馬騰飛 陳志華 杜顏勝

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院, 天津 300072; 2.北華航天工業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院, 河北廊坊 065000)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)住宅以其抗震性能優(yōu)越、工業(yè)化程度高、施工速度快等一系列優(yōu)點(diǎn),成為目前最具發(fā)展?jié)摿Φ难b配式住宅之一[1-5]。鋼結(jié)構(gòu)住宅體系具有充分的靈活性、可改性和安全性,有利于滿足人民對(duì)現(xiàn)代生活的需求。與普通鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)相比,方鋼管混凝土組合異形柱結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。方鋼管混凝土組合異形柱,截面形式可以是L形、T形或十字形,見圖1,其中的單肢采用方鋼管混凝土,具有較好的抗剪性能,由于內(nèi)填混凝土的存在,單肢方鋼管混凝土不會(huì)出現(xiàn)明顯的局部屈曲現(xiàn)象,因此,方鋼管混凝土柱表現(xiàn)出良好的塑性和承載力。方鋼管混凝土組合異形柱最大的特點(diǎn)是可以包裹在墻體內(nèi)部,節(jié)省建筑面積,室內(nèi)不顯露凸角,方便家居布置[6]。

a—L形(用于角柱); b—T形(用于邊柱); c—十字形(用于中柱)。圖1 方鋼管混凝土組合異形柱Fig.1 Special-shaped column composed of concrete-filled square steel tubes

再生混凝土是指將廢棄的混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、分級(jí)后,按一定比例與級(jí)配混合,部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料),再加入水泥、水等配制而成的新型綠色混凝土。再生混凝土是處理廢棄混凝土、降低建筑垃圾危害的有效途徑。有研究表明,摻入再生骨料后,混凝土的強(qiáng)度和彈性模量較低、收縮性和徐變較大[7-8],但是,將再生混凝土灌入鋼管內(nèi),使其受到鋼管的約束,可以改善再生混凝土的力學(xué)性能。目前,對(duì)于方鋼管混凝土組合異形柱的研究工作主要是對(duì)方鋼管與普通混凝土組合的方鋼管混凝土組合異形柱的研究[9-19],未見對(duì)方鋼管再生混凝土組合異形柱的研究,因此,有必要研究方鋼管再生混凝土組合異形柱的力學(xué)性能。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,通過數(shù)值模擬,對(duì)L形方鋼管再生混凝土組合異形柱進(jìn)行軸壓性能的參數(shù)化分析,得到了一系列結(jié)論。研究成果可為L形方鋼管再生混凝土組合異形柱的工程設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 有限元模型的建立

試驗(yàn)構(gòu)件中的異形柱由鋼管、混凝土、連接板及加勁肋組成,其中鋼管、加勁肋和連接板采用有限應(yīng)變殼單元Shell 181模擬,混凝土采用鋼筋混凝土實(shí)體元Solid 65模擬。鋼管與混凝土之間的接觸采用面-面接觸形式[6,20]。

鋼管、連接板及加勁肋模型采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化BKIN模型,應(yīng)用Mises/Hill屈服準(zhǔn)則[21],其本構(gòu)關(guān)系如式(1)。

(1)

式中:Es為鋼材的彈性模量,當(dāng)進(jìn)入強(qiáng)化階段后,彈性模量為αEs,α為取值0.01的系數(shù);fy和εy分別為鋼材的屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變。

再生混凝土采用考慮鋼管約束的混凝土損傷塑性模型[22],其本構(gòu)關(guān)系如式(2)。

(2)

式中:σ0和ε0為經(jīng)過約束系數(shù)ξ調(diào)整后的峰值應(yīng)力和應(yīng)變;fy為鋼管的屈服強(qiáng)度;As為鋼管的橫截面積;fc為再生混凝土的抗壓強(qiáng)度;Ac為再生混凝土的橫截面面積。

模型中混凝土的側(cè)面作為剛性面,用Targe 170單元模擬;方鋼管的側(cè)面作為柔性面,用Conta 173單元模擬。在柱底約束所有結(jié)點(diǎn)的X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度,柱頂所有結(jié)點(diǎn)耦合到一個(gè)結(jié)點(diǎn)上,約束該結(jié)點(diǎn)在X和Y方向上的平動(dòng)自由度,并在該結(jié)點(diǎn)上施加軸壓荷載。模擬的邊界條件與試驗(yàn)邊界條件保持一致。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

利用有限元分析軟件ANSYS建立不同粗骨料取代率的L形方鋼管再生混凝土組合異形柱模型,并對(duì)其進(jìn)行軸壓荷載作用下的受力分析。與試驗(yàn)結(jié)果相似,數(shù)值模擬的軸壓荷載作用下,L形方鋼管再生混凝土組合異形柱的破壞模式表現(xiàn)為繞弱軸的整體失穩(wěn)破壞。試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的荷載對(duì)比信息列于表1中,“ZX”代表粗骨料取代率為X%的試驗(yàn)構(gòu)件。從結(jié)果可以看出,數(shù)值模擬的屈服荷載和峰值荷載與試驗(yàn)結(jié)果相差均在合理范圍之內(nèi),數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

表1 試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Table 1 The comparison between experimental results and simulated ones

試驗(yàn)與數(shù)值模擬的荷載-豎向位移對(duì)比曲線如圖3所示,由曲線可見,剛度吻合良好。從數(shù)值模擬的結(jié)果來看,隨著粗骨料取代率的提高,方鋼管再生混凝土組合異形柱的屈服荷載與峰值荷載呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢?？傮w來看,數(shù)值模擬的曲線與試驗(yàn)曲線吻合良好。從軸壓荷載-豎向位移曲線可以看出,當(dāng)粗骨料取代率為0%、20%和40%時(shí),在試驗(yàn)構(gòu)件的彈性階段結(jié)束后,會(huì)出現(xiàn)明顯的彈塑性階段,進(jìn)而進(jìn)入塑性階段;而當(dāng)粗骨料取代率為60%、80%、100%時(shí),在試驗(yàn)構(gòu)件的彈性階段結(jié)束后,彈塑性階段并不明顯,有直接進(jìn)入塑性階段的趨勢。這說明,當(dāng)粗骨料取代率在40%以下時(shí),再生粗骨料的加入對(duì)方鋼管再生混凝土組合異形柱的破壞形態(tài)影響較小;而當(dāng)粗骨料取代率大于40%時(shí),再生混凝土的初始損傷對(duì)方鋼管再生混凝土組合異形柱力學(xué)性能的影響較為明顯。

a—Z0; b—Z20; c—Z40; d—Z60; e—Z80; f—Z100。試驗(yàn); 數(shù)值模擬。圖3 軸壓荷載-豎向位移對(duì)比曲線Fig.3 Curves of the axial load-vertical displacement

3 參數(shù)化分析

3.1 鋼材強(qiáng)度的影響

本文以Q235、Q345、Q390、Q420、Q460為變量,研究鋼材強(qiáng)度對(duì)L形方鋼管再生混凝土組合異形柱軸壓力學(xué)性能的影響。各種不同取代率情況下,L形方鋼管再生混凝土組合異形柱的峰值荷載隨鋼材強(qiáng)度變化曲線如圖4所示?？梢钥闯?隨著鋼材強(qiáng)度的提高,不同粗骨料取代率情況下的方鋼管再生混凝土組合異形柱的峰值荷載均呈上升趨勢。當(dāng)粗骨料取代率為0%和20%時(shí),鋼材強(qiáng)度由Q235提高到Q345時(shí),構(gòu)件的峰值荷載增幅最大,達(dá)到16%左右。其余情況上升增量基本相同,為12%左右。鋼材強(qiáng)度由Q235提高到Q460時(shí),不同粗骨料取代率情況下的各構(gòu)件的軸壓承載力的上升增量基本相同,均增加了43%左右。此外,由圖4可見,當(dāng)鋼材強(qiáng)度相同時(shí),不同粗骨料取代率情況下的各試件的軸壓承載力略有差異,基本趨勢為,粗骨料取代率越大,其軸壓承載力越小。由此可見,通過提高鋼材強(qiáng)度,可以有效提高方鋼管再生混凝土組合異形柱的軸壓承載力。

圖4 軸壓荷載-鋼材強(qiáng)度曲線Fig.4 Axial load-steel strength curves

3.2 鋼材厚度的影響

為研究鋼材厚度對(duì)L形方鋼管再生混凝土組合異形柱軸壓力學(xué)性能的影響,選取了3.75,5.75,7.75,9.75,11.75,13.75,15.75,19.75 mm 8種不同的鋼材厚度進(jìn)行軸壓極限承載力比較,這里所說的改變鋼材厚度是指鋼管壁厚、連接板厚度及加勁肋厚度3種厚度同時(shí)做改變。軸壓荷載作用下,不同粗骨料取代率下的L形方鋼管再生混凝土組合異形柱的極限承載力變化曲線如圖5所示。鋼材厚度由3.75 mm提高至19.75 mm時(shí),不同粗骨料取代率的試件的軸壓承載力提高了272%～331%,且粗骨料取代率越高,增大鋼材厚度時(shí),其軸壓承載力提高幅度越大,其中粗骨料取代率為100%時(shí)的增幅最大,為331%左右。此外,由圖5可見,當(dāng)鋼材厚度相同時(shí),不同粗骨料取代率情況下的各試件的軸壓承載力略有差異,基本趨勢為,粗骨料取代率越大,其軸壓承載力越小。這說明,可以通過提高鋼材厚度的方法,提高L形方鋼管再生混凝土組合異形柱的極限承載力。

圖5 軸壓荷載-鋼材厚度曲線Fig.5 Axial load-steel thickness curves

3.3 方鋼管寬度的影響

為研究方鋼管寬度對(duì)L形方鋼管再生混凝土組合異形柱軸壓力學(xué)性能的影響,模擬了100,150,200 mm 3種不同的方鋼管寬度(方鋼管截面邊長寬度)情況下的極限承載力。此外,還模擬了在不同的鋼管厚度情況下,3種不同的方鋼管寬度對(duì)L形方鋼管再生混凝土組合異形柱軸壓力學(xué)性能的影響。軸壓荷載-方鋼管寬度曲線如圖6所示。由圖6可見,鋼管厚度相同的情況下,隨著方鋼管寬度的增加,不同粗骨料取代率情況下的L形方鋼管再生混凝土組合異形柱的軸壓承載力均呈上升趨勢。相同粗骨料取代率下,方鋼管寬度由100 mm增至150 mm時(shí),各試件的軸壓承載力增加幅度在45%～82%之間,方鋼管寬度由100 mm增至200 mm時(shí),各試件的軸壓承載力增加幅度在84%～178%之間。總體趨勢為,在相同的鋼材厚度情況下,粗骨料取代率越小,提高方鋼管的寬度,其軸壓承載力的增幅越大。此外,由圖6可以看出,在方鋼管寬度相同的情況下,隨著鋼材厚度的增大,L形方鋼管混凝土組合異形柱軸壓承載力呈上升趨勢。這表明,可以通過增加方鋼管寬度的方法提高L形方鋼管再生混凝土組合異形柱的軸壓承載力。

a—Z0; b—Z20; c—Z40; d—Z60; e—Z80; f—Z100。鋼材厚度3.75 mm; 鋼材厚度7.75 mm; 鋼材厚度11.75 mm; 鋼材厚度15.75 mm; 鋼材厚度19.75 mm。圖6 軸壓荷載-方鋼管寬度曲線Fig.6 Axial load-square steel tube width curves

3.4 連接板寬度的影響

為研究連接板寬度對(duì)L形方鋼管再生混凝土組合異形柱軸壓力學(xué)性能的影響,選取100,150,200 mm 3種不同的連接板寬度,對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化分析。共模擬了鋼管厚度分別為3.75,7.75,11.75,15.75,19.75 mm 5種不同鋼管厚度情況下,不同連接板寬度的L形方鋼管再生混凝土組合異形柱的軸壓承載力。軸壓荷載-連接板寬度曲線如圖7所示。由圖可見,當(dāng)連接板寬度一定時(shí),隨著鋼材厚度的增大,軸壓承載力呈上升趨勢。在相同的鋼材厚度情況下,增大連接板寬度,并不能使得軸壓承載力逐漸提高。當(dāng)粗骨料取代率為0%時(shí),在相同鋼材厚度情況下,隨著連接板寬度的增大,試件的峰值荷載有所增加,但增幅不大。當(dāng)粗骨料取代率為20%時(shí),隨著連接板寬度的增大,試件的峰值荷載幾乎不變或有較小增幅。當(dāng)粗骨料取代率大于40%時(shí),當(dāng)鋼管厚度大于15.75 mm時(shí),試件的峰值荷載保持不變或增幅較小。因此,整體來看,不建議采用增大連接板寬度的方法提高試件的峰值荷載。

4 結(jié)束語

1)建立的數(shù)值模型模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,可以采用所用的數(shù)值模擬方法模擬試件的軸壓力學(xué)性能。

2)當(dāng)粗骨料取代率小于40%時(shí),再生粗骨料的加入對(duì)方鋼管再生混凝土組合異形柱的破壞形態(tài)影響較小;而當(dāng)粗骨料取代率大于40%時(shí),再生混凝土的初始損傷對(duì)方鋼管再生混凝土組合異形柱力學(xué)性能的影響較為明顯,會(huì)降低構(gòu)件的彈塑性變形能力。

3)在工程設(shè)計(jì)中,可以采用提高鋼材強(qiáng)度、增大鋼材厚度、增大方鋼管寬度等方法,提高構(gòu)件的峰值荷載。不建議采用增大連接板寬度的方法提高構(gòu)件的峰值荷載。