陸　濤，趙　林，毛永平

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009；2.安徽保利房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，安徽 合肥　230081；3. 建華建材投資有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江　212413)

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SC樁抗震性能有限元分析

陸濤1，趙林2，毛永平3

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009；2.安徽保利房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，安徽 合肥230081；3. 建華建材投資有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212413)

摘要：文章利用Abaqus軟件對(duì)SC樁在低周往復(fù)荷載作用下的抗震性能進(jìn)行有限元模擬，根據(jù)有限元模擬結(jié)果對(duì)其破壞特征和骨架曲線進(jìn)行初步分析，并通過改變壁厚，分析其對(duì)SC樁承載力、剛度產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明, SC樁的破壞表現(xiàn)出明顯的塑性特征，塑性變形能力強(qiáng)；滯回曲線形狀飽滿，耗能能力好；隨著鋼管壁厚的增加，承載力近似呈線性增加；混凝土壁厚在一定范圍內(nèi)對(duì)SC樁承載力有較大影響。

關(guān)鍵詞：SC樁；擬靜力分析；有限元模擬；骨架曲線

鋼管混凝土管樁(簡(jiǎn)稱SC樁)是在鋼管內(nèi)離心澆筑混凝土,并通過蒸汽養(yǎng)護(hù)而形成的空心組合構(gòu)件，具有承載力高、塑性和韌性好及種類多等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，這對(duì)于彌補(bǔ)常用的PHC樁抗剪、抗彎性能較差以及脆性等缺陷[4]具有重要意義。但是，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于SC樁的研究還較少，且主要集中在靜力性能方面[3,5-6]，而對(duì)于其抗震性能的研究則尚未見研究報(bào)道，這嚴(yán)重限制了SC樁在高烈度地區(qū)的推廣應(yīng)用。

本文以SC管樁的擬靜力有限元模擬為基礎(chǔ)，對(duì)其抗震性能進(jìn)行初步分析和研究。

1試件設(shè)計(jì)

為研究SC樁的破壞形態(tài)、耗能能力及承載力等抗震性能，設(shè)計(jì)一個(gè)試件進(jìn)行擬靜力有限元分析，模擬時(shí)管樁一端完全固結(jié)，對(duì)另一端施加水平低周反復(fù)荷載[7],主要參數(shù)見表1所列。

表1　SC樁試件的主要參數(shù)

2有限元模型

2.1材料本構(gòu)關(guān)系

(1) 鋼材本構(gòu)關(guān)系。本文在有限元分析中采用Abaqus軟件中的塑性分析(Plastic)模型，該模型在多軸應(yīng)力狀態(tài)下滿足經(jīng)典的Von.Mises屈服準(zhǔn)則，采用各向同性的強(qiáng)化準(zhǔn)則，并服從相關(guān)流動(dòng)法則。鋼材理想化的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1　鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

(2) 混凝土本構(gòu)關(guān)系。在Abaqus軟件的材料庫(kù)中有3種不同的混凝土塑性本構(gòu)關(guān)系模型,即混凝土損傷塑性模型、混凝土彌散開裂模型及混凝土裂紋模型，其中混凝土損傷塑性模型可以用來分析在循環(huán)和動(dòng)力荷載作用下的混凝土等準(zhǔn)脆性材料結(jié)構(gòu)[8]，且收斂性好，因此，本文選用該模型模擬鋼管混凝土中離心混凝土材料特性?；炷了苄該p傷模型單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖2所示。

圖2　混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

2.2單元類型和材料接觸

本文對(duì)SC樁進(jìn)行有限元建模時(shí)，離心混凝土采用六面體實(shí)體單元(C3D8R),鋼管既可以采用殼單元，也可以采用實(shí)體單元。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用實(shí)體單元的結(jié)果更接近于實(shí)際，且容易收斂，故本文有限元建模時(shí)，鋼管也采用六面體實(shí)體單元。

界面法線方向的接觸和切線方向的粘結(jié)滑移構(gòu)成了鋼管與混凝土的界面模型。本文對(duì)鋼管與混凝土界面法線方向的接觸采用“硬”接觸[9]；界面切向力模擬采用庫(kù)侖摩擦模型，鋼管與混凝土之間的摩擦系數(shù)按照文獻(xiàn)[10]建議值取0.6。

2.3加載制度

對(duì)于擬靜力水平反復(fù)加載，常采用加載制度有位移控制加載法、荷載控制加載法及荷載位移-混合控制加載法[7]。本次模擬采用荷載-位移混合控制加載法，在試件屈服前以荷載控制加載，每級(jí)荷載反復(fù)1次，試件屈服后以位移控制加載，每級(jí)反復(fù)3次。

3有限元計(jì)算結(jié)果

3.1應(yīng)力云圖和破壞特征

提取有限元軟件的Mises應(yīng)力云圖，如圖3所示，從圖中可以看出，有限元模擬的最大應(yīng)力出現(xiàn)在管樁的根部，距底端約25 mm處。在荷載控制階段加載到最大值160 kN時(shí)，管樁根部開始出現(xiàn)鼓屈，鋼管和混凝土脫開，鋼管應(yīng)力達(dá)到屈服。

位移控制加載階段，管樁根部鋼管的應(yīng)力不斷增大，隨著反復(fù)加載，呈橢圓形逐漸向周邊強(qiáng)化，并且鼓屈現(xiàn)象越來越明顯。

圖3　SC樁試件的Mises應(yīng)力云圖

3.2荷載-位移滯回曲線

試件的荷載-位移滯回曲線如圖4所示，由圖4可見，SC樁的滯回曲線形狀飽滿，包圍的面積較大，反映出SC樁塑形變形能力強(qiáng)，耗能能力好。

3.3荷載-位移骨架曲線

荷載-位移滯回曲線中,各級(jí)第一循環(huán)的峰值點(diǎn)依次相連形成的包絡(luò)曲線稱為骨架曲線，提取SC樁的荷載-位移骨架曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，SC樁在彈塑性階段表現(xiàn)出較為明顯的屈服特性，并且在大位移的情況下仍保持較高的承載力。

圖5　SC樁試件的骨架曲線

4參數(shù)分析

4.1鋼管壁厚影響分析

對(duì)于SC樁，在其他參數(shù)不變的情況下，改變鋼管壁厚，壁厚分別為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6　SC樁不同鋼管厚度下有限元結(jié)果對(duì)比

從圖中可以看出，隨著鋼管壁厚的增加，承載力逐漸增大，鋼管厚度從6 mm到8 mm試件承載力變化最大，4 mm到6 mm承載力最為接近，尤其在彈性階段，基本重合。

由于受到鋼材的本構(gòu)關(guān)系和有限元軟件模擬的局限性，SC樁荷載-位移骨架曲線中無法直接讀取極限荷載，本文選擇加載到最大位移108 mm時(shí)的荷載作承載力比較。

當(dāng)鋼管壁厚分別為4、6、8、10 mm時(shí)，其壁厚對(duì)承載力的影響近似呈線性提高。

4.2混凝土壁厚影響分析

在其他參數(shù)不變的情況下，改變SC樁混凝土的壁厚，壁厚分別為90 mm、100 mm、110 mm、120 mm，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7　SC樁不同混凝土厚度下有限元結(jié)果對(duì)比

從圖中可以看出，混凝土壁厚對(duì)SC樁的承載力有一定的影響，混凝土壁厚從90 mm到100 mm承載力變化不大，從100 mm到110 mm承載力變化最為明顯，110 mm到120 mm骨架曲線基本重合，承載力幾乎沒有變化，說明混凝土壁厚對(duì)SC樁的抗震性能提高并非越大越好。

當(dāng)壁厚分別為90 mm、100 mm、110 mm、120 mm時(shí)，其承載力分別為233.5 kN、237.9 kN、287.5 kN、289.4 kN,可見混凝土壁厚在一定范圍內(nèi)對(duì)承載力影響較大。

5結(jié)論

(1) SC樁具有較強(qiáng)的塑性變形能力和耗能能力，且在大位移情況下仍保持較高的承載力。

(2) 鋼管壁厚對(duì)SC樁的承載力影響較大，隨著鋼管壁厚的增加，承載力近似呈線性增加。

(3) 混凝土壁厚在一定范圍內(nèi)對(duì)SC樁承載力有較大影響。

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收稿日期：2016-03-10；修改日期：2016-03-15

作者簡(jiǎn)介：陸濤(1990-)，男，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生．

中圖分類號(hào)：TU473

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)02-0204-03