張春雷， 王初翀， 唐麗娜

(四川省建筑設(shè)計(jì)研究院， 四川成都 610000)

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大長(zhǎng)寬比鋼骨混凝土短柱腹板栓釘配置數(shù)值模擬

張春雷， 王初翀， 唐麗娜

(四川省建筑設(shè)計(jì)研究院， 四川成都 610000)

采用Abaqus有限元分析軟件對(duì)某工程大長(zhǎng)寬比鋼骨混凝土短柱腹板栓釘配置進(jìn)行數(shù)值模擬。選擇鋼骨腹板兩側(cè)不同栓釘構(gòu)造方式的大長(zhǎng)寬比鋼骨混凝土短柱，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得到大長(zhǎng)寬比鋼骨混凝土短柱腹板栓釘布置的依據(jù)。為大長(zhǎng)寬比鋼骨混凝土短柱的栓釘設(shè)置提供一定的參考依據(jù)。

Abaqus；大長(zhǎng)寬比；鋼骨混凝土；短柱；栓釘；數(shù)值模擬

1　問(wèn)題的提出

國(guó)內(nèi)高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)大量使用鋼骨混凝土柱，并且在實(shí)際工程實(shí)踐中，鋼骨混凝土柱常在某一方向上的尺寸受到限制，出現(xiàn)大長(zhǎng)寬比矩形截面鋼骨混凝土柱，柱中也常采用大長(zhǎng)寬比的鋼骨，導(dǎo)致長(zhǎng)方向無(wú)側(cè)向鋼板約束的鋼骨腹板較長(zhǎng)，實(shí)際工程中為保證鋼骨與混凝土有效協(xié)同工作，常在鋼骨腹板兩側(cè)布置栓釘。然而，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》僅對(duì)房屋的底層、頂層、鋼骨柱與鋼筋混凝土柱過(guò)渡層中的鋼骨提出了設(shè)置栓釘?shù)囊螅弧朵摴腔炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》僅對(duì)柱腳、過(guò)渡層、鋼骨與混凝土間傳力較大部位提出了設(shè)置栓釘?shù)囊?。兩本?guī)程均未對(duì)大長(zhǎng)寬比鋼骨無(wú)側(cè)向約束較長(zhǎng)的鋼板是否需要層層設(shè)置栓釘、以及栓釘間距如何設(shè)置做出明確規(guī)定。

但是，《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于鋼骨混凝土柱承載力計(jì)算均按鋼骨部分和鋼筋混凝土部分分別計(jì)算，并未考慮鋼骨和鋼筋混凝土界面的不同。是否可以據(jù)此猜想：對(duì)于這種大長(zhǎng)寬比鋼骨無(wú)側(cè)向約束較長(zhǎng)的鋼板如果不布置栓釘，其承載力仍然可以滿足規(guī)程的要求；鋼骨腹板兩側(cè)栓釘布置的疏密對(duì)鋼骨混凝土柱抗震性能沒(méi)有影響。因此，本文針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題，采用Abaqus有限元分析軟件對(duì)鋼骨腹板采用不同栓釘布置方案的大長(zhǎng)寬比鋼骨混凝土短柱的非線性行為進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比研究鋼骨腹板布置和不布置栓釘對(duì)鋼骨混凝土柱承載力的影響、以及研究鋼骨腹板布置栓釘?shù)拈g距對(duì)鋼骨混凝土柱承載力的影響。

Abaqus有限元分析軟件在求解非線性問(wèn)題時(shí)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，計(jì)算精度可靠，計(jì)算效率很高；其求解器是智能化的求解器，可以解決其它軟件不收斂的非線性問(wèn)題；擁有一個(gè)豐富的材料模型庫(kù)和單元庫(kù)，除了許多常用的材料和單元，還包括為特殊應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的材料和單元，提供極大的建模便利。本文選擇的Abaqus有限元分析軟件能很好地平衡計(jì)算精度與效率、收斂性、材料本構(gòu)較少這些有限元分析較為常見(jiàn)的問(wèn)題。

本文主要是應(yīng)用Abaqus有限元軟件對(duì)鋼骨腹板采用不同栓釘布置方案的大長(zhǎng)寬比鋼骨混凝土短柱的非線性行為進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)這類(lèi)構(gòu)件的栓釘設(shè)計(jì)給出建議。

2　Abaqus有限元軟件介紹

Abaqus是一套功能強(qiáng)大的工程模擬有限元軟件，其解決的問(wèn)題從線性分析到復(fù)雜的非線性問(wèn)題。Abaqus包括一個(gè)豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫(kù)，并擁有各種類(lèi)型的材料模型庫(kù)。作為通用的模擬工具，Abaqus能解決大量建筑結(jié)構(gòu)工程問(wèn)題。目前，該程序較好地模擬了包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜建筑工程和試驗(yàn)項(xiàng)目，證明其具有較好的非線性數(shù)值模擬精度。

2.1混凝土的本構(gòu)關(guān)系

Abaqus中提供了3種混凝土本構(gòu)模型：(1)損傷塑性模型(Plasticity damage)，(2)彌散開(kāi)裂模型(Smeared crack)，(3)脆性開(kāi)裂模型(Brittle cracking)。本文采用混凝土損傷塑性模型來(lái)模擬混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系，損傷塑性模型適用于模擬構(gòu)件在往復(fù)荷載作用下混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系，并且能夠考慮材料在往復(fù)荷載作用下的損傷、裂縫開(kāi)展、裂縫閉合及剛度恢復(fù)等行為。

本文混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C.2.3～C.2.4中的公式描述?；炷翐p傷塑性模型中，分別用受拉損傷因子和受壓損傷因子來(lái)模擬由損傷引起的彈性剛度退化。其滯回準(zhǔn)則由損傷因子d和損傷恢復(fù)系數(shù)w共同決定。其中損傷因子d是應(yīng)力狀態(tài)和損傷演化參數(shù)dc和dt的函數(shù)。目前，關(guān)于混凝土損傷塑性模型中損傷因子的計(jì)算方法已有較多的研究，本文采用ABAQUS用戶(hù)手冊(cè)中提供的損傷因子計(jì)算模型：

(1)

式中：st，sc為應(yīng)力狀態(tài)的剛度恢復(fù)函數(shù)，由以下方程定義：

(2)

(3)

拉伸損傷恢復(fù)系數(shù)wt和壓縮損傷恢復(fù)系數(shù)wc的值為1時(shí)，表示損傷后剛度完全恢復(fù)；值為0時(shí)表示損傷后剛度不能恢復(fù)。

假定混凝土材料的非彈性應(yīng)變?chǔ)舏n中塑性應(yīng)變?chǔ)舙l所占的比例為β，可求得損傷因子dk的計(jì)算公式：

(4)

式中：t，c分別代表拉伸和壓縮；β為塑性應(yīng)變與非彈性應(yīng)變的比例系數(shù)，受壓時(shí)取0.35～0.7，受拉時(shí)取0.5～0.95；εin為混凝土拉壓情況下的非彈性階段應(yīng)變。

2.2鋼材的本構(gòu)關(guān)系

鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想二折線模型，按下列公式確定：

(5)

式中：fy,r為鋼材的屈服強(qiáng)度代表值，其值可根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)分析需要分別取fy、fyk或fym；

fst,r為鋼材的極限強(qiáng)度代表值，其值可根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)分析需要分別取fst、fstk或fstm；

εy為與fy,r相應(yīng)的鋼材屈服應(yīng)變，可取fy,r/Es；

εu為與fst,r相應(yīng)的鋼筋峰值應(yīng)變；

k為鋼材硬化段斜率，k=(fst,r-fy,r)/(εu-εy)。

2.3單元類(lèi)型選擇

Abaqus為用戶(hù)提供了大量的單元類(lèi)型，可根據(jù)模型的實(shí)際情況和分析需要來(lái)選擇合適的單元類(lèi)型進(jìn)行計(jì)算。本次模型，混凝土單元與鋼骨單元類(lèi)型均選擇為八結(jié)點(diǎn)線性六面體減縮積分單元，即C3D8R；鋼筋的單元類(lèi)型選擇為二結(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元，即T3D2。

3　不同栓釘布置方案的大長(zhǎng)寬比鋼骨混凝土短柱的數(shù)值模擬

3.1模擬試件

本文選擇了3個(gè)大長(zhǎng)寬比鋼骨混凝土短柱試件作為模擬對(duì)象，來(lái)考察相同條件下鋼骨腹板兩側(cè)不同栓釘配置的大長(zhǎng)寬比鋼骨混凝土短柱的數(shù)值模擬效果。這3個(gè)構(gòu)件的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1　試件設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2滯回曲線和骨架曲線

根據(jù)上述材料參數(shù)，各試件低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線和骨架曲線如圖1所示。

各試件低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線和骨架曲線對(duì)比如圖1所示。由圖1可以看出，所有構(gòu)件的滯回曲線都呈飽滿的梭形，表明均具有良好的抗震性能。均在位移荷載加載至10～15 mm后承載力開(kāi)始下降。

3.3抗剪承載力

將Abaqus計(jì)算所得的各試件側(cè)向承載力進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2　各試件數(shù)值模擬極限承載力對(duì)比　kN

從表2可以看出，模擬試件2的抗剪承載力最高。分析原因，可能是對(duì)于短柱，構(gòu)件剪切變形占主導(dǎo)地位，在加載初期混凝土與鋼骨之間相對(duì)滑移很小，栓釘能夠較好地限制混凝土與鋼骨之間的滑移，隨著加載位移增大和混凝土裂縫開(kāi)展，栓釘?shù)拇嬖诓坏珱](méi)有能夠有效地抑制裂縫開(kāi)展，反而是裂縫充分發(fā)展。栓釘間距越密，鋼骨腹板表面與混凝土之間的削弱反而越嚴(yán)重，伴隨著接觸面裂縫的開(kāi)展，這部分混凝土損傷加重，有效抗剪面積反而減少，導(dǎo)致其抗剪承載力隨著栓釘間距加密反而降低。

3.4塑性變形能力

3.4.1延性

各個(gè)試件數(shù)值模擬結(jié)果如表3所示。

表3　延性系數(shù)對(duì)比　mm

由表3可知各試件的延性系數(shù)均大于3.0，表明試件具有良好的延性。

3.4.2層間位移角

試件滯回骨架曲線上推拉兩個(gè)方向的屈服位移△y、峰值位移△m和極限位移△u各自對(duì)應(yīng)的層間位移角θy、θm和θu，如表4所示。

模擬試件1、2和3的極限層間位移角均大于《高規(guī)》位移角限值1/100，表明模擬試件均具有良好的塑性變形能力。

4　與規(guī)范計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》要求，鋼骨混凝土柱斜截面受剪承載力，應(yīng)滿足：

(a)模擬試件1

(b)模擬試件1

(c)模擬試件2

(d)模擬試件2

(e)模擬試件3

(f)模擬試件3

(6)

(7)

其中：tw為鋼骨腹板厚度；hw為鋼骨腹板高度；(twhw應(yīng)

表4　層間位移角對(duì)比

計(jì)入與受剪方向一致的所有鋼骨板材的面積)，fssv為鋼骨腹板的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

其中：Ac為柱的截面面積；As為受拉縱筋面積；Ass為鋼骨面積。

按照式(6)～式(13)計(jì)算試件1～3抗剪承載力為376.2 kN，模擬試件極限抗剪承載力均大于按規(guī)程計(jì)算值，可見(jiàn)大長(zhǎng)寬比鋼骨無(wú)側(cè)向約束較長(zhǎng)的鋼板如果不布置栓釘，其承載力仍然可以滿足規(guī)程的要求。

5　結(jié)論

本文采用Aqaqus有限元軟件對(duì)鋼骨腹板采用不同栓釘布置方案的大長(zhǎng)寬比鋼骨混凝土短柱的非線性行為進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果分析得到以下結(jié)論。

(1)大長(zhǎng)寬比鋼骨無(wú)側(cè)向約束較長(zhǎng)的鋼板如果不布置栓釘，其承載力仍然可以滿足規(guī)程的要求。

(2)大長(zhǎng)寬比鋼骨無(wú)側(cè)向約束較長(zhǎng)的鋼板兩側(cè)栓釘間距加密，其抗剪承載力反而降低。

[1]JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]YB 9082-2006 鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]李俊華, 王國(guó)鋒, 邱棟梁. 帶栓釘連接件型鋼混凝土剪力傳遞性能研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2012,45(12) : 75-82.

TU375.3

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[定稿日期]2016-07-11