劉世明,白鵬坤,郜致峣
(1.華北水利水電大學(xué)河南省生態(tài)建材工程國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450045; 2.華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院,鄭州 450045)
鋼管混凝土(concrete filled steel tube,CFST)及中空夾層鋼管混凝土(concrete filled double skin steel tube,CFDST)構(gòu)件具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐久性及較大的強(qiáng)重比,已廣泛應(yīng)用于橋塔、拱肋、墩柱等構(gòu)件中[1-2],其中中國(guó)尊外框柱、梨川橋橋塔及舟山大貓島輸電塔柱均運(yùn)用了鋼管混凝土技術(shù)。CFDST相較于CFST結(jié)構(gòu)具有質(zhì)輕、延性好及防火性能優(yōu)異等優(yōu)勢(shì)[3-4]?,F(xiàn)有關(guān)于鋼管混凝土的研究主要集中在截面形式、加勁形式、材料和鋼管混凝土構(gòu)件之間的連接等。王燦燦等[5]進(jìn)行的試驗(yàn)及有限元分析表明,圓形高強(qiáng)CFDST軸壓構(gòu)件承載力隨混凝土強(qiáng)度的提高而增加,隨空心率及含鋼率的增加而降低。葉斌等[6]和Wang等[7]關(guān)于不銹鋼管混凝土構(gòu)件的研究結(jié)果表明,不銹鋼可以提供更大的應(yīng)變硬化和延展性,但是高昂的價(jià)格使其得不到大規(guī)模的使用。黃宏等[8]開展5根大空心率方中空夾層鋼管超高性能混凝土短柱軸壓試驗(yàn)分析,指出空心率越大,試件的承載力越低且超高性能混凝土所承受的荷載占比越小。王亞晉等[9]基于驗(yàn)證過(guò)的有限元模型,研究了典型矩形鋼管混凝土壓彎剪構(gòu)件的受力全過(guò)程關(guān)系曲線,分析了剪切荷載角度、軸壓比、剪跨比、鋼材強(qiáng)度、含鋼率等參數(shù)對(duì)其受力性能和承載力的影響規(guī)律。謝力等[10]對(duì)矩形CFDST和 CFST短柱的軸壓試驗(yàn)表明,外管截面尺寸較大者其軸壓承載力略高。
已有研究中多集中于矩形CFDST柱的整體受壓性能,而忽略了內(nèi)鋼管對(duì)受壓性能的影響,且由于矩形CFDST構(gòu)件其長(zhǎng)短邊的差異所造成復(fù)雜的約束作用及受力機(jī)理值得進(jìn)一步的探究?,F(xiàn)結(jié)合已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用ABAQUS有限元分析軟件分析韓林?;炷帘緲?gòu)、陶忠混凝土本構(gòu)[11]及混凝土規(guī)范GB50010—2010[12]對(duì)于CFDST柱的適用性??紤]內(nèi)外鋼管徑厚比、夾層混凝土強(qiáng)度等參數(shù)變化,設(shè)計(jì)60個(gè)數(shù)值分析試件,得到各參數(shù)對(duì)CFDST短柱的受壓承載力、延性性能和混凝土-鋼貢獻(xiàn)率的影響規(guī)律。
鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式采用五段式二次塑流模型。Le等[13]認(rèn)為由于夾層混凝土的存在使鋼管的殘余應(yīng)力及局部缺陷的影響最小,因此在有限元模型中未考慮鋼管的殘余應(yīng)力與初始缺陷。
鋼管混凝土柱中的混凝土使用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(C3D8R)模擬,薄壁鋼管使用四節(jié)點(diǎn)曲殼單元(S4R)模擬。經(jīng)試算,當(dāng)鋼管和混凝土的網(wǎng)格尺寸分別采用5 mm和10 mm時(shí)模型達(dá)到最佳的收斂性及計(jì)算精度。
在鋼管柱的上下兩端分別設(shè)置彈性模量較大的剛性板,其對(duì)結(jié)構(gòu)性能沒(méi)有貢獻(xiàn),只是作為軸向位移的工具。將鋼管和上下端板采用耦合約束連接。上下端板與混凝土之間采用“tie”綁定連接。鋼管與混凝土接觸面的法線方向采用“硬”接觸,切線方向使用庫(kù)倫模型,摩擦系數(shù)為0.6??紤]對(duì)稱性,有限元模型中僅考慮1/4模型,在對(duì)稱軸建立相應(yīng)的對(duì)稱邊界。試件底端蓋板約束3個(gè)方向的平動(dòng)位移。上端蓋板耦合到參考點(diǎn)RP1,對(duì)其施加軸向位移荷載。有限元模型如圖1所示。
圖1 有限元模型
為了快速準(zhǔn)確地構(gòu)建有限元模型,采用python平臺(tái)開發(fā)了CFST柱和CFDST柱的參數(shù)化自動(dòng)建模程序。選取5根CFST柱[1]及6根CFDST柱[10,17]已有的試驗(yàn)柱進(jìn)行了有限元分析,試件具體參數(shù)和有限元預(yù)測(cè)結(jié)果如表1和表2所示,典型的荷載應(yīng)變關(guān)系曲線和破壞模式如圖2和圖3所示。由表2、圖2和圖3可知,有限元模型能總體模擬CFST和CFDST短柱的受壓過(guò)程和破壞形態(tài)。與試驗(yàn)承載力比值均值在0.99~1.05,其中采用韓林海本構(gòu)的有限元模型得到的荷載應(yīng)變關(guān)系曲線與試驗(yàn)曲線更接近,能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程,對(duì)試驗(yàn)承載力預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)最低。
表1 試驗(yàn)試件參數(shù)
表2 試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對(duì)比
圖2 試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果對(duì)比
為研究幾何和材料特性對(duì)軸壓性能參數(shù)的影響規(guī)律,設(shè)計(jì)5組,共60個(gè)試件,如表3所示。模型外鋼管尺寸設(shè)置為D0×B0=300 mm×250 mm,內(nèi)鋼管尺寸為Di×Bi=150 mm×100 mm,內(nèi)外鋼管的屈服強(qiáng)度均為450 MPa,柱的長(zhǎng)度取L=3D0,以避免整體屈曲。參數(shù)模型主要基于內(nèi)外鋼管徑厚比(D0/t0和Di/ti)及混凝土強(qiáng)度(fcu),其中D0/t0取30~60,Di/ti取20~50,混凝土強(qiáng)度范圍為45~75 MPa。模型編號(hào)表示為“C-D0/t0-Di/ti”,例如,C-30-20-45表示D0/t0為30,Di/ti為20,fcu為45 MPa的CFDST柱。
(1)軸向極限承載力為
Nu=-4RFu
(1)
式(1)中:RFu為參考點(diǎn)U3方向最大反力。
(2)延性指標(biāo)。為判斷構(gòu)件的延性性能,延性指標(biāo)PIsd的計(jì)算公式[18]為
(2)
式(2)中:εu為峰值后軸向荷載降至極限荷載90%時(shí)的軸向應(yīng)變;εy取ε0.75/0.75,其中ε0.75表示軸向荷載達(dá)到其極限荷載75%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。
(3)混凝土-鋼貢獻(xiàn)率(concrete-steel contribution ration,CSCR)。Ekmekyapar等[3]用CSCR值評(píng)估CFDST柱相較于CFST柱的性能。
(3)
式(3)中:Nu,CFDST為矩形CFDST柱極限軸向承載力;Nu,CFST為矩形CFST極限軸向承載力。
試件破壞時(shí)內(nèi)外鋼管的破壞形態(tài)和對(duì)應(yīng)破壞位置混凝土軸向應(yīng)力如圖4和圖5所示。由圖4可知,內(nèi)、外鋼管受到夾層混凝土的約束而分別向內(nèi)、外產(chǎn)鼓曲,夾層混凝土對(duì)鋼管的支撐效果明顯。由圖5可知,當(dāng)達(dá)到極限承載力時(shí),CFDST構(gòu)件中截面的混凝土軸向應(yīng)力略大于對(duì)應(yīng)的CFST構(gòu)件,表明內(nèi)鋼管對(duì)夾層混凝土有一定的支撐作用,使得其處于三向受壓狀態(tài),便于提升構(gòu)件強(qiáng)度。
圖4 CFDST柱鋼管破壞形態(tài)
圖5 極限荷載時(shí)中截面混凝土軸向應(yīng)力云圖
外鋼管D0/t0變化對(duì)CFDST延性和極限軸向承載能力的影響如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知,當(dāng)fcu和Di/ti相同時(shí),CFDST柱延性指標(biāo)和極限荷載均隨著D0/t0的增加呈現(xiàn)下降變化。因?yàn)镈0/t0的增加意味著外鋼管厚度的減小,夾層混凝土填充的區(qū)域增加,而混凝土的強(qiáng)度和延性都低于鋼材,且外鋼管厚度減小的同時(shí)對(duì)夾層混凝土的約束效果降低,構(gòu)件出現(xiàn)延性和極限軸向承載能力的降低是合理的。CFDST柱在D0/t0從30增加到60時(shí),平均延性指標(biāo)和承載力分別降低了23.6%和26.4%。
圖6 D0/t0對(duì)延性的影響
圖7 D0/t0對(duì)極限承載力的影響
在相同D0/t0及fcu下,Di/ti對(duì)CFDST柱軸壓性能的影響如圖8和圖9所示。相較于CFST柱,CFDST柱在Di/ti比率為20時(shí),延性指標(biāo)及極限荷載出現(xiàn)了明顯的增加,在D0/t0和fcu分別為30和45 MPa時(shí),CFDST柱延性指標(biāo)和強(qiáng)度分別增加了24.5%和18.6%。從圖8中可以看出,隨著fcu的增加,CFDST柱相較于CFST柱表現(xiàn)出更好的延性,在fcu達(dá)到75 MPa時(shí),Di/ti在0~50范圍內(nèi)CFDST柱的延性均優(yōu)于CFST柱。CFDST柱的延性指標(biāo)及極限承載能力隨Di/ti的增加而降低。相較于CFST柱核心混凝土被鋼管所代替,CFDST柱具有更好的延性和極限承載能力,隨著Di/ti的增大,管壁厚度減小,CFDST柱的延性和極限承載能力隨Di/ti比率的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。
圖8 Di/ti對(duì)延性的影響
圖9 Di/ti對(duì)極限承載力的影響
由表3可知,較薄的外鋼管和較低強(qiáng)度的夾層混凝土可獲得最大CSCR值。由于較薄的外管和較低的fcu對(duì)柱壓縮能力的影響并不顯著,且較薄外鋼管不能對(duì)夾層混凝土提供可靠約束,因此,試樣C-60-20-45產(chǎn)生最大的CSCR值為1.26。內(nèi)鋼管越薄的CFDST柱可以通過(guò)選擇更薄的外管和更低的fcu來(lái)實(shí)現(xiàn)較大的CSCR值。同樣,由于較薄的外管和較低fcu的CFDST構(gòu)件強(qiáng)度和延性較差,此時(shí)內(nèi)鋼管的貢獻(xiàn)變得非常重要。
fcu對(duì)軸壓性能的影響如圖10所示。由圖10可知,隨著fcu的增加,CFDST柱的延性指標(biāo)表現(xiàn)出降低的趨勢(shì),這是因?yàn)閵A層混凝土伴隨著fcu的增加脆性增加,從而導(dǎo)致CFDST柱的延性降低。CFDST柱極限承載力隨著fcu的增加而大幅度增加,fcu從45 MPa增加到75 MPa,CFDST柱的極限承載能力均提升18%以上,增加fcu是提高CFDST柱承載力的有效方法。
圖10 fcu對(duì)CFDST軸壓性能的影響
(1)當(dāng)fcu和內(nèi)鋼管Di/ti相同時(shí),外鋼管的D0/t0從30增加到60時(shí),平均延性指標(biāo)和承載力分別降低了23.6%和26.4%。
(2)Di/ti在0~40范圍內(nèi)時(shí),CFDST柱相較于CFST柱的延性和強(qiáng)度最大分別可提升24.5%和18.6%。同時(shí),內(nèi)鋼管壁厚的減小會(huì)造成CFDST柱延性和極限承載能力的降低。在較薄的外鋼管和強(qiáng)度較低的混凝土CFDST柱中配置較厚的內(nèi)鋼管可以保持較大的CSCR值。
(3)增加fcu是提高CFDST柱極限承載力的有效方式。當(dāng)fcu從45 MPa增加到75 MPa時(shí),CFDST構(gòu)件的極限承載能力均提升18%以上。