吳孫武，張震

(安徽建筑大學土木學院，安徽 合肥 230022)

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方鋼管再生混凝土框架柱的非線性有限元分析

吳孫武，張震

(安徽建筑大學土木學院，安徽 合肥 230022)

[摘要]為進一步研究方鋼管再生混凝土框架柱在地震反復荷載下的抗震性能，基于試驗結果，選擇合理的材料本構關系及破壞準則，采用有限元軟件ABAQUS對試驗中框架柱的抗震性能進行非線性分析，得到其荷載-位移滯回曲線。在此基礎上對方鋼管再生混凝土框架柱進行了參數分析，分析了核心混凝土等級、再生骨料替代率這2個參數對框架柱抗震性能的影響。研究結果表明，該模型的計算結果較為準確，計算得到的荷載-位移滯回曲線與試驗實測結果吻合較好；提高核心混凝土等級，試件的承載力提高明顯，但后期變形能力差，延性較差；增大再生骨料替代率可以明顯改善試件的延性，但會降低試件所能達到的極限荷載。研究結果可供實際工程需要及試驗設計參考。

[關鍵詞]鋼管再生混凝土；框架柱；有限元；非線性分析；抗震性能

現階段我國正處在建筑業(yè)快速發(fā)展期，舊建筑的拆除會產生大量的廢棄混凝土，如何更好的處置這些建筑垃圾已引起環(huán)保人士和學術界的廣泛關注。將廢棄混凝土破碎分級作為再生骨料而配置成再生混凝土[1，2]，這類混凝土目前已應用于道路和非承重結構中。然而，再生混凝土的強度、彈性模量都較普通混凝土要差，且耐久性不好，不利于其在工程實際中的推廣。

為了推廣再生混凝土的使用范圍，相關學者[3～5]將再生混凝土填充至鋼管形成鋼管再生混凝土結構。目前，關于鋼管再生混凝土的研究主要集中在其軸壓力學性能和抗震性能上：軸壓力學性能方面，王玉銀等[6]、邱慈長等[7]、張向岡等[8]、楊有福等[9]對軸壓短柱、軸壓長柱和壓彎、純彎構件的承載力做了一些相關研究；抗震性能方面，黃一杰等[10]、張向岡等[11，12]、黃丹等[13]、張銳等[14]對鋼管再生混凝土柱的抗震性能進行了試驗研究。但是，關于鋼管再生混凝土柱的非線性有限元分析鮮有學者涉及，因此十分有必要對其進行相關研究。

為此，基于已有的試驗結果，筆者擬采用大型有限元分析軟件ABAQUS對方鋼管再生混凝土框架柱進行非線性有限元分析，并在此基礎上對框架柱進行參數分析，探討了核心混凝土等級、軸壓比2個參數對框架柱抗震性能的影響，以期為實際工程和鋼管再生混凝土框架柱設計提供參考和借鑒。

1試驗概況

試驗一共設計制作了4根方鋼管再生混凝土框架柱試驗模型，主要考慮了軸壓比、含鋼率和取代率對框架柱抗震性能的影響。試件編號為Z-0、Z-1、Z-2、Z-3，試件Z-0為普通方鋼管混凝土框架柱，試件Z-1、Z-2、Z-3為方鋼管再生混凝土框架柱，再生骨料替代率為50%?？蚣苤摴懿捎?80mm×180mm的Q235B直縫方鋼管，有效高度L=1200mm，試件Z-2鋼管壁厚6mm，其余框架柱壁厚4mm。試件Z-3柱頂軸力為720kN，軸壓比為0.6，其余框架柱柱頂軸力為480kN，軸壓比為0.4。管內核心混凝土等級為C40，立方體平均抗壓強度為40.2MPa。

圖1　加載示意圖

試驗過程中，將試件固定在混凝土底座上，混凝土底座再錨固在地面以此來形成固定約束。試件頂部放置千斤頂來提供軸力，作動器固定在反力墻上來對試件施加低周反復荷載，試件的加載示意圖如圖1所示。試件屈服前采用荷載控制，到滯回曲線上出現明顯拐點后再采用位移控制，然后按位移的倍數依次循環(huán)3次，直至試件破壞。

2有限元模型

2.1材料的本構模型

常見的低碳軟鋼如Q235鋼、Q345鋼及Q390鋼，這類鋼材在實際工程中應用較多，本構關系較為清晰。鋼管內核心再生混凝土因受到外部鋼管的包裹，使得其工作性能較為復雜，且隨著受力狀態(tài)的改變處于動態(tài)變化。鋼材采用文獻[15]的本構模型，對再生混凝土的本構關系[16]進行修正，見式(1):

(1)

其中：

A=2.0-KB=1.0-KK=0.1ξ0.745

式中，fck表示核心混凝土的標準抗壓強度；ξ為約束特征系數；r為再生骨料的取代率。另外，再生混凝土泊松比取0.21，鋼材的彈性模量取Es=2.03×105MPa。再生混凝土的彈性模量Ec、軸心抗壓強度fc及立方體抗壓強度fcu的關系見式(2)：

(2)

2.2單元選取和網格劃分

因設計的方鋼管再生混凝土框架柱采用的是外露式柱腳，框架柱根部設置有加勁肋。建模過程中，根部為整個鋼域，為便于建模和計算，將加勁肋區(qū)域忽略。鋼管和核心區(qū)混凝土采用不同的單元類型，鋼管采用殼單元S4R，該單元允許沿著厚度方向產生剪切變形，當殼厚度較小時，剪切變形較小?；炷敛捎冒斯?jié)點線性縮減積分三維實體單元C3D8R。劃分網格時采用結構化網格技術對所建模型進行網格劃分，這樣有利于有限元計算結果的精度，也有利于計算的收斂。

2.2界面模型處理與加載

為了更好模擬出構件實際受力情況及建立模型邊界條件，先在柱頂部施加恒定的均布荷載，柱底部完全固定，水平荷載通過位移控制施加在柱頂加載點處。加載方式采用多步驟分析法，即第一個分析步首先在柱頂部施加恒定豎向荷載，其余分析步保持該荷載不變，在加載點處施加側向位移。將正、反向加載各定義成一個分析步就形成了循環(huán)加載。

3有限元模型驗證

采用上述的有限元模型，利用ABAQUS進行計算后得到了各個試件模型的荷載-位移滯回曲線，將有限元計算曲線與實測曲線繪制于同一張圖中，如圖2所示。

圖2　有限元計算曲線與實測曲線

從圖2可知，有限元計算的結果和實測曲線吻合較好，說明模擬可以很好的驗證試驗，且滯回曲線非常飽滿，證實了方鋼管再生混凝土框架柱擁有良好的耗能能力和變形能力。但有限元模擬曲線中極限荷載值均大于實測極限荷載值，可作出如下解釋：

1)有限元模型是理想化狀態(tài)，輸入的材料本構關系難免同實際值有所差別；

2)試驗過程中，試件屈服后循環(huán)加載3次，而有限元模擬中滯回曲線只循環(huán)加載了1次，故損傷較小，所能達到的極限荷載值更高。

4影響因素分析

由于試驗限制，不可能大量進行試驗以考察不同材料參數對框架柱抗震性能的影響。數值模擬的好處在于可以免除試驗條件的限制，并能針對不同材料參數進行數值計算，探究不同材料參數情況下對鋼管再生混凝土框架柱的抗震性能的影響。

4.1再生混凝土強度的影響

圖3　不同核心混凝土強度下框架柱的骨架曲線

圖4　不同再生骨料替代率下框架柱的骨架曲線

以試件Z-1為考察對象，考察再生混凝土等級強度的影響。分別考察3組不同的混凝土強度C40、C50、C60。不同核心混凝土強度下方鋼管再生混凝土框架柱骨架曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，在框架柱達到極限荷載之前，核心混凝土的等級越高，其框架柱的水平荷載也越大。極限荷載之后，混凝土等級高的框架柱骨架曲線下降階段越陡，下降的速率越快，造成框架柱的延性變差。這是因為有限元計算時僅改變了再生混凝土的等級，外部鋼管強度不變，核心混凝土等級越高，鋼管對其的約束效應越低。這就導致了框架柱在加載過程中微裂縫發(fā)展速度加快，不利于后期的承載，故后期承載力下降幅度加大。所以，再生混凝土等級越高，框架柱延性變差，不利于抗震。因此，工程實際中，提高混凝土強度的同時也需要提高鋼管的強度等級，或采用更厚的管壁，這樣方能保證鋼管對混凝土具有更好的約束作用，有利于抗震。

4.2再生骨料替代率的影響

以試件Z-2的為考察對象，改變不同的再生骨料替代率來考察其對抗震性能的影響。不同再生骨料替代率下框架柱的骨架曲線如圖4所示。

圖4列出了再生骨料取代率為50%、75%、100%時框架柱的骨架曲線。由圖4可知，框架柱的初始剛度隨著再生骨料替代率的上升而有所下降，說明再生骨料取代率對框架柱的初始剛度有不利的影響。再生骨料取代率越大，框架柱所達到極限荷載越低。極限荷載之后，隨著再生骨料取代率的上升，骨架曲線承載力下降越緩慢，水平段變長，破壞位移提高，延性較好。因此，再生骨料替代率的增大可以改善框架柱的延性。

5結論

基于試驗結果，通過使用ABAQUS軟件建立有限元模型對其進行分析，并研究了核心混凝土等級、再生骨料替代率這2個參數等框架柱抗震性能的影響，可得出如下結論：

1)建立的方鋼管再生混凝土框架柱的有限元模型計算結果與實測結果吻合良好，說明用該模型來分析方鋼管再生混凝土結構是可行的。

2)隨著再生混凝土強度的提高，方鋼管再生混凝土框架柱的極限荷載也越高，但下降段更陡，表現出更差的延性和耗能能力。因此，筆者建議若工程中需要增大混凝土等級時，也應相應增大框架柱管壁的厚度或者強度，才能達到更好的抗震效果。

3)再生骨料取代率對框架柱的初始剛度有不利影響，取代率越大，初始剛度越小。但取代率對框架柱的延性有一定影響，即取代率越大，框架柱的延性越好。

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[編輯]計飛翔

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)13-0052-05

[中圖分類號]TU391

[作者簡介]吳孫武(1988-)，男，碩士生，現主要從事地下工程結構方面的研究工作；通信作者：張震，907067328@qq.com。

[基金項目]江蘇省自然科學基金青年基金資助項目(BJ2013485)；住房與城鄉(xiāng)建設部基金資助項目(2012-K21-4)。

[收稿日期]2016-01-14

[引著格式]吳孫武，張震.方鋼管再生混凝土框架柱的非線性有限元分析[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(13)：52～56.