組合l形鋼管再生混凝土短柱軸壓性能研究

組合l形鋼管再生混凝土短柱軸壓性能研究

軸壓性能有限元分析用再生混凝土作為綠色混凝土，其骨架材料為再生骨材料或天然骨材料的混合制備。再生骨料是將城市建設等過程產生的廢棄混凝土通過破碎、清洗等一系列加工而成,但由于其在破碎過程會出現(xiàn)損傷,因此導致再生混凝土的抗壓、抗拉等性能比普通混凝土低本研究采用ABAQUS軟件對L形鋼管再生混凝土柱的軸壓性能進行有限元分析,建立了13個組合L形截面柱與1個普通L形截面柱,分析組合L形截面柱的破壞形態(tài)與極限承載力,并與普通L形鋼管再生混凝土柱的軸壓性能進行對比分析,同時與已有文獻的試驗結果進行對比,計算分析了再生骨料取代率、截面長寬比、核心再生混凝土強度等級以及鋼管厚度對組合L形鋼管再生混凝土短柱的軸壓承載力的影響規(guī)律,為此類構件的設計與應用提供相關參考。1三元模型的構建1.1普通l形鋼管再生混凝土柱截面本研究采用組合L形鋼管再生混凝土短柱,其鋼管是由1根矩形鋼管和1根U形鋼管焊接而成,柱高為600mm,截面尺寸如圖3a,為等肢截面。圖3b是普通L形鋼管再生混凝土柱截面。長邊邊長D=200mm,短邊邊長B=100mm。試件長寬比D/B=2,截面長寬比為肢長與肢寬之比(D/B)。制作鋼管的鋼材均采用Q235鋼,內填的再生混凝土等級采用C30,再生混凝土材料性質采用文獻主要研究再生骨料取代率、鋼管厚度、再生混凝土強度等級以及截面長寬比對試件軸壓承載力的影響,各試件的材料參數(shù)見表1。1.2材料之間的應力關系的選擇1.2.1鋼管約束作用系數(shù)核心再生混凝土模型采用ABAQUS中的塑性損傷模型?？紤]再生骨料取代率與鋼管對核心混凝土的約束作用對再生混凝土應力-應變關系的影響,選取文獻本文的組合L形鋼管是由矩形鋼管與U形鋼管焊接而成,將鋼管對混凝土的約束作用分為兩部分:一是將U形鋼管對混凝土的約束作用看成方形鋼管對混凝土的約束作用,方形鋼管的約束作用系數(shù)見式(1);二是矩形鋼管對混凝土的約束作用,矩形鋼管的約束作用系數(shù)采用等效約束作用系數(shù),計算如式(2)。其中:α為含鋼率;ξ本文的混凝土受拉應力-應變關系考慮了再生骨料取代率對其影響,采用文獻1.2.2木材的應力-適應性鋼材采用符合VonMises準則的等效塑性模型,考慮到鋼材的彈塑性,其應力-應變關系采用文獻1.3數(shù)值模型的建立1)單元選取:ABAQUS數(shù)據(jù)庫中包含了眾多不同的單元類型,在不同情況下對應著不同的類型,為更貼近實際情況,本文的再生混凝土單元選擇C3D8R實體單元;鋼管采用S4R殼體單元;對于上下蓋板,由于其要承擔實際荷載且要作為傳遞荷載的中介,故采用離散剛體單元。這幾類單元可以較好反映構件的實際情況,使得模擬結果更貼合實際,更加準確。2)網格劃分:由于網格劃分直接決定了有限元分析的精確度以及計算時間的長短,因此要合理選擇網格劃分大小以及網格劃分技術。由于鋼管與混凝土的尺寸不同,為保證網格的均勻性,故將鋼管和混凝土分開劃分。由于混凝土塊為規(guī)則的長方體,故采用結構化網格技術對其劃分使其形成規(guī)則的單元,尺寸大小為30mm,劃分成540個單元;對于鋼管與上下蓋板,采用掃掠網格技術劃分網格,尺寸大小為25mm,劃分成2168個單元。1.4焊接連接約束1)界面模型:為保證變形的一致性,矩形鋼管與U形鋼管的焊接連接、上下蓋板與試件的焊接連接均采用“tie”約束。根據(jù)文獻2)邊界條件與加載:為更貼近試件的實際受力情況,本章試件的邊界條件模擬文獻1.5有限模型的演示為了驗證本文所建立有限元模型的合理性,將取代率為0%(內填普通混凝土)時模擬得出的荷載-位移曲線與文獻2有限域分析2.1再生混凝土力學性能組合L形截面與普通L形截面對比試件選取的是試件RACFST-LA4和RACFST-NLA,兩個試件的再生骨料取代率均為70%,鋼管厚度均為4mm,再生混凝土強度等級均為C30,截面長寬比均為2。圖7～圖10均為試件達到極限承載力時的應力云圖。圖7、圖8是組合L形截面試件各部件應力云圖以及核心混凝土截面應力云圖,圖9、圖10是普通L形截面試件各部件應力云圖以及核心混凝土截面應力云圖。2.1.1混凝土應力分析圖7a為組合L形截面試件的鋼管應力云圖,鋼管中部區(qū)域應力最大,鋼管表現(xiàn)出中部鼓曲,表明鋼管中部出現(xiàn)局部屈曲;圖7b為組合L形截面試件的混凝土應力云圖,混凝土應力分布較為均勻,只是在柱端角部出現(xiàn)了應力集中,這是由于端部加載時應力集中現(xiàn)象不可避免;圖7c為組合L形截面試件混凝土受壓損傷云圖,損傷最大處在柱中部區(qū)域,往柱端遞減,表明混凝土是柱中壓潰破壞。圖8a為組合L形截面試件中部截面混凝土應力云圖。方形混凝土區(qū)域的應力分布較為均勻,應力較大值出現(xiàn)在截面角部以及靠近矩形混凝土區(qū)域處,應力最大值為17.2MPa,最小值為11.66MPa,矩形混凝土區(qū)域的應力較大值主要分布在截面角部區(qū)域,應力較小值則分布在截面中部區(qū)域,其最大值為15.35MPa,最小值為7.96MPa,說明方形鋼管對混凝土的約束作用強于矩形鋼管。圖8b為組合L形截面試件端部截面混凝土應力云圖。在截面角部區(qū)域以及方形混凝土與矩形混凝土靠近的區(qū)域出現(xiàn)了明顯的應力集中,應力較小值主要出現(xiàn)在矩形混凝土中部與方形混凝土中部,應力最大值為24.59MPa,最小值為2.42MPa。相比中部截面混凝土應力分布,端部截面的混凝土應力分布出現(xiàn)了較為明顯的應力集中,這是由于鋼管對端部區(qū)域混凝土的約束作用不強。對比圖7a、圖9a的鋼管應力云圖,組合L形截面試件鋼管應力較大值主要分布在柱子中部區(qū)域,鋼管局部屈曲,應力最大值為1.06fy,應力較小值分布在柱子端部區(qū)域,其最小值為0.79fy;而普通L形截面試件鋼管應力較大值基本覆蓋了整個柱子,鋼管出現(xiàn)大面積屈曲,應力最大值為1.04fy,最小值為0.76fy。相比同條件下,普通L形截面試件的鋼管更容易屈曲。對比圖7b、圖9b的混凝土應力云圖,2個試件的混凝土都在柱端角部區(qū)域出現(xiàn)了應力集中,縱觀柱子整體應力分布,組合L形截面試件混凝土的應力分布較普通L形截面試件更加均勻。對比圖7c、圖9c混凝土受壓損傷云圖,2個試件的混凝土受壓損傷均集中在柱子中部區(qū)域,說明均是柱子中部混凝土壓碎破壞。對比圖8a和圖10a的柱子中部截面混凝土應力云圖,組合L形截面試件混凝土應力分布較為均勻,沒有出現(xiàn)明顯的應力集中,應力最大值為17.2MPa,而普通L形截面試件混凝土應力分布在陰角處出現(xiàn)了明顯的應力集中,應力最大值為17MPa。對比圖8b和圖10b的柱子端部截面混凝土應力云圖,2個試件都在角部區(qū)域出現(xiàn)了明顯的應力集中,組合L形截面試件應力最大值為24.59MPa,普通L截面試件應力最大值為22.17MPa。相比同條件下,組合L形截面試件核心混凝土應力相對較大,說明組合L形鋼管對混凝土有更好的約束作用。2.1.2組合l形截面試件圖11是組合L形截面試件與普通L形截面試件的荷載位移曲線對比圖。2個試件的荷載-位移曲線整體趨勢是一致的;在彈性階段兩條曲線基本重合;進入塑性階段時,組合L形截面試件的曲線斜率略大于普通L形截面試件;在破壞階段時,兩條曲線的斜率基本一致。組合L形截面試件組合L形截面試件的極限承載力為1752kN,普通L形截面試件的極限承載力為1622kN,相比普通L形截面試件,組合L形截面試件的承載力提高了8%。因此,組合L形截面試件的軸壓性能優(yōu)于普通L形截面試件。3影響因素對一族式鋼筋再生混凝土短柱軸壓極限軸承的影響分析3.1再生骨料取代率和極限承載力的關系圖12為混凝土強度等級為C30、長寬比為2、鋼管厚度為4mm的試件在不同再生骨料取代率(0%、30%、50%、70%、100%)下的荷載-位移曲線對比圖。5條曲線的變化趨勢基本是一致的;在彈性階段,5條曲線基本重合;當進入到塑性階段,再生骨料取代率從0%增大到50%時,試件的承載力有較明顯的下降,但當再生骨料取代率從50%增加到100%,荷載-位移曲線基本重合;在破壞階段,隨著再生骨料取代率的增大,曲線的斜率略有減小。當取代率為0%(即內填普通混凝土)時其極限承載力為1740kN,當取代率為100%(即完全內填再生混凝土)時其極限承載力為1600kN,下降幅值8%,下降幅度不大。從定量與定性分析來看,再生骨料取代率對組合L形鋼管再生混凝土短柱的極限承載力影響較小。3.2載-位移曲線圖13是取代率為70%、鋼管厚度為4mm、長寬比為2的試件在不同混凝土等級(C30、C40、C50)下的荷載-位移曲線對比圖。在彈性階段,試件的荷載-位移曲線基本重合;當進入塑性階段時,混凝土強度等級越高,曲線斜率越大,這是由于混凝土強度等級越高其剛度越大;在破壞階段,隨著混凝土強度等級的增大,曲線的斜率越大,這是由于混凝土等級越高,鋼管對混凝土的約束作用越弱?；炷翉姸鹊燃墳镃30時,試件的極限承載力為1740kN,混凝土強度等級為C50,試件的極限承載力為2289kN,增大幅度為31.5%。從定量與定性來看,核心再生混凝土強度等級對組合L形鋼管再生混凝土柱的極限承載力有較大的影響。3.3塑性階段的-位移曲線圖14是取代率為70%、混凝土等級為C30、長寬比為2的試件在不同鋼管厚度(3、4、5、6mm)下的荷載-位移曲線對比圖。在彈性階段,4條荷載-位移曲線基本重合;進入塑性階段后,曲線開始出現(xiàn)了分化,鋼管厚度越大,曲線斜率越大,承載力也越高;在破壞階段,鋼管厚度越大,曲線斜率越小,這是由于鋼管厚度越大,鋼管對混凝土的約束作用越強。隨著鋼管厚度的增加,試件的極限承載力不斷增大,鋼管厚度3mm時,試件的極限承載力為1508kN,鋼管厚度為6mm時,試件極限承載力為2298kN,試件的極限承載力提升了52%。因此鋼管厚度對組合L形鋼管再生混凝土柱的極限承載力影響較為顯著。3.4截面寬度比的影響截面長寬比為肢長與肢寬之比(D/B)。保持組合L形柱短邊尺寸b不變的基礎上改變長寬比的試件截面。圖15是取代率為70%、混凝土強度等級為C30、鋼管厚度為4mm的試件在不同長寬比(2.0、2.5、3.0)下的荷載-位移曲線對比圖。在彈性階段,3條曲線基本重合;在塑性階段,隨著截面長寬比的增大,曲線斜率增大,這是由于截面長寬比越大,試件的剛度越大;在破壞階段,隨著長寬比的增大,曲線斜率增大,承載力下降速度加快,這是由于長寬比越大,鋼管對混凝土的約束作用越小。隨著截面長寬比的增大,試件的極限承載力增大,當截面長寬比為2時,試件的極限承載力為1740kN,截面長寬比為2.5時,試件的極限承載力為2186kN,截面長寬比為3時,試件的極限承載力為2528kN,截面長寬比從2.0增大到2.5,試件的極限承載力提升了25.6%,長寬比從2.5增大到3.0,極限承載力提高了15.6%,極限承載力的提高幅度減小。說明這是由于隨著長寬比的增大,鋼管對混凝土的約束作用在減弱。4材料參數(shù)、鋼管厚度對極限承載力的影響1)相比于普通L形鋼管再生混凝土柱,組合L形鋼管再生混凝土柱有更好的軸壓性能。2)再生骨料取代率對試件的極限承載力影響較小,當取代率小于50%時,隨著取代率的增大,構件的極限承載力有所下降,