湯青森，楊俊峰，王為民

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009)

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離心鋼管混凝土樁抗剪性能研究

湯青森，楊俊峰，王為民

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

摘要：針對(duì)離心鋼管混凝土樁(普通SC樁),建立有限元橫向受剪模型,并利用該模型進(jìn)行參數(shù)分析,試件的參數(shù)包括材料的強(qiáng)度、鋼管的壁厚、樁壁的壁厚和剪跨比。結(jié)果表明,剪跨比λ≤0.8的普通SC樁構(gòu)件為剪切破壞,0.8<λ≤1.0的普通SC樁構(gòu)件為彎剪破壞,λ>1.0的普通SC樁構(gòu)件為彎曲破壞。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,擬合推導(dǎo)出離心鋼管混凝土樁抗剪承載力的經(jīng)驗(yàn)公式。

關(guān)鍵詞：離心鋼管混凝土樁;有限單元法;抗剪承載力;剪跨比

0引言

離心鋼管混凝土樁[1](普通SC樁),是采用鋼板卷曲成型焊接制成鋼管,并在鋼管內(nèi)澆筑混凝土,通過離心成型制成承受較大豎向荷載和水平荷載的新型基樁制品。與預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC樁)生產(chǎn)工藝相比,普通SC樁工藝簡(jiǎn)單。工序減少,生產(chǎn)效率提高,從而為降低工程建設(shè)成本提供了可能性,同時(shí)普通SC樁還具備彈塑性好、剛度大、自重輕、可工廠加工等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電力等領(lǐng)域的實(shí)際工程應(yīng)用中。目前對(duì)鋼管混凝土抗剪研究主要集中在圓鋼管混凝土柱方面[1-4]。本文基于有限元軟件ABAQUS建立了普通SC樁在橫向受剪荷載作用下的有限元模型,并基于此理論模型進(jìn)行參數(shù)分析,主要分析材料的強(qiáng)度、鋼管的壁厚、樁壁的壁厚、剪跨比等主要參數(shù)對(duì)其荷載-變形曲線的影響參數(shù)。最終基于參數(shù)分析的數(shù)據(jù)和結(jié)論,擬合推導(dǎo)離心鋼管混凝土樁抗剪承載能力經(jīng)驗(yàn)公式。

1有限元模型

普通SC樁構(gòu)造如圖1所示,其中D指鋼管的外徑,t指的是樁壁壁厚,ts表示鋼管的厚度,L表示樁長(zhǎng)。

圖1　SC樁試件構(gòu)造

1.1材料的本構(gòu)關(guān)系

在建立有限元模型時(shí),選擇合理的材料模型是有限元分析的關(guān)鍵。本文利用有限元軟件ABAQUS建立模型時(shí),鋼管本構(gòu)關(guān)系以文獻(xiàn)[5]提出的二次塑流模型基礎(chǔ),將其簡(jiǎn)化成雙折線型,即只有彈性段和強(qiáng)化段,方便模型有利于收斂,其公式為

(1)

混凝土采用ABAQUS中的混凝土塑性損傷模型。其本構(gòu)關(guān)系采用文獻(xiàn)[6]綜合經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提出的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

1.2單元模型、裝配、相互作用及網(wǎng)格劃分

鋼管采用四節(jié)點(diǎn)有限膜應(yīng)變線性減縮積分殼單元(S4R單元),S4R單元性能穩(wěn)定,與S4單元(四節(jié)點(diǎn)有限膜應(yīng)變線性完全積分殼單元)相比,其適用范圍更廣。

混凝土、加載板和樁卡采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元(C3D8R單元),兩種材料均采取線性減縮積分單元,與普通的完全積分相減縮積分單元在每個(gè)方向上比完全積分少一個(gè)積分點(diǎn),而線性減縮積分單元只在單元中心有一個(gè)積分點(diǎn)。采用線性減縮積分單元,對(duì)位移的求解比較精準(zhǔn)。按幾何位置關(guān)系定義相對(duì)關(guān)系,將各個(gè)部件裝配形成整體模型,其中樁卡作為實(shí)驗(yàn)的支座。鋼管及混凝土與加載板、樁卡均采用綁定約束,保證加載板和混凝土在接觸面上位移一致。網(wǎng)格劃分采用網(wǎng)格試驗(yàn)的方法來確定合理的網(wǎng)格密度。

1.3載荷和邊界條件

離心鋼管混凝土樁橫向受剪模型通過在加載板上施加力進(jìn)行求解。在加載板施加壓強(qiáng),壓強(qiáng)的大小為力的大小除以加載板的面積。需要經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)來確定力值的大小。在支座底端設(shè)置的邊界條件為一端固定鉸支,一端滑動(dòng)鉸支。

2抗剪性能參數(shù)分析

根據(jù)文獻(xiàn)[7]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)樁的結(jié)構(gòu)形狀,選擇生產(chǎn)最常見的樁型為典型算例:公稱直徑D為400 mm,樁壁厚度為90 mm;鋼管厚度為6 mm,單節(jié)樁長(zhǎng)選擇3 m,鋼管的牌號(hào)為Q235,混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C80,剪跨比為1。觀察各模型剪力-撓度曲線的變化。其中剪力指剪跨段的剪力,而撓度指的是樁身跨中撓度。

2.1鋼材強(qiáng)度的影響

為了分析不同的鋼材的強(qiáng)度對(duì)普通SC樁構(gòu)件抗剪性能的影響,本文選擇三種不同的鋼管牌號(hào)Q235、Q345、Q460,其他基本參數(shù)保持不變。觀察不同鋼材強(qiáng)度下,其模型的剪力-撓度曲線的影響,從圖2可看出,隨著鋼材強(qiáng)度的增加,構(gòu)件的抗剪承載力均勻增大,幅度明顯。彈性階段剛度幾乎不變,而曲線的形態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)較為一致。

圖2　不同鋼材強(qiáng)度的剪力-撓度曲線

2.2混凝土強(qiáng)度的影響

圖3給出了混凝土的強(qiáng)度對(duì)剪力-撓度曲線的影響。本文選擇混凝土等級(jí)為C60、C70、C80。

從圖3中可看出,在其他參數(shù)不變的情況下,隨著混凝土強(qiáng)度的提高,普通SC樁的抗剪承載能力也逐步增大,但提高的幅度較小,彈性階段剛度也提高較少,剪力-撓度曲線的形態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)基本保持一致。

2.3鋼管壁厚的影響

保持截面的其他尺寸不變,那么截面的含鋼率(α=As/Ac,式中As和Ac分別表示鋼管和混凝土的橫截面積)與鋼管的壁厚有關(guān),含鋼率隨著鋼管壁厚的增加而增加。

本文選擇三種不同的鋼管厚度,圖4給出了三種不同的鋼管厚度的剪力-撓度曲線,從圖4中可以看出,隨著鋼管的厚度的提高,普通SC樁的抗剪承載力越來越大,增加的幅度也較為均勻,曲線的形態(tài)基本保持不變。

圖3　不同混凝土強(qiáng)度的剪力-撓度曲線

圖4　不同鋼管厚度的剪力-撓度曲線

2.4樁壁壁厚的影響

普通SC樁樁壁壁厚包括鋼管壁厚加上混凝土的壁厚,保持其他參數(shù)不變,那么壁厚的增加也就是混凝土的壁厚的增加。圖5給出了不同壁厚情況下的剪力-撓度曲線,從圖5中可以看出,隨著壁厚的增加,構(gòu)件的抗剪承載能力逐步增加,但增加的幅度很小。一開始,幾條曲線幾乎是一條重合的曲線,在達(dá)到比例極限后依次分開,彈性階段的剛度也幾乎沒有變化。

圖5　不同樁壁壁厚的剪力-撓度曲線

2.5剪跨比的影響

本文選擇幾種不同的剪跨比(λ=0.5、λ=0.8、λ=1、λ=1.2、λ=1.5),其他基本參數(shù)保持不變。圖6給出了不同剪跨比下剪力-撓度曲線,從圖6中可以看出,隨著剪跨比的減小,抗剪承載力逐漸增大,提高的幅度也越大,特別是當(dāng)剪跨比λ=0.5時(shí),抗剪承載力相比λ=0.8時(shí)的承載力提高了30%,隨著剪跨比的增大,曲線越趨于平滑。

圖6　不同剪跨比的剪力-撓度曲線

為了進(jìn)一步進(jìn)行抗剪分析,圖7給出了不同剪跨比情況下的τ-γ曲線(τ=V/Asc,γ為截面的最大剪應(yīng)變),隨著剪跨比λ的增大,τ-γ曲線峰值不斷減小。當(dāng)剪跨比在0.8和1之間時(shí),抗剪承載力變化幅度最大,而當(dāng)剪跨比大于1和小于0.8時(shí),承載力變化幅度較小,可以定義當(dāng)剪跨比λ≤0.8時(shí),普通SC樁破壞形式為剪切破壞;當(dāng)剪跨比0.8<λ≤1.0時(shí),普通SC樁破壞形式為彎剪破壞;當(dāng)剪跨比λ>1.0時(shí),普通SC樁破壞形式為彎曲破壞。

圖7　不同剪跨比的τ-γ曲線

3抗剪承載力計(jì)算公式

文獻(xiàn)[8]將剪跨比等于零時(shí)的“純剪”受剪承載力V0設(shè)置成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)受剪承載力的上限。

V0=0.2Acfck+0.6Asfs=

(2)

根據(jù)參數(shù)分析中剪跨比影響的模型數(shù)據(jù),隨著剪跨比的增加,抗剪承載力逐漸減小,圖7給出了有限元計(jì)算構(gòu)件的Vu/V0和剪跨比λ的關(guān)系曲線,將圖7中各數(shù)值點(diǎn)進(jìn)行擬合,得到離心鋼管混凝土樁抗剪承載力的經(jīng)驗(yàn)公式,即

(3)

圖8　普通SC樁抗剪承載力關(guān)系曲線

4結(jié)束語

采用大型通用有限元軟件ABAQUS模擬薄壁離心鋼管混凝土樁橫向受剪下的力學(xué)性能。基于此理論模型,可對(duì)各主要參數(shù),包括材料的強(qiáng)度、鋼管的壁厚、樁壁壁厚和剪跨比等主要參數(shù)進(jìn)行參數(shù)分析,并通過對(duì)剪跨比影響的主要分析,確定當(dāng)剪跨比λ≤0.8時(shí),普通SC樁破壞形式為剪切破壞;當(dāng)剪跨比0.8<λ≤1.0時(shí),普通SC樁破壞形式為彎剪破壞;當(dāng)剪跨比λ>1.0時(shí),普通SC樁破壞形式為彎曲破壞。本文還通過對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的擬合,提出了離心鋼管混凝土樁的抗剪承載力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。

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收稿日期：2016-03-18

作者簡(jiǎn)介：湯青森(1987-),男,安徽蕪湖人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生．

中圖分類號(hào)：TU 473.01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)02-0247-03