劉 陽

（武昌工學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢430061）

0 引言

鋼柱腳的抗剪承載力通常為兩個(gè)部分，一部分為柱腳和基礎(chǔ)間的摩擦力，另一部分為錨栓和混凝土組成系統(tǒng)的抗剪能力。一般鋼柱腳的抗剪承載力計(jì)算可以簡單將上述兩部分力進(jìn)行疊加。本文借助通用有限元軟件ANSYS的模擬分析計(jì)算和后處理功能，能較準(zhǔn)確地對(duì)鋼柱腳的力學(xué)性能進(jìn)行分析，進(jìn)一步對(duì)其抗剪承載力進(jìn)行計(jì)算。

1 有限元模型的建立

1.1 材料參數(shù)及單元選取

對(duì)于柱身及錨栓鋼材，均可視其為線性強(qiáng)化彈塑性材料，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化（BKIN）準(zhǔn)則對(duì)其本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行模擬。柱身及錨栓鋼材取Q235，其屈服強(qiáng)度及切線模量分別取235 MPa和790 MPa，彈性模量和泊松比分別為2.06×105MPa和0.3?；A(chǔ)采用C40混凝土，彈性模量取3.35×104MPa。

對(duì)鋼柱腳采用8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元Solid45模擬，而柱下基礎(chǔ)則使用針對(duì)混凝土的單元Solid65模擬，由于分析中對(duì)基礎(chǔ)中鋼筋內(nèi)力不作要求，采用整體式模型來建立基礎(chǔ)中鋼筋和混凝土組合。接觸對(duì)采用目標(biāo)單元TARGET170和面-面接觸單元CONTACT174，在鋼柱腳底板和混凝土基礎(chǔ)表面、螺母與底板間、螺栓與底板間均設(shè)置了接觸對(duì)。接觸面表面摩擦系數(shù)，參考美國AIC 349-85中的規(guī)定取0.4。根據(jù)工程實(shí)際，分別建立柱身為H型鋼和方鋼管的柱腳ZJ-1和ZJ-2，錨栓分別布置在柱身內(nèi)側(cè)和外側(cè)，模型幾何尺寸如表1所示。

表1 模型幾何尺寸

1.2 約束和加載

柱腳的約束條件參考實(shí)際工程和相關(guān)試驗(yàn)，即：約束柱頂對(duì)稱中線的X/Y向平動(dòng)自由度及X/Z向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；約束基礎(chǔ)底面的X/Y/Z向平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

考慮工程實(shí)際施工過程，計(jì)算加載順序?yàn)橄仁┘宇A(yù)緊力，預(yù)緊力的值參考相關(guān)文獻(xiàn)中平均值，再施加豎向及水平荷載。先分別在柱頂施加不同的軸壓荷載：N1=0 N，N2=80 kN，N3=120 kN，防止柱頂出現(xiàn)的局部變形過大，在柱頂增加頂板，豎向和水平加載均加于頂板，此后在柱頂水平施加低周反復(fù)荷載，然后在按柱頂施加位移荷載。屈服準(zhǔn)則采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則。采用力、位移雙收斂準(zhǔn)則，應(yīng)用Newton-Raphson平衡迭代法進(jìn)行非線性求解，求解器選用預(yù)置條件共扼梯度求解器（PCG），打開自動(dòng)時(shí)間步長控制及線性搜索。

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1 柱腳及各部分計(jì)算結(jié)果

（1）無論有無軸壓，柱腳發(fā)生破壞的主要形式基本相同，錨栓屈服，柱腳底板與基礎(chǔ)混凝土局部出現(xiàn)脫離。隨軸壓力的增加，柱腳底板豎向位移增加（當(dāng)N2=80 kN時(shí)，ZJ-2底板最大豎向位移為5.87 mm），底板和混凝土脫離造成的破壞先于錨栓應(yīng)力過大的破壞。由于錨栓位置不同，底板發(fā)生破壞部位不同。ZJ-1、ZJ-2整體應(yīng)力云圖如圖1、圖2所示。

圖1 N2=80 kN，ZJ-1整體應(yīng)力云圖

圖2 N2=80 kN，ZJ-2整體應(yīng)力云圖

（2）柱底板錨栓孔處由于應(yīng)力集中和螺栓的擠壓作用，出現(xiàn)較大應(yīng)力值。當(dāng)軸壓增加時(shí)，ZJ-1（N2=80 kN）底板會(huì)先于柱身整體或錨栓發(fā)生屈服，從而造成柱腳破壞。ZJ-1、ZJ-2底板應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示。

圖3 ZJ-1底板應(yīng)力云圖

圖4 ZJ-2底板應(yīng)力云圖

柱腳錨栓的等效應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示，根據(jù)程序中自帶結(jié)果顯示的文件，可以查出錨栓最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在錨栓和底板銜接處，同時(shí)可以通過時(shí)間歷程處理器POST26得出錨栓最大應(yīng)力值及隨加載步變化的曲線。根據(jù)等效應(yīng)力云圖可知，在相同的荷載作用下，錨栓應(yīng)力隨錨栓布置不同而變化。當(dāng)軸壓較小時(shí)，錨栓先發(fā)生屈服破壞，軸壓值增大時(shí)，錨栓破壞滯后于底板變形過大破壞和錨栓孔擠壓破壞。

圖5 ZJ-1錨栓等效應(yīng)力云圖

圖6 ZJ-2錨栓等效應(yīng)力云圖

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

（1）柱腳錨栓破壞是柱腳破壞的原因之一，不同形式柱腳，在不同軸壓下，錨栓處均出現(xiàn)較大應(yīng)力。隨軸壓力增加，底板摩擦力增加，柱腳在水平方向能承受的荷載也增加，但錨栓應(yīng)力值隨載荷增大，會(huì)先于柱腳其他部分發(fā)生屈服破壞。

（2）柱腳錨栓的最大應(yīng)力值隨錨栓布置位置的不同（布置于柱身內(nèi)部或柱身四周）而不同，故對(duì)于錨栓抗剪能力應(yīng)根據(jù)錨栓位置進(jìn)行計(jì)算。

（3）柱腳底板錨栓孔是在剪力彎矩作用下易發(fā)生破壞的另一個(gè)部位，增加軸壓會(huì)增加底板和基礎(chǔ)間的摩擦，增加柱腳抗剪能力，但錨栓孔的應(yīng)力會(huì)隨之增加，隨軸壓增加，會(huì)因柱腳剪力破壞而發(fā)生錨栓孔的擠壓破壞。

（4）柱身在低周反復(fù)作用下不會(huì)發(fā)生破壞，但柱腳和底板連接處隨著荷載增加會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力值，尤其是H型鋼的翼緣和底板連接處，在較大荷載和位移下，可能會(huì)先于其他部分的破壞而造成柱腳破壞。

3 結(jié)語

（1）錨栓的屈服、底板錨栓孔破壞是柱腳破壞的主要原因，隨軸壓值不同，二者可能先后發(fā)生，也可能同時(shí)發(fā)生。底板和錨栓的力學(xué)性能是保證柱腳不受破壞的重要因素。

（2）隨軸壓增加，柱腳底板摩擦力增加，但錨栓屈服破壞和由此產(chǎn)生的底板變形過大的破壞，會(huì)令柱腳底部破壞。