郭靳時 李 飛

(吉林建筑大學 土木工程學院,長春 130118)

0 引言

輕骨料混凝土是指用輕粗骨料、普通砂或輕細骨料、膠凝材料和水配制而成的干表觀密度不大于1 950kg/m3的混凝土[1].由于輕骨料混凝土具有輕質高強、易于施工、耐久性能高、抗震性能好等優(yōu)點,被視為一種具有發(fā)展前途的新型混凝土[2].鋼管輕骨料混凝土構件是在鋼管混凝土構件研究的基礎上,用輕骨料混凝土代替混凝土而來.國外對于輕骨料混凝土的研究進行的比較早.隨著休斯敦貝殼廣場大廈的建立,標志著輕骨料混凝土的研究及應用進入了一個新階段.我國對于輕骨料混凝土的研究相對較晚,目前已取得了一定的成果.2001年,李幗昌、劉之洋以煤矸石為輕骨料,進行了一系列軸壓長短柱、偏心受壓柱及受彎、受扭等力學試驗研究,進行了有效的探索并取得了一定的成果[3].自2005年始,吉伯海與王曉亮、胡正清、周文杰、傅中秋、陳甲樹等人合作,通過試驗陸陸續(xù)續(xù)研究了鋼管輕集料混凝土構件抗彎性能、中長柱軸壓偏壓性能以及受荷方式對鋼管輕集料混凝土短柱軸壓性能的影響,進行了大量分析,成果顯著[4-8].文獻[9-11]在收集了大量鋼管輕骨料混凝土軸壓短柱力學性能的試驗結果基礎上,統一分析及計算,推導出鋼管輕骨料混凝土軸壓短柱極限承載力簡化計算公式和組合應力- 應變關系全曲線,計算結果與試驗結果吻合良好.目前,國內研究多是對鋼管輕骨料混凝土軸壓柱的力學性能研究,而對于輕骨料鋼管混凝土柱抗震性能的研究卻鮮有文獻.為此,本文采用大型通用軟件ABAQUS對方鋼管輕骨料混凝土柱的滯回性能進行有限元分析,為鋼管輕骨料混凝土柱的研究提供一定的指導意義.

1 ABAQUS有限元模型

1.1 ABAQUS介紹

ABAQUS有兩個主要的分析模塊:ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit,以及一個全面支持求解的圖形用戶界面,即人機交互前后處理模塊-ABAQUS/CAE(Complete ABAQUS Environment)組成.隨著計算機仿真技術的發(fā)展,CAE技術受到廣泛的關注,而ABAQUS軟件正是CAE技術領域成熟的分析方法之一.ABAQUS具有強大的計算功能和廣泛的模擬能力,擁有大量不同種類的單元模型、材料模型、分析過程等，無論是分析一個簡單的線彈性問題,還是一個包括幾種不同材料、承受復雜的機械和熱荷載過程以及變化接觸條件的非線性組合問題,分析結果都會令人滿意.ABAQUS除了能解決大量結構問題,還可以模擬其它領域的許多問題,因此,在各國的同業(yè)界以及研究機構中被廣泛使用.

圖1 鋼筋本構模型Fig.1 Constitutive model of rebar

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 材料的本構模型

(1) 輕骨料混凝土應力-應變關系曲線. 根據文獻[11]得到輕骨料混凝土單軸應力-應變全關系曲線.曲線公式如下:

(1)

式中,參數An為混凝土彈性模量與峰值割線模量之比.

單軸受壓時,y=σ/fc,x=ε/εc,此時n=1,fc=0.88×fcu,εc=730×fcu1/3×10-6

參數A1=1.68×10-3ρfcu-1/6.ρ為輕骨料混凝土密度,fc為輕骨料混凝土軸心抗壓強度,fcu為輕骨料混凝土立方體抗壓強度,εc為輕骨料混凝土受壓峰值應變.參數B1=1.6(A1-1)2,α1取值0.15,B1為控制上升段曲線彈性模量衰減程度的物理量,α1為輕骨料混凝土單軸受壓應力-應變曲線下降段參數ft.

單軸受拉時,y=σ/fc,x=ε/εt,此時n=2,ft=fcu/15,εc=730×fcu1/3×10-6,εt=50×fcu1/3×10-6,A2=1.5×10-3ρfcu-1/6,B1=1.6(A2-1)2,α2=1+3×10-4×fcu2.ft為輕骨料混凝土軸心抗拉強度,εt為輕骨料混凝土受拉峰值應變.

(2) 鋼材應力-應變關系曲線. 鋼材本構關系采用彈性強化模型,鋼材受壓受壓彈性模量取值相同,取為Es=2×105MPa,泊松比0.3.fy為鋼材屈服強度,屈服應變εy=fy/Es(見圖1所示).

1.2.2 單元選取與網格劃分

ABAQUS擁有豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫.為了提高模型的精度,鋼材與混凝土采用8節(jié)點三維實體線性減縮積分單元(C3D8R).網格劃分采用結構化網格劃分技術.墊板網格大小50mm,鋼管網格使用20mm,混凝土網格20mm.

1.2.3 模型的界面關系

鋼管與輕骨料混凝土之間、鋼管混凝土與墊板之間的接觸均采用綁定的模式.雖然忽略了各部件間的粘結滑移對構件的力學性能的影響,但是卻簡化了模型,調高精度的同時又提高了模型計算效率.

1.2.4 邊界條件與加載

柱底與墊板采用完全固定的方式(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0),柱頂U1,U3方向可任意平動.為便于模型收斂,設置兩個耦合點RP1,RP2.在頂部耦合點RP2處,施加軸向力與水平荷載,軸向力采用力的加載方式,水平力采用位移加載的方式.

1.2.5 計算控制參數的設定

輕骨料混凝土是非線性材料,為保證模型精度與效率,需合理選取計算參數.初始增量步設為0.001,最小增量步設為10～15.膨脹角取值30°,fb0/fc0取值1.16,k值取0.666 7,偏心率取值0.1.

1.2.6 分析過程

力學分析時,設定兩個荷載步:第一個為施加由力控制的軸向荷載,采用力加載;第二個施加水平荷載,采用位移加載的方式.

2 結果分析

柱高1 440mm,截面尺寸250mm×250mm.輕骨料混凝土LC45,鋼管Q235鋼.重點分析了軸壓比、含鋼率對于構件滯回性能的影響.軸壓比n取值0.2,0.3,0.4,方鋼管壁厚t取值4mm,6mm,8mm,12mm.

n=N/(fcAc+fAs),N為軸力;fc為混凝土軸心抗壓強度設計值;Ac為鋼管內混凝土積;f為鋼材的抗壓強度設計值;As為鋼管的截面面積;D方鋼管截面邊長,L為柱長.試件參數見表1.

表1 試件參數Table 1 Specimen parameters

2.1 軸壓比對滯回曲線和骨架曲線的影響

圖2為軸壓比對骨架曲線的影響.

圖2 骨架曲線Fig.2 Skeleton curve

圖3 骨架曲線Fig.3 Skeleton curve

由圖2可以看出,軸壓比對于輕骨料鋼管混凝土柱彈性階段的影響很小,這是由于此階段變形很小,荷載-位移效果并不明顯;軸壓比對于構件的水平承載力影響不大,隨著軸壓比的增加,鋼管柱水平承載力略有減小,強化階段的剛度也越小.當軸壓比達到一定數值時,曲線會出現下降段,甚至隨著軸壓比的變大下降幅度更快,構件的位移延性則越來越小.

2.2 含鋼率對滯回曲線和骨架曲線的影響

圖3為含鋼率對于骨架曲線的影響.由圖3可以看出,隨著含鋼率的變大,構件彈性階段剛度變化明顯、水平承載力有很大提高,但含鋼率總體上主要影響骨架曲線的數值,對于構件荷載-位移曲線的形狀影響則很小.

3 結論

由以上分析可得出以下結論:

(1) 鋼管輕骨料混凝土柱在低周反復荷載作用下滯回曲線略為飽滿,表現出一定的抗震性能.

(2) 軸壓比影響構件骨架曲線的形狀,隨著軸壓比的增大,構件水平承載力以及延性略有減小,但對于構件初始剛度影響不大.

(3) 含鋼率對于構件骨架曲線的數值有很大影響,但對于骨架曲線的形狀影響不大.隨著含鋼率的變大,構件彈性階段剛度變化明顯以及水平承載力有很大提高.

參 考 文 獻

[1] 輕骨料混凝土結構技術規(guī)程(JGJ 12-2006)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[2] 李繼業(yè),劉福勝.新型混凝土使用技術手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.

[3] 李幗昌,劉之洋.自應力鋼管輕集料混凝土結構[M].沈陽:東北大學出版社,2001.

[4] 吉伯海,王曉亮,馬敬海,楊明.鋼管高強輕集料混凝土短柱軸壓性能的試驗研究[J].建筑結構學報,2005(5):60-65.

[5] 吉伯海,陳甲樹,王曉亮,楊明,高建明.受荷方式對鋼管輕集料混凝土短柱軸壓性能的影響[J].東南大學學報(自然科學版),2006(4):590-595.

[6] 吉伯海,周文杰,王曉亮.鋼管輕集料混凝土中長柱軸壓性能的試驗研究[J].建筑結構學報,2007(5):118-123.

[7] 吉伯海,胡正清,陳甲樹,周文杰.圓鋼管輕集料混凝土構件抗彎性能的試驗研究[J].土木工程學報,2007(8):35-40.

[8] 吉伯海,傅中秋,胡正清.鋼管輕集料混凝土短柱偏心受壓性能的試驗[J].交通科學與工程,2009(3):22-28.

[9] 丁發(fā)興,應小勇,余志武.輕骨料混凝土單軸力學性能統一計算方法[J].中南大學學報(自然科學版),2010(5):1973-1979.

[10] 丁發(fā)興,應小勇,余志武,歐進萍.圓鋼管輕骨料混凝土軸壓短柱的力學性能分析[J].深圳大學學報(理工版),2011(3):207-212.

[11] 丁發(fā)興,應小勇,余志武.輕骨料混凝土單軸力學性能統一計算方法[J].中南大學學報(自然科學版),2010(5):1973-1979.