李海峰,高二軍

(1.石家莊萬科房地產(chǎn)開發(fā)有限公司, 河北 石家莊 050010;2.河北科技大學(xué),河北 石家莊 050018)

1 緒論

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是繼鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和磚石結(jié)構(gòu)之后發(fā)展起來的,在鋼管內(nèi)部澆筑混凝土而形成的一種新型抗側(cè)力組合結(jié)構(gòu)[1]。在實(shí)際工程中,鋼管混凝土組合剪力墻和鋼管混凝土柱較為常用。

截止到二十世紀(jì)八十年代,國內(nèi)學(xué)者才逐漸對(duì)方鋼管混凝土柱進(jìn)行研究。馬愷澤[2]等人進(jìn)行了8根高軸壓比下方鋼管混凝土柱的滯回性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明：較高的軸壓比對(duì)鋼管混凝土柱的延性和耗能能力有利。李斌[3]等人完成了10根圓鋼管混凝土柱軸壓承載力有限元分析,表明圓鋼管混凝土短柱的適應(yīng)性強(qiáng),承載能力和變形能力好。由于試驗(yàn)條件的限制,筆者采用有限元分析軟件ABAQUS建立了9根方鋼管混凝土柱的非線性分析模型,考慮了鋼板強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度和軸壓比等對(duì)試件軸壓承載力的影響,通過對(duì)比分析,得出了不同參數(shù)下試件軸壓承載力的變化規(guī)律。

2 方鋼管混凝土柱試件設(shè)計(jì)

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際工程,設(shè)計(jì)了一組截面尺寸為mm,柱高3000mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,鋼板強(qiáng)度等級(jí)為Q345,軸壓比為0.6,鋼板厚度為5mm的方鋼管混凝土柱,截面示意圖如圖1所示。

圖1 方鋼管混凝土柱截面示意圖

圖2 鋼材應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 方鋼管混凝土柱有限元模型建立

鋼材的本構(gòu)采用理想彈塑性模型[4],應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖如圖2所示,彈性模量Es=2.06×105MPa,泊松比為0.3；混凝土采用損傷塑性模型,應(yīng)力應(yīng)變曲線按照文獻(xiàn)[5]提出的考慮約束效應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,泊松比為0.2；鋼板采用殼單元S4R,混凝土采用實(shí)體單元C3D8R；采用位移控制的方式進(jìn)行加載,直至加載到層間位移達(dá)H/80；在試件底端施加完全固定約束,頂端設(shè)置剛性面,并對(duì)參考點(diǎn)施加限制平面內(nèi)兩個(gè)方向的位移和三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。有限元分析模型如圖3所示。

圖3 有限元分析模型示意圖

4 參數(shù)化分析

本文對(duì)影響鋼管混凝土柱軸壓承載力的主要參數(shù)進(jìn)行分析。考慮的主要參數(shù)為混凝土強(qiáng)度等級(jí)、軸壓比和鋼板強(qiáng)度等級(jí)。軸壓比分別取0.6、0.7、0.8；混凝土強(qiáng)度取C50、C60、C70；鋼板強(qiáng)度取Q345、Q390、Q420。參數(shù)分析時(shí),選定一個(gè)參數(shù)為變量,其他參數(shù)保持不變。

4.1 軸壓比

圖4為不同軸壓比作用下試件的荷載-位移曲線。由圖可知,軸壓比對(duì)鋼管混凝土柱的承載力有較大影響,隨著軸壓比的增加,屈服荷載和峰值承載力均減小,峰值承載力由軸壓比為0.6時(shí)的12024KN變化到軸壓比為0.8時(shí)的10076KN,減小了1948KN。

圖4 軸壓比下荷載—位移曲線

4.2 混凝土強(qiáng)度等級(jí)

圖5為不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下試件的荷載-位移曲線。由圖可知,混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)鋼管混凝土柱的承載力有顯著影響,隨著混凝土強(qiáng)度的增加,峰值承載力也在不斷提高,且提高的幅度越來越大；峰值承載力由C50時(shí)的23559KN變化到C70時(shí)的31250KN,增加了7691KN。

圖5 混凝土強(qiáng)度下荷載-位移曲線

4.3 鋼板強(qiáng)度等級(jí)

圖6為不同鋼板強(qiáng)度等級(jí)下試件的荷載-位移曲線。由圖可知,鋼板強(qiáng)度等級(jí)對(duì)鋼管混凝土柱的承載力影響不明顯,隨著鋼板強(qiáng)度等級(jí)的增加,試件峰值承載力略有提高。由Q345變化到Q420時(shí),承載力僅提高了358KN。

圖6 鋼板強(qiáng)度下荷載-位移曲線

5 結(jié)論

試件的軸壓比、混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼板強(qiáng)度等級(jí)的不同取值對(duì)方鋼管混凝土柱的軸壓承載力有不同程度的影響。隨著軸壓比的增加,屈服荷載和峰值承載力均減?。坏S著混凝土強(qiáng)度的增加,峰值承載力在不斷提高,且提高的幅度越來越大；隨著鋼板強(qiáng)度等級(jí)的增加,試件峰值承載力略有提高。相比較而言,提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)時(shí)承載力的提高幅度要遠(yuǎn)大于提高鋼板強(qiáng)度時(shí)承載力的提高幅度。因此提高方鋼管混凝土柱承載力最有效的辦法是提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)。