吳勝，申興月，李迪　(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

楊君　(武昌理工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院 ，湖北 武漢 430074)

方鋼管再生混凝土短柱軸壓力學(xué)性能有限元分析

吳勝，申興月，李迪(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

楊君(武昌理工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院 ，湖北 武漢 430074)

[摘要]為進(jìn)一步探討方鋼管再生混凝土軸壓短柱的力學(xué)性能,在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,采用非線性有限元軟件ABAQUS對試驗(yàn)短柱的荷載-位移曲線進(jìn)行了數(shù)值模擬,驗(yàn)證了有限元分析模型的正確性。將鋼材強(qiáng)度、再生骨料取代率和鋼管壁厚度作為變化參數(shù),用該模型對方鋼管再生混凝土短柱軸壓力學(xué)性能進(jìn)行了非線性分析。研究表明,鋼材強(qiáng)度對試件荷載-位移曲線幅值與形狀均有影響,提高鋼材強(qiáng)度會增大試件極限承載力,而曲線下降段更平緩;再生骨料取代率主要影響試件極限承載力,隨著再生骨料取代率的增大,極限承載力略有減小;鋼管壁厚度對試件荷載-位移曲線的影響較大,隨著鋼管壁厚度的增大,試件極限承載力和加載初期剛度均有所增大,但試件延性變化不大。

[關(guān)鍵詞]方鋼管再生混凝土短柱;軸壓;力學(xué)性能;ABAQUS;有限元分析

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑物的不斷拆遷和翻新，在建造和拆除的施工過程中會產(chǎn)生大量的廢棄混凝土，而這些廢棄混凝土對環(huán)境的危害極大，且處理時需要耗費(fèi)巨大資金。為減小廢棄混凝土對環(huán)境污染，循環(huán)利用資源，了解再生混凝土的力學(xué)性能尤為重要。

目前國內(nèi)外學(xué)者已對鋼管再生混凝土進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了豐碩成果[1~9]。Konno等[1,2]共對10個鋼管約束再生混凝土構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了鋼管再生混凝土柱的強(qiáng)度和變形能力，研究表明，鋼管再生混凝土柱的剛度及承載力較鋼管混凝土柱略有降低，但兩者力學(xué)性能相似；楊有福[3,4]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了鋼管再生混凝土柱的承載力與位移的關(guān)系，結(jié)果表明，再生骨料取代率大的構(gòu)件荷載-位移曲線下降段較陡，構(gòu)件延性差；陳夢成等[5]對6根圓鋼管再生混凝土短柱的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元模擬，結(jié)果表明，圓鋼管混凝土短柱中是否添加再生骨料對試件破壞形態(tài)沒有影響；李軍濤等[6]研究了再生骨料取代率對方、圓鋼管再生混凝土短柱承載力的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，再生骨料取代率超過50%后，隨著取代率的增大，短柱極限承載力反而降低。

為進(jìn)一步了解方鋼管再生混凝土軸壓短柱力學(xué)性能影響因素，給工程提供參考，筆者在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了適用于方鋼管再生混凝土的ABAQUS非線性有限元模型，并用該模型分析了鋼材強(qiáng)度、再生骨料取代率和鋼管厚度對方鋼管再生混凝土短柱軸壓承載力的影響。

1試驗(yàn)概況

筆者共設(shè)計了3個方鋼管再生混凝土軸壓短柱，各試件的基本參數(shù)及材料力學(xué)性能指標(biāo)見表1，其中混凝土抗壓強(qiáng)度由與試件同條件養(yǎng)護(hù)的棱長為150mm的再生混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊測得，鋼材的屈服強(qiáng)度和彈性模量由鋼板做成的標(biāo)準(zhǔn)試件按《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T 228-2002)規(guī)定的方法確定。

表1　試件基本參數(shù)及材料力學(xué)性能指標(biāo)

試件使用的鋼管為Q235的無縫方鋼管，混凝土在實(shí)驗(yàn)室自拌，混凝土中原材料包括：強(qiáng)度等級32.5普通硅酸鹽水泥、河砂、天然碎石、水、再生骨料及高效減水劑FDN-5，其中再生骨料是荊州某質(zhì)檢站的廢棄混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊由破碎機(jī)和人工錘擊而成，最后經(jīng)篩分后得到，粒徑在10~30mm。混凝土的配合比為：水泥∶砂∶骨料∶水=491∶627∶1134∶147，減水劑用量取水泥用量的1%。

采用分級控制加載制度，具體為當(dāng)施加總軸壓荷載小于0.6倍的計算極限荷載前，每次施加計算極限荷載的1/15；當(dāng)施加的總軸壓荷載超過計算極限荷載的0.6倍以后，每次施加計算極限荷載的1/30，每級荷載持續(xù)2min后開始采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行下一級加載。當(dāng)柱的壓縮量發(fā)生突變，表示柱屈服，此時連續(xù)加載，并不斷采集數(shù)據(jù)，直到試件承載力下降至極限承載力的85%以下，終止加載。

2有限元模型建立

2.1　材料本構(gòu)關(guān)系模型

1)鋼材的本構(gòu)模型目前建筑工程中常用鋼材有Q235鋼、Q345鋼和Q390鋼等，這些都是低碳軟鋼，其本構(gòu)關(guān)系比較清楚。鋼材本構(gòu)關(guān)系選用文獻(xiàn)[10]中二次流塑模型，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分別為5段，即彈性段、彈塑性段、塑性段、強(qiáng)化段和二次束流段。該模型的的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

2)混凝土的本構(gòu)模型混凝土作為一種應(yīng)用最廣泛的建筑材料，由于不均勻性較大，導(dǎo)致其受力性能有很大的差異，因此，目前存在的混凝土本構(gòu)關(guān)系模型較多，主要有線彈性均質(zhì)本構(gòu)模型、非線性彈性模型、彈塑性本構(gòu)模型、塑性-斷裂理論模型、內(nèi)時理論模型和連續(xù)損傷理論模型等，但由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中核心混凝土受力性能的特殊性，混凝土的受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型是參考文獻(xiàn)[11～13]后提出，它既能考慮鋼管的約束作用，同時也考慮了再生骨料取代率的影響，因此該本構(gòu)模型更加合理，其具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

圖1　試件有限元模型

圖2　有限元計算曲線與試驗(yàn)曲線對比

2.2　單元選取與網(wǎng)格劃分

為同時提高結(jié)果精度和計算效率，鋼管采用四節(jié)點(diǎn)的減縮積分殼單元S4R，在計算過程中，該單元類型可根據(jù)殼的剪切變形大小自動選擇厚殼理論或薄殼理論進(jìn)行計算。核心混凝土采用8節(jié)點(diǎn)的三維線性實(shí)體單元C3D8R；將上下端板設(shè)置成彈性模量Es為2.0×109MPa，泊松比ν為0.001的彈性材料；使用結(jié)構(gòu)化分網(wǎng)格技術(shù)對試件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

2.3　界面模型處理與加載

該模型的界面模型包括鋼管與端板之間約束、核心混凝土與端板及鋼管與核心混凝土之間的接觸3部分。鋼管與端板之間采用Shell to Solid Coupling的方式進(jìn)行耦合約束；鋼管與核心混凝土之間相互作用通過界面方向的硬接觸和切線方向的粘結(jié)滑移來實(shí)現(xiàn)，采用庫倫摩擦模型，通過罰函數(shù)Penalty來定義，摩擦系數(shù)取0.6，考慮小滑移作用；核心混凝土與端板之間只設(shè)置硬接觸，考慮有限滑移，直接通過位移邊界條件施加位移荷載。

3有限元模型驗(yàn)證

按試驗(yàn)短柱的實(shí)際尺寸，采用ABAQUS軟件建立了非線性有限元模型，并進(jìn)行了計算分析。圖2為有限元計算的荷載-位移曲線與試驗(yàn)曲線。由圖2可以看出，計算曲線與試驗(yàn)曲線變化趨勢一致，吻合較好，說明采用該方法建立的非線性有限元模型能較真實(shí)反映方鋼管再生混凝土軸壓短柱的受力性能。

4影響因素分析

進(jìn)行方鋼管再生混凝土軸壓短柱承載力影響因素分析的基本算例參數(shù)為：柱截面寬度200mm，鋼管壁厚度3mm，構(gòu)件高度為600mm，鋼材屈服強(qiáng)度fy=345MPa，核心混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=32.4MPa，再生骨料取代率為30%。

4.1　鋼材強(qiáng)度影響

圖3是鋼材強(qiáng)度fy為420、345、235MPa的構(gòu)件荷載-位移曲線。由圖3可以看出，試件的極限承載力隨鋼材強(qiáng)度的增大而增大，但增大幅度越來越?。讳摬膹?qiáng)度對試件彈性階段的剛度基本沒有影響，進(jìn)入彈塑性階段后，試件剛度隨鋼材強(qiáng)度的增大而略有增大，而鋼材強(qiáng)度較大的試件，其荷載-位移曲線的下降段下降趨勢逐漸變緩，說明延性增大。

4.2　再生骨料取代率影響

圖4是再生骨料取代率r為0%、30%、60%的構(gòu)件荷載-位移曲線。整體來說，再生骨料取代率對荷載-位移曲線形狀影響不大，隨著再生骨料取代率的增大，試件加載初期剛度基本不變，而極限承載力略有減小，后期曲線下降段基本重合。

圖3　不同鋼材強(qiáng)度的荷載-位移曲線　　　　　　　　　　圖4　不同再生骨料取代率的荷載-位移曲線圖

圖5　不同鋼管壁厚度的荷載-位移曲線

4.3　鋼管壁厚度影響

圖5給出了鋼管壁厚度t為3、4、5mm的構(gòu)件荷載-位移曲線。由圖5可以看出，隨著鋼管壁厚度的增大，加載初期的剛度略有增大，試件的極限承載力增大幅度明顯，曲線下降段的下降趨勢變化不大，但后期曲線又表現(xiàn)出上升。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是，在加載初期，核心混凝土與鋼管各自承受荷載，鋼管壁厚度較大的試件含鋼率大，變形??；隨著進(jìn)一步加載，混凝土與鋼管之間產(chǎn)生相互作用，鋼管壁厚度越大，鋼管的約束作用越強(qiáng)，混凝土強(qiáng)度提高幅度也越大，但由于再生混凝土內(nèi)部存在較多的微裂縫，在較大的軸壓力作用下，微裂縫極易發(fā)展，導(dǎo)致曲線下降段的下降趨勢并未減小。

5結(jié)論

1)建立的方鋼管再生混凝土軸壓短柱非線性有限元模型能很好反映試件的實(shí)際受力情況，用該模型對方鋼管再生混凝土短柱軸壓力學(xué)性能影響因素分析是可行的。

2)隨著鋼材強(qiáng)度的提高，方鋼管再生混凝土試件的極限承載力會提高，但試件彈性階段的剛度基本不變，曲線下降段略微平緩，說明試件延性越好。

3)再生骨料取代率對荷載-位移曲線形狀影響不大，但隨著再生骨料取代率的增大，試件的極限承載力會減小，后期曲線下降段基本重合。

4)隨著鋼管壁厚度的增大，試件的極限承載力增大幅度明顯，加載初期彈性剛度略有增大，在破壞階段承載力降低較快，曲線下降趨勢變化不大。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Konno K, Sato Y, Kakuta Y, et al. Property of recycled concrete column encased by steel tube subjected to axial compression[J]. Transactions of the Japan Concrete Institute, 1997,19(2):231～238.

[2] Konno K, Sato Y, Ueda T, et al. Mechanical property of recycled concrete under lateral confinement[J]. Transactions of the Japan Concrete Institute,1998,20(3):287～292.

[3] 楊有福. 鋼管再生混凝土構(gòu)件荷載-變形關(guān)系的理論分析[J]. 工業(yè)建筑,2007, 37(12):1～6.

[4] 楊有福. 鋼管再生混凝土構(gòu)件受力機(jī)理研究[J].工業(yè)建筑，2007, 37(12): 7～12.

[5] 陳夢成，劉京劍，黃宏.圓鋼管再生混凝土軸壓短柱研究 [J].混凝土, 2014(12): 43～48.

[6] 李軍濤，陳宗平，劉峰. 鋼管再生混凝土軸壓性能試驗(yàn)研究[J].混凝土, 2013(7): 13～15.

[7] 李衛(wèi)秋，查曉雄，余敏. 空心普通和再生鋼管混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究Ⅰ：試驗(yàn)與有限元研究[J]. 建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展, 2012，14(3):27～35.

[8] 王玉銀，陳杰，縱斌，等.鋼管再生混凝土與鋼筋再生混凝土軸壓短柱力學(xué)性能對比試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2011,32(12):170～177.

[9] 黃一杰，肖建莊.鋼管再生混凝土柱抗震性能與損傷評價[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013,41(3):330～335.

[10] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[11] 過鎮(zhèn)海.混凝土的強(qiáng)度和本構(gòu)方程-原理與應(yīng)用[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2004.

[12] Xiao J Z, Li J B, Zhang C. Mechanical properties of recycled Aggregate Concrete Under axial loading[J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35: 1187～1194.

[13] 肖建莊. 再生混凝土[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[編輯]計飛翔

[引著格式]吳勝，申興月，李迪，等.方鋼管再生混凝土短柱軸壓力學(xué)性能有限元分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2015,12(28)：26~29,37.

[中圖分類號]TU398.9

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)28-0026-04

通信作者：

[作者簡介]吳勝(1988-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事鋼管混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究工作；申興月，swu668@163.com。

[基金項(xiàng)目]湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(D20151304),湖北省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項(xiàng) 目(104892014001)。

[收稿日期]2015-06-01