鋼骨-方鋼管混凝土組合異形短柱軸壓性能分析

鋼骨-方鋼管混凝土組合異形短柱軸壓性能分析

鋼-混凝土組合異形柱結(jié)構(gòu)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和物質(zhì)水平的快速提高，球形結(jié)構(gòu)體系得到了廣泛應(yīng)用。純粹的鋼筋混凝土異形柱并不適用于高層建筑,鋼-混凝土組合異形柱,因其承載力和抗震性能較好在高層建筑中開始得到推廣運(yùn)用。鋼-混凝土組合異形柱包括鋼骨混凝土異形柱、鋼管混凝土異形柱和鋼骨-鋼管混凝土組合異形柱。本文提出了一種新型的組合異形柱結(jié)構(gòu)(在T形鋼管混凝土異形柱中內(nèi)置T形鋼骨),其優(yōu)點(diǎn)有:鋼管和鋼骨同時(shí)約束混凝土,可以改善其延性性能;鋼骨的存在能提高了柱的抗剪承載力;可以滿足邊柱受力性能的要求;提高了柱的防火性能和耐火性;更適用于異形柱,同時(shí)減少柱截面尺寸,提高承載力。作為一種新型的組合異形柱構(gòu)件,國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)研究和理論分析雖有一些研究1有限分析1.1《規(guī)范》第5條第4款是生物處理材料中3.設(shè)計(jì)了7個(gè)T形截面的組合異形短柱試件(短柱的長(zhǎng)徑比不大于4),主要參數(shù)有混凝土等級(jí)、配骨率和套箍指標(biāo)。參考規(guī)范[6-8],鋼材與混凝土的彈性屬性定義為同性材料。鋼材均采用Q235(內(nèi)置的T形鋼骨由工字鋼按設(shè)計(jì)要求尺寸焊接而成,外層鋼管按尺寸直接做成T字形),其力學(xué)性能指標(biāo)可參考標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法得到,詳見表1。在T形鋼管內(nèi)填C30、C40和C503種不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土,混凝土指標(biāo)見表3。試件設(shè)計(jì)方案及主要參數(shù)如表2(通過標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算θ和ρ),構(gòu)件尺寸見圖1。1.2材料本構(gòu)模型鋼骨-方鋼管混凝土組合異形柱是由鋼材和混凝土兩種材料組合而成,在有限元模擬分析過程中,需要選擇合適的材料模型和材料本構(gòu)關(guān)系。Q235鋼是工程上常用的低碳鋼,其應(yīng)力強(qiáng)度-應(yīng)變強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖2,本構(gòu)關(guān)系模型選用多線性等向強(qiáng)化模型(MISO),采用等向強(qiáng)化Mises屈服準(zhǔn)則式中:σ1.3組合虛擬柱模型的構(gòu)建1.3.1接觸程度的確定考慮到鋼材與混凝土之間的滑移,定義混凝土外表面為接觸面,鋼管內(nèi)表面為目標(biāo)面,法線方向采用硬接觸,切向方向定義為摩擦接觸,摩擦系數(shù)取0.251.3.2測(cè)試單元類型的選擇采用8節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體單元Solid651.3.3節(jié)點(diǎn)端約束設(shè)置柱頂為加載面,加載過程中產(chǎn)生位移。邊界條件定義為:在柱底加載板的節(jié)點(diǎn)上施加全部的固端約束,在柱頂處加載板上約束全部節(jié)點(diǎn)的X、Y向自由度。為避免應(yīng)力集中,且便于收斂,本章采用位移加載的方式,在柱頂板上施加Z向位移荷載。1.3.4有限面積分布建立好實(shí)體模型后,選用體映射劃分網(wǎng)格,在合理尺寸和滿足體映射劃分的條件下,控制單元形狀和大小。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖3。2有限域計(jì)算和分析2.1鋼筋-鋼骨界面運(yùn)用ANSYS有限元軟件建模完成,開始模擬分析T形截面鋼骨一方鋼管混凝土組合異形短柱的軸壓性能,導(dǎo)出一個(gè)基本試件的荷載-位移曲線,如圖4。分析得出組合異形短柱的破壞形態(tài)呈局部屈曲型破壞:當(dāng)外荷載達(dá)到極限荷載的80%時(shí),鋼管和鋼骨開始屈服,可猜測(cè)鋼管壁也出現(xiàn)剪切現(xiàn)場(chǎng);當(dāng)外荷載達(dá)到極限荷載,混凝土局部會(huì)被壓碎,柱承載力下降;外荷載繼續(xù)增加,鋼骨鋼管已經(jīng)屈服開裂,承載力急速下降,柱子發(fā)生了破壞。整個(gè)試件可以分為3個(gè)階段:第一階段彈性工作階段,這是構(gòu)件在加載初期到極限荷載80%之間,各縱向應(yīng)變差距不大,試件側(cè)向繞度小于3mm,,荷載-位移曲線近似一條直線,柱子處于彈性工作狀態(tài),此時(shí)內(nèi)置的T形鋼骨和外部的T形鋼管對(duì)混凝土幾乎沒有約束作用。第二階段彈塑性工作階段,鋼材彈性模量不斷減小,混凝土彈性模量變化不大,隨著荷載的不斷加大至極限荷載,混凝土最先開始出現(xiàn)裂縫并逐漸擴(kuò)展,橫向變形變大,鋼管開始受壓屈服,鋼骨應(yīng)力也不斷增大,約束核心混凝土,因此荷載-位移(N-u)關(guān)系形成非線性曲線。第三階段破壞階段,當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載后,內(nèi)部混凝土橫縱向變形都很大,擠壓外鋼管,柱子出現(xiàn)大變形,承載力急速下降,同時(shí)內(nèi)置鋼骨由于在模擬的過程中,關(guān)閉了混凝土的壓碎功能,再加上方鋼管、鋼骨和混凝土三者之間相互作用的關(guān)系,使得構(gòu)件在屈服后出現(xiàn)明顯的強(qiáng)化現(xiàn)象。最后試件達(dá)到極限承載力后出現(xiàn)緩慢的下降,但由于核心混凝土粘結(jié)滑移的影響,使得下降并不明顯。對(duì)T形截面鋼骨-方鋼管混凝土組合異形短柱的軸壓性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并給出鋼材和混凝土主應(yīng)力分布云圖和縱向應(yīng)力分布云圖等,如圖5。1)鋼骨-方鋼管混凝土組合異形短柱的鋼材等效應(yīng)力與材料本構(gòu)關(guān)系有關(guān),強(qiáng)度達(dá)到235MPa開始屈服,極限承載力為335MPa,底部由于核心混凝土的膨脹,達(dá)到極限破壞(圖5e)。混凝土等效應(yīng)力圖是紅色(圖5c),已達(dá)到壓應(yīng)力的極限,完全被壓碎?；炷恋谝恢鲬?yīng)力圖表示混凝土的拉壓關(guān)系(圖5a),混凝土整體處于受壓狀態(tài),且大部分已經(jīng)達(dá)到壓應(yīng)力的極限。2)鋼骨-方鋼管混凝土組合異形短柱中鋼骨、鋼管對(duì)混凝土約束較強(qiáng),由于端部效應(yīng),鋼骨兩端以及鋼管中間區(qū)域應(yīng)力比較大,使得混凝土應(yīng)力呈不均勻分布,混凝土應(yīng)力由中心逐漸向外減小。同時(shí)由于鋼骨、鋼管和混凝土三者共同作用,組合異形柱的承載力明顯增加。2.2t形截面鋼骨-方鋼管混凝土組合異形短柱受力性能表4是T形截面鋼骨-方鋼管混凝土組合異形短柱的基本參數(shù)信息,在有限元分析過程中,導(dǎo)出試件的荷載-位移關(guān)系曲線,得到其極限承載力值。分析表中數(shù)據(jù),可以得出:1)同樣的條件下,組合異形柱中加入鋼骨比沒有加入鋼骨的極限承載力均提高了33.3%;2)同時(shí),保證混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼管的厚度相同,改變鋼骨的厚度,組合異形短柱的極限承載力也會(huì)改變;3)保證組合異形短柱中混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼骨的厚度相同(即配骨率相同),改變鋼管的厚度,組合異形短柱的極限承載力同樣也會(huì)改變;4)保證組合異形短柱中鋼管的厚度相同(即套箍指標(biāo)相同)和鋼骨的厚度相同(即配骨率相同),改變混凝土的強(qiáng)度等級(jí),組合異形短柱的極限承載力也會(huì)改變。為得出混凝土強(qiáng)度等級(jí)、配骨率以及套箍指標(biāo)對(duì)T形截面鋼骨-方鋼管混凝土組合異形短柱軸壓性能的影響,給出組合異形短柱各參數(shù)變化下的荷載-位移曲線,如圖6所示。由圖6可知:1)組合異形短柱的極限承載力隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大。在彈性工作階段,組合異形短柱荷載-位移曲線接近一條直線,隨著位移的增大,承載力增加明顯,荷載位移曲線呈平行趨勢(shì),說明構(gòu)件承載力的變化情況差不多,且在破壞階段,強(qiáng)度高的混凝土,承載力也大。2)組合異形短柱的極限承載力隨著配骨率的增大而增大。在彈性工作階段,組合異形短柱對(duì)應(yīng)峰值增加,斜率增加,說明構(gòu)件承載力增大,并且增幅也大。3)組合異形短柱的極限承載力隨著套箍指標(biāo)的增大而增大。套箍指標(biāo)θ越大,對(duì)于混凝土的約束越強(qiáng),組合異形柱構(gòu)件的極限承載力也就越大。3軸壓及構(gòu)件承載力1)鋼骨、鋼管和混凝土三者能很好地協(xié)同工作,充分發(fā)揮了鋼材和混凝土各自的優(yōu)勢(shì),組