陶 濤，張大長，孫 波，李布輝

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816；2. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210012)

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Q460高強(qiáng)鋼管自密實(shí)混凝土短柱軸壓力學(xué)性能

陶 濤1，張大長1，孫 波1，李布輝2

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816；2. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210012)

本文以研究Q460高強(qiáng)鋼管自密實(shí)混凝土短柱軸壓力學(xué)性能為目的，通過開展6組短柱軸壓試驗(yàn)并結(jié)合有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探討核心混凝土強(qiáng)度對(duì)鋼管自密實(shí)混凝土短柱軸壓承載力、破壞模式、套箍效應(yīng)等力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究表明由于采用高強(qiáng)鋼管，試件均呈現(xiàn)明顯的腰鼓型失效模式；相比普通鋼管混凝土柱，鋼管自密實(shí)混凝土柱具有更好的承載能力，且其承載力與自密實(shí)混凝土強(qiáng)度成正比。基于現(xiàn)有規(guī)程并結(jié)合試驗(yàn)及有限元分析結(jié)果，修正了鋼管混凝土組合強(qiáng)度公式，為鋼管自密實(shí)混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)提供參考。

Q460高強(qiáng)鋼； 鋼管混凝土； 自密實(shí)混凝土； 套箍效應(yīng)； 極限承載力

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種鋼管與核心混凝土共同承受外部荷載作用的鋼-混組合結(jié)構(gòu)，具有承載力高、施工方便、塑性和韌性好、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在眾多大跨、高聳、復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及惡劣環(huán)境條件中得到了廣泛應(yīng)用，如今已成為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的一個(gè)重要分支[1]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鋼管自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步研究，認(rèn)為混凝土膨脹存在初始自應(yīng)力，鋼管在前期便對(duì)核心混凝土產(chǎn)生一定的套箍作用，使其極限承載力較普通鋼管混凝土構(gòu)件可提高5%～20%[2,3]，并將試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有計(jì)算規(guī)程進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果偏于安全[4,5]。目前，關(guān)于Q460高強(qiáng)鋼管自密實(shí)混凝土短柱力學(xué)性能的研究仍較少，Q460鋼管、混凝土強(qiáng)度等因素對(duì)其承載力的影響規(guī)律尚未明確，有待進(jìn)一步研究。

本文通過開展6組Q460高強(qiáng)鋼管自密實(shí)混凝土短柱軸壓試驗(yàn)、非線性有限元模擬分析以及承載力計(jì)算理論分析，探討鋼管規(guī)格、自密實(shí)混凝土強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件承載力的影響規(guī)律，提出適用于文獻(xiàn)[3]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和本次6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的鋼管自密實(shí)混凝土短柱軸壓承載力修正計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)制作了2種鋼管規(guī)格、3種不同自密實(shí)混凝土強(qiáng)度共6根軸壓短柱，試件參數(shù)如表1所示。

表1 試件參數(shù)

試驗(yàn)構(gòu)件所用鋼管均為Q460高強(qiáng)冷彎直縫鋼管，通過材性試驗(yàn)測(cè)得其屈服抗拉強(qiáng)度fy=496.4 MPa，極限抗拉強(qiáng)度fu=556.9 MPa。

試件設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)過多組對(duì)比優(yōu)選，確定了不同等級(jí)自密實(shí)混凝土的配合比，如表2所示。

表2 自密實(shí)混凝土配合比

1.2 加載方法

本試驗(yàn)在YAW-5000F微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，兩端采用固接，如圖1所示。試驗(yàn)采用分級(jí)加載制度，通過計(jì)算得到構(gòu)件的預(yù)估極限承載力，前期每級(jí)加載取預(yù)估承載力的10%，達(dá)到預(yù)估承載力的80%之后每級(jí)加載取5%，當(dāng)荷載出現(xiàn)快速下降或試件出現(xiàn)較大變形鼓曲時(shí)，停止加載并結(jié)束試驗(yàn)。

圖1 試件加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置示意

1.3 試驗(yàn)測(cè)試

試件測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，在鋼管中部對(duì)稱位置布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)試鋼管縱向、環(huán)向以及與鋼管軸線呈45°方向的應(yīng)變及其發(fā)展規(guī)律。在試件兩側(cè)對(duì)稱布置位移計(jì)，測(cè)試構(gòu)件的軸向位移。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 失效形態(tài)

試驗(yàn)過程中，加載到極限承載力的50%左右時(shí)，鋼管外壁出現(xiàn)鋼渣掉落現(xiàn)象，加載至極限承載力的90%左右，鋼管外壁出現(xiàn)大量鋼渣及水泥脫落，部分試件鋼管外壁呈現(xiàn)出斜波紋，鋼管達(dá)屈服狀態(tài)。加載初期鋼管變形均勻，隨著荷載繼續(xù)增加，開始出現(xiàn)局部鼓曲，之后試件迅速破壞，荷載下降，典型試件破壞形態(tài)如圖2所示。

圖2 典型試件破壞形態(tài)

由于試件采用Q460高強(qiáng)鋼，其徑厚比較小且約束系數(shù)較大，鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用使得構(gòu)件無任何剪切變形趨勢(shì)，6組試件均在偏下的1/3或1/4處呈現(xiàn)明顯的腰鼓型失效形態(tài)，且鼓曲的程度較低。由于試件長細(xì)比較短，發(fā)生強(qiáng)度破壞，與失穩(wěn)破壞時(shí)現(xiàn)象有所差異，不一定發(fā)生在1/2處。試件具有明顯的延性破壞特征，在屈服后仍具有較大的承載力。

2.2 荷載-變形分析

試驗(yàn)構(gòu)件的承載力如表3所示，自密實(shí)混凝土強(qiáng)度對(duì)試件的極限承載力影響明顯，混凝土強(qiáng)度越高，其極限承載力越大。C30、C40和C50三種混凝土等級(jí)試件中，混凝土每提高一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，鋼管自密實(shí)混凝土短柱的極限承載力提高7%左右。

表3 試驗(yàn)構(gòu)件承載力

不同自密實(shí)混凝土強(qiáng)度試件的荷載-應(yīng)變曲線如圖3所示。在加載初期，由于鋼管和核心混凝土各自單獨(dú)承受軸向荷載，截面縱向剛度基本相同，不同混凝土強(qiáng)度試件在彈性階段的曲線基本重合；在鋼管進(jìn)入塑性階段后，由于核心混凝土強(qiáng)度的差異，試件各部分變形不均勻，荷載-應(yīng)變曲線出現(xiàn)偏差，核心混凝土強(qiáng)度越高，相同應(yīng)變下承受軸向荷載越大。

圖3 不同自密實(shí)混凝土強(qiáng)度荷載-應(yīng)變曲線

同一試件外壁鋼管縱向應(yīng)變的發(fā)展速度大于其環(huán)向應(yīng)變，環(huán)向應(yīng)變前期增加較緩，后期增加較快，而縱向應(yīng)變一直保持著相對(duì)快速的增長趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诩虞d初期，鋼管與核心混凝土之間幾乎沒有相互約束作用；在加載后期，鋼管與核心混凝土之間產(chǎn)生相互作用力，核心混凝土徑向擠壓鋼管，使環(huán)向應(yīng)變迅速增加。

3 承載力特性的模擬分析

3.1 分析模型

本文采用非線性有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模分析，鋼材選用Solid45單元，混凝土選用Solid65單元(六面體八節(jié)點(diǎn)單元)。

結(jié)合材性試驗(yàn)結(jié)果，Q460高強(qiáng)鋼采用雙折線模型，分為二個(gè)階段：彈性階段、強(qiáng)化階段，強(qiáng)化階段的彈性模量取0.01Es，鋼材彈性模量Es=2.01×105N/mm2，泊松比取0.3。C30、C40、C50混凝土的彈性模量分別取3.00×104、3.25×104、3.35×104N/mm2，混凝土泊松比取0.2[6,7]。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]的研究，有限元分析時(shí)采用以下基本假設(shè)：鋼管與混凝土間沒有滑移；理想化的材料本構(gòu)模型；只考慮縱向平衡和變形協(xié)調(diào)條件。有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

3.2 有限元結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比分析

有限元模擬得到試件模型呈腰鼓型破壞，與試驗(yàn)失效形態(tài)一致，鋼管與核心混凝土的典型應(yīng)力分布如圖5所示。由圖 5可知，鋼管應(yīng)力呈環(huán)形帶狀，中部應(yīng)力最大，整個(gè)鋼管基本達(dá)到屈服狀態(tài)；核心混凝土縱向中部應(yīng)力最大，兩端較小，混凝土邊緣處因受到鋼管約束，其應(yīng)力明顯大于核心處，核心處應(yīng)力約為表面應(yīng)力的78%。

圖5 鋼管與混凝土Von Mises應(yīng)力云圖

典型試件的有限元模擬得到荷載-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，試驗(yàn)與有限元模擬結(jié)果具有很好的一致性，彈性階段兩者基本吻合，彈塑性及塑性階段曲線存在一定偏差，這是因?yàn)橛邢拊M時(shí)簡(jiǎn)化了本構(gòu)模型且忽略了鋼管與核心混凝土之間的滑移，總體上兩者基本一致。

圖6 有限元與試驗(yàn)荷載-應(yīng)變曲線對(duì)比

4 承載力計(jì)算理論

相較于普通鋼管混凝土，高強(qiáng)鋼管自密實(shí)混凝土具有更為均勻的密實(shí)性和更高的承載力。本文對(duì)DBJ 13-51-2003《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[9]中關(guān)于圓鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力計(jì)算公式進(jìn)行修正，提出了新的經(jīng)驗(yàn)公式。

本文綜合文獻(xiàn)[3]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和本次6組試驗(yàn)結(jié)果，擬合了構(gòu)件的極限承載力Nu與fcAsc(fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；Asc為鋼管混凝土構(gòu)件的組合橫截面面積)一次函數(shù)關(guān)系，其中修正系數(shù)f(ξ)的擬合曲線如圖7所示。

圖7 承載力擬合曲線

擬合得到f(ξ)的函數(shù)如式(1)、式(2)所示。

f(ξ)=1.27ξ+1.54

(1)

ξ=Asfy/(Acfc)

(2)

式中：ξ為構(gòu)件截面的約束效應(yīng)系數(shù)；fy為鋼材的抗壓強(qiáng)度；As為鋼管的橫截面面積；Ac為核心混凝土的橫截面面積；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。

結(jié)合式(1)得到鋼管自密實(shí)混凝土軸壓短柱承載力修正計(jì)算公式如式(3)所示。

Nu=fcAsc·f(ξ)=(1.27ξ+1.54)fcAsc

(3)

式中：Asc為鋼管混凝土構(gòu)件的組合橫截面面積。

本文6組試驗(yàn)結(jié)果與修正公式的計(jì)算值如表4所示，理論值的均值μ為1.007，方差σ2為0.004，可見試驗(yàn)結(jié)果與修正公式的計(jì)算值吻合較好，該修正公式可為鋼管自密實(shí)混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)提供參考。

表4 鋼管自密實(shí)混凝土柱承載力

5 結(jié) 論

本文開展了Q460高強(qiáng)鋼管自密實(shí)混凝土短柱軸壓試驗(yàn)，探討了其受力特性、破壞特性以及混凝土強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響規(guī)律，基于試驗(yàn)、有限元及理論分析結(jié)果對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

(1)由于采用Q460高強(qiáng)鋼管，試件均在1/3或1/4處呈現(xiàn)明顯的腰鼓型破壞，但鼓曲的程度較低。

(2) Q460鋼管對(duì)核心混凝土的套箍效應(yīng)比Q345更為明顯，破壞模式僅有腰鼓型破壞，沒有剪切型破壞。

(3)自密實(shí)混凝土強(qiáng)度越高，試件極限承載力越大。三種混凝土等級(jí)試件中，每提高一個(gè)混凝土強(qiáng)度等級(jí)，鋼管自密實(shí)混凝土短柱的極限承載力提高6%左右。

(4)試驗(yàn)與有限元結(jié)果吻合較好，基于DBJ 13-51-2003《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》得到的修正公式與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可為鋼管自密實(shí)混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)提供參考。

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Behavior of Self-compacting Concrete-filled Q460 High-strength Steel Tubular Short Columns Under Axial Compression

TAOTao1,ZHANGDa-chang1,SUNBo1,LIBu-hui2

(1.College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China; 2.School of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210012, China)

In order to investigate the mechanical properties of the Q460 steel stub columns filled with self-compacting concrete under the axial compression, six stub columns were tested combining with the analysis of numerical simulations using ANSYS. The influence of the strength of core concrete on the mechanical behavior such as bearing capacity, failure modes and confining effect of the stub columns were studied. The results show that all the members have failed significantly in drum-type failure mode due to the high-strength steel. Bearing capacity of steel stub columns filled with self-compacting concrete is greater than the ordinary concrete filled steel tube structure, and the higher strength of the self-compacting concrete is, the greater the bearing capacity will be. Based on existing regulations and results of the tests and finite element analysis, the formula of combination strength of concrete filled steel tubular is modified, giving reference to design members of self-compacting concrete-filled tubes.

Q460 high-strength steel; concrete-filled steel tube; self-compacting concrete; confining effect; ultimate bearing capacity

2016-01-18

2016-03-17

陶 濤(1991-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu) (Email: zxchl_91@126.com )

張大長(1971-)，男，浙江新昌人，教授，博士，研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu) (Email:dczhangchina@163.com)

TU398+.9

A

2095-0985(2016)05-0054-05