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,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電力等領(lǐng)域的實際工程應(yīng)用中。目前對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,主要分析材料的強度、鋼管的壁厚、樁壁的壁厚、剪跨比等主要參數(shù)對其荷載-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。

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,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,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),將其簡化成雙折線型,即只有彈性段和強化段,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)驗公式和實測數(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方向上比完全積分少一個積分點,而線性減縮積分單元只在單元中心有一個積分點。采用線性減縮積分單元,對位移的求解比較精準(zhǔn)。按幾何位置關(guān)系定義相對關(guān)系,將各個部件裝配形成整體模型,其中樁卡作為實驗的支座。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,壓強的大小為力的大小除以加載板的面積。需要經(jīng)過多次的實驗來確定力值的大小。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)樁長選擇3 m,鋼管的牌號為Q235,混凝土的強度等級為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鋼材強度的影響

為了分析不同的鋼材的強度對普通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Q235、Q345、Q460,其他基本參數(shù)保持不變。觀察不同鋼材強度下,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)展趨勢較為一致。

圖2　不同鋼材強度的剪力-撓度曲線

2.2混凝土強度的影響

圖3給出了混凝土的強度對剪力-撓度曲線的影響。本文選擇混凝土等級為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,抗剪承載力相比λ=0.8時的承載力提高了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,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,承載力變化幅度較小,可以定義當(dāng)剪跨比λ≤0.8時,普通SC樁破壞形式為剪切破壞;當(dāng)剪跨比0.8<λ≤1.0時,普通SC樁破壞形式為彎剪破壞;當(dāng)剪跨比λ>1.0時,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抗剪承載力計算公式

文獻(xiàn)[8]將剪跨比等于零時的“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)值點進(jìn)行擬合,得到離心鋼管混凝土樁抗剪承載力的經(jīng)驗公式,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?；诖死碚撃Ｐ?可對各主要參數(shù),包括材料的強度、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,并通過對剪跨比影響的主要分析,確定當(dāng)剪跨比λ≤0.8時,普通SC樁破壞形式為剪切破壞;當(dāng)剪跨比0.8<λ≤1.0時,普通SC樁破壞形式為彎剪破壞;當(dāng)剪跨比λ>1.0時,普通SC樁破壞形式為彎曲破壞。本文還通過對有限元計算結(jié)果的擬合,提出了離心鋼管混凝土樁的抗剪承載力計算經(jīng)驗公式。

〔參考文獻(xiàn)〕

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[8]蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:人民交通出版社,2003.

收稿日期：2016-03-18

作者簡介：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：TU 473.01

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0247-03