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        軸壓作用下矩形鋼管混凝土柱性能研究

        2019-10-15 03:32:56盧成江傅學(xué)怡
        廣東土木與建筑 2019年9期
        關(guān)鍵詞:栓釘內(nèi)環(huán)環(huán)向

        徐 娜,靳 旭,盧成江,傅學(xué)怡

        (1、廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院 珠海519090;2、悉地國(guó)際設(shè)計(jì)顧問(wèn)(深圳)有限公司 深圳518059)

        目前鋼管混凝土柱在超高層建筑中已被廣泛采用[1-7],它對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要。本文分析了設(shè)置內(nèi)環(huán)肋、栓釘?shù)木匦武摴芑炷林S壓作用下的力學(xué)性能。

        1 本構(gòu)關(guān)系

        鋼材選用Q345,泊松比0.3,彈性模量Es=2.06×105MPa。采用雙折線模型,強(qiáng)化段模量取值為0.01Es,關(guān)系曲線如圖1a 所示?;炷吝x用C80,塑性損傷本構(gòu)模型,泊松比0.2,彈性模量Ec=3.8×104MPa。受壓本構(gòu)關(guān)系曲線如圖1b 所示。受拉本構(gòu)采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50010-2010》[8]附錄C 給出的本構(gòu)關(guān)系,且混凝土單軸抗拉強(qiáng)度代表值取為3.5 MPa。

        2 有限元模型

        2.1 單元選取

        為準(zhǔn)確模擬鋼管、核心混凝土及傳力構(gòu)件之間的接觸關(guān)系,鋼管壁、環(huán)向加勁肋、核心混凝土均采用C3D8R 實(shí)體單元模擬。

        2.2 栓釘計(jì)算理論

        采用Ollgaard 等人[9]于1971年提出的計(jì)算模型:

        式中:Q 為栓釘受到的剪力(kN);Qu為栓釘?shù)臉O限強(qiáng)度(kN);s 為滑移量(mm);As為栓釘橫截面面積(mm2);fc為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度(N/mm2);Ec為混凝土的彈性模量(N/mm2);fu為栓釘鋼材的極限抗拉強(qiáng)度(N/mm2)。

        《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:YB 9082-2006》[10]中建議選用直徑19mm 及22mm的栓釘,且栓釘長(zhǎng)度不應(yīng)小于其直徑的4 倍。故本文中栓釘直徑取19 mm。參考文獻(xiàn)[10]對(duì)栓釘?shù)目估瓘?qiáng)度最小值要求為不小于400 N/mm2,取400 N/mm2。C80 混凝土圓柱體的抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=0.79 fcu,k=63.2 N/mm2,則由式⑵得Qu=0.5As=219.582 kN>Qu=fuAs=113.354 kN,可得單根栓釘?shù)臉O限抗剪承載力Qu=113.354 kN。根據(jù)式⑴,可得單根栓釘?shù)募羟?滑移模型如圖2a 所示??紤]到實(shí)際結(jié)構(gòu)中栓釘?shù)幕屏坎豢赡軣o(wú)限制增大,需要對(duì)其極限滑移量進(jìn)行定義,采用文獻(xiàn)[11]中提出的方程:

        式中:Su為栓釘極限抗剪強(qiáng)度下對(duì)應(yīng)的滑移量(mm);Sf為栓釘?shù)臉O限滑移量(mm);ds為栓釘?shù)闹睆剑╩m)。

        在栓釘達(dá)到極限滑移量之后,認(rèn)為栓釘失效退出工作。綜合公式,可得到經(jīng)過(guò)修正后的栓釘剪切-滑移本構(gòu)關(guān)系,如圖2b 所示。

        圖2 栓釘剪切-滑移模型Fig.2 Shear-slip Model of Studs

        2.3 彈簧單元

        實(shí)際模型中很難按照1∶1的尺寸來(lái)建立栓釘與混凝土的模型,比較可行的辦法是通過(guò)彈簧單元、接觸單元等節(jié)理單元來(lái)模擬二者之間的剪切作用關(guān)系。在鋼管與混凝土界面處、幾何位置重合的2個(gè)節(jié)點(diǎn)間,建立彈簧單元來(lái)模擬栓釘?shù)募羟袀髁?,在鋼管與混凝土界面的法向上通過(guò)剛性梁?jiǎn)卧獊?lái)傳遞法向力,防止鋼管與混凝土在受力變形時(shí), 出現(xiàn)不符合實(shí)際的“穿透”現(xiàn)象,如圖3 所示。

        圖3 栓釘彈簧單元Fig.3 Spring Element of Studs

        2.4 邊界條件

        約束柱底混凝土及鋼管壁x、y、z 三個(gè)方向的平動(dòng)自由度。

        2.5 加載方式

        為了得到荷載-位移曲線,采用位移加載的方式,根據(jù)工程實(shí)際情況,在鋼管壁上施加軸向位移荷載。

        2.6 設(shè)環(huán)向內(nèi)環(huán)肋的矩形鋼管混凝土柱計(jì)算模型

        根據(jù)《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:CECS 159:2004》[12],在矩形鋼管混凝土柱樓層節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼管壁內(nèi),設(shè)間距為1 000 mm的上下2個(gè)環(huán)向加勁肋,加勁肋寬50 mm、壁厚24 mm,如圖4a 所示。分析中不考慮鋼管與核心混凝土界面間的摩擦粘結(jié)作用。

        2.7 設(shè)環(huán)向內(nèi)環(huán)肋及栓釘?shù)木匦武摴芑炷林?jì)算模型

        根據(jù)文獻(xiàn)[12],在矩形鋼管混凝土柱樓層節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼管壁內(nèi),設(shè)間距為1 000 mm的上下2個(gè)環(huán)向加勁肋,加勁肋寬50 mm、壁厚24 mm;鋼管壁設(shè)栓釘φ19 mm,間距400 mm×400 mm,如圖4b 所示。分析中不考慮鋼管與核心混凝土間摩擦粘結(jié)作用。

        圖4 矩形鋼管混凝土柱截面Fig.4 Rectangular Steel Tube Concrete Column Section

        3 力學(xué)性能

        3.1 設(shè)環(huán)向內(nèi)環(huán)肋的矩形鋼管混凝土柱

        經(jīng)有限元計(jì)算分析得到,設(shè)環(huán)向加勁肋的矩形鋼管混凝土柱軸力-位移曲線如圖5 所示。由圖5 可知,核心混凝土極限承載力Ncmax=2.211×104kN,此時(shí)鋼管壁承載力Ns=2.418×104kN,設(shè)環(huán)向加勁肋的矩形鋼管混凝土柱極限承載力Nmax=4.629×104kN。在彈性階段,混凝土工作承擔(dān)系數(shù)αc=0.546,進(jìn)入塑性后混凝土工作承擔(dān)系數(shù)逐漸減小;當(dāng)達(dá)到最大承載力時(shí),混凝土工作承擔(dān)系數(shù)αc=0.478。

        研究結(jié)果表明,在矩形鋼管混凝土柱樓層節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼管壁內(nèi)設(shè)環(huán)向加勁肋,混凝土澆筑理想施工情況下,可以將作用在鋼管壁上的部分外荷載傳遞于核心混凝土,迫使混凝土參與部分工作,改善了矩形鋼管混凝土柱的受力性能。

        3.2 設(shè)環(huán)向內(nèi)環(huán)肋及栓釘?shù)木匦武摴芑炷林?/h3>

        有限元計(jì)算分析得到,設(shè)環(huán)向加勁肋及栓釘?shù)木匦武摴芑炷林S力-位移曲線,如圖6 所示。由圖6可知,核心混凝土極限承載力Ncmax=2.232×104kN,此時(shí)鋼管壁承載力Ns=2.420×104kN,設(shè)環(huán)向加勁肋及栓釘?shù)木匦武摴芑炷林鶚O限承載力Nmax=4.652×104kN。在彈性階段,混凝土工作承擔(dān)系數(shù)αc=0.551,進(jìn)入塑性后混凝土工作承擔(dān)系數(shù)逐漸減小;當(dāng)達(dá)到最大承載力時(shí),混凝土工作承擔(dān)系數(shù)αc=0.480。

        圖5 設(shè)環(huán)向內(nèi)環(huán)肋矩形鋼管混凝土柱軸力-位移曲線Fig.5 Axial Force-Displacement Curve of CFRT Column with Annular Ring Ribs

        圖6 設(shè)環(huán)向內(nèi)環(huán)肋及栓釘矩形鋼管混凝土柱軸力-位移曲線Fig.6 Axial Force-displacement Curve of CFRT Column with Annular Ribs and Studs

        研究結(jié)果表明,在矩形鋼管混凝土柱樓層節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼管壁內(nèi)設(shè)環(huán)向加勁肋,同時(shí)在鋼管壁內(nèi)設(shè)栓釘,管內(nèi)加勁肋角部混凝土澆筑施工理想情況下,通過(guò)環(huán)向加勁肋及栓釘,可以將作用在鋼管壁上的部分外荷載傳遞于核心混凝土,迫使核心混凝土參與部分工作,矩形鋼管混凝土柱承載能力提高。設(shè)環(huán)向加勁肋及栓釘改善了矩形鋼管混凝土柱的受力性能,但比只設(shè)環(huán)向加勁肋的矩形鋼管混凝土柱承載力略高,栓釘作用不大。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文研究了軸壓作用下矩形鋼管混凝土柱設(shè)置不同的傳力構(gòu)造措施的共同力學(xué)性能,分析設(shè)置環(huán)向內(nèi)環(huán)肋和栓釘?shù)木匦武摴芑炷林某休d能力共同工作,得到以下結(jié)論:

        ⑴在矩形鋼管混凝土柱樓層節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼管壁內(nèi)設(shè)環(huán)向加勁肋和栓釘,提高了矩形鋼管混凝土柱的承載能力,改善了矩形鋼管混凝土柱的受力性能。

        ⑵設(shè)環(huán)向加勁肋及栓釘改善了矩形鋼管混凝土柱的受力性能,但比只設(shè)環(huán)向加勁肋的矩形鋼管混凝土柱承載力略高,栓釘作用不大。

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