy, 其中Δu為極限位移,Δy為屈服位移．根據(jù)鋼管約束UHPC構(gòu)件的骨架曲線, 其屈服荷載、峰值荷載、極限荷載分別為245.57、308.91、262.57 kN,Δu、Δy分別為23.91、5.46 mm, 故鋼管約束超高性能混凝土柱的延性系數(shù)μu=4.38．一般情況下, 滿足抗震要求的μu不應(yīng)小于4．因此該構(gòu)件具有良好的延性性能, 滿足抗震要求．

2.3 剛度退化

割線剛度Ki=|±Pi|/|±Δi|, 其中±Pi為第i個荷載循環(huán)中正反向峰值點荷載值, ±Δi為第i個荷載循環(huán)中正反向峰值點位移值．圖5為A-0試件的剛度退化曲線．如圖5所示, 加載初期,剛度退化曲線下降較快,剛度退化明顯;加載后期,剛度變化趨于平緩．

3 參數(shù)分析

3.1 軸壓比

不同試件軸壓比n的鋼管約束UHPC柱的骨架曲線特征參數(shù)見表2．如表2所示, 當n從0.1增至0.6時, 試件的峰值荷載Pmax增大了34.44%, 這是因為隨著軸壓比的增大, 鋼管對核心混凝土的套箍作用加強, 所以Pmax增大, 同時構(gòu)件的彈性剛度Ka也隨之增大．隨著n的增大,μu先增大后減小, 在n=0.3時達到峰值．這是因為當軸壓比過高時, 混凝土出現(xiàn)初始損傷,故其延性下降．因此在實際工程設(shè)計中鋼管約束UHPC柱的軸壓比建議選擇0.1～0.3．

表2 不同軸壓比下的骨架曲線參數(shù)

3.2 長細比

通過調(diào)整試件長度選取不同長細比λ的鋼管約束UHPC柱, 其骨架曲線特征參數(shù)見表3．由表3可知, 隨著λ增加,構(gòu)件的Ka和Pmax均降低, 延性系數(shù)升高．這是因為當構(gòu)件長度較短時,在彈性階段的水平承受能力較大, 但易發(fā)生剪切破壞,延性差; 隨著長度的增加, 構(gòu)件更趨近于彎剪破壞,延性好．λ<5時,構(gòu)件的延性急劇下降; 而λ>11時,Pmax下降幅度較大．因此在實際工程中長細比范圍宜選擇5～11．

表3 不同長細比下骨架曲線參數(shù)

3.3 混凝土強度

當混凝土強度等級為C120～C200時, 鋼管約束UHPC柱的骨架特征值見表4．由表4可見, 隨著混凝土強度等級從C120升高到C200, 鋼管約束UHPC柱的Pmax和Ka增大,μu降低．這是因為提高混凝土強度可提高構(gòu)件在彈性階段的荷載承受能力,峰值荷載也隨之提高,但出現(xiàn)脆性破壞的幾率也增大,所以構(gòu)件的延性下降．

表4 不同混凝土強度條件下骨架曲線參數(shù)

3.4 徑厚比

不同徑厚比條件下鋼管約束UHPC柱的骨架曲線特征值見表5．由表5可知, 隨著徑厚比減小, 構(gòu)件的Ka,Pmax和延性系數(shù)均增大．這是由于隨著鋼管厚度的增加,在保持軸壓比不變的條件下,鋼管對核心混凝土的緊箍力增大,所以彈性剛度、峰值荷載、延性都隨之增大．故應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟性、構(gòu)件剛度、峰值荷載等因素,選取合適的鋼管厚度．

表5 不同徑厚比下骨架曲線參數(shù)

3.5 鋼管屈服強度

不同鋼管屈服強度fy下構(gòu)件的骨架曲線特征值見表6．由表6可見,當鋼管強度從235 MPa增大到690 MPa,Pmax和μu均增大．這是因為在軸壓比不變的情況下,隨著鋼管強度的提高,核心混凝土的套箍作用加強,混凝土的脆性降低,故構(gòu)件延性增大．

表6 不同fy條件下骨架曲線參數(shù)

3.6 配筋率

保持構(gòu)件截面尺寸不變,通過增減鋼筋數(shù)量及鋼筋直徑改變配筋率大?。煌浣盥蕳l件下鋼管約束UHPC柱的骨架曲線特征參數(shù)見表7．由表7可知,當配筋率從0.75%增加到3.1%時,鋼管約束UHPC柱的μu和Pmax增加．這是因為隨著配筋率的增加,試件的切割位置強度相對加強,故延性及極限荷載增加較多,但增幅隨著配筋率增加而逐漸降低．實際工程中的配筋率宜選擇1%～2%．

表7 不同配筋率條件下骨架曲線參數(shù)