於立雄

(中鐵房地產(chǎn)集團(tuán)北方有限公司 北京 100166)

1 概述

鋼管柱是最常見的構(gòu)件之一，方形和圓形以其抗扭性能好、抗彎剛度大、外表美觀[1－3]等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)中[4]；而鋼板剪力墻作為一種新型抗側(cè)力構(gòu)件，有較高的側(cè)向剛度、較好的延性和耗能能力[5-6]，也被越來越多地應(yīng)用在高層和超高層建筑中[7-8]。由于厚鋼板重量大，經(jīng)濟(jì)性差，薄鋼板逐漸取代厚鋼板，更多應(yīng)用在工程中。但是研究表明[9－12]，薄鋼板在達(dá)到極限承載力前，容易先發(fā)生局部屈曲。為了避免失穩(wěn)過早發(fā)生，常采用構(gòu)造措施對(duì)鋼板進(jìn)行加強(qiáng)。

縱凸筋鋼板是在鋼板上表面帶有縱向凸筋的異形鋼板，其外觀如圖1所示，是一種新型連軋鋼材品種，合理配置的凸筋可以起到加勁肋的作用，能夠提高鋼板的平面穩(wěn)定，并無需后續(xù)焊接等工作，可以一次成型。在日本的港口、高層建筑的鋼樁、立交橋立柱等有使用內(nèi)螺旋凸筋管制作鋼管混凝土柱的工程實(shí)例，本文針對(duì)縱凸筋鋼板這一優(yōu)點(diǎn)，利用驗(yàn)證過的有限元模型，探討其在鋼管柱和鋼板剪力墻中應(yīng)用的可行性，研究不同布置方式和凸筋間距對(duì)構(gòu)件性能的影響，并分析單位用鋼量承載力的變化。

圖1 縱凸筋鋼板及應(yīng)用

2 有限元模型的建立

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系模型

本文假定鋼材符合隨動(dòng)雙線性本構(gòu)模型，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。

2.2 單元選取與網(wǎng)格劃分

采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分方法，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行離散化。網(wǎng)格劃分密度對(duì)計(jì)算精度非常重要，如果網(wǎng)格過大，計(jì)算精度降低；網(wǎng)格過密，將浪費(fèi)過多的計(jì)算機(jī)資源。因此，網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)結(jié)合網(wǎng)格試驗(yàn)來確定合理的網(wǎng)格密度。

2.3 邊界條件及加載方式

由于使用位移法具有很好的收斂性，故采用位移加載來模擬荷載作用，一端施加法向位移約束，通過剛性端板傳遞豎向位移荷載；另一端固接，采用增量迭代法進(jìn)行非線性方程組的求解。鋼管柱與剪力墻有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3 有限元模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文建模方法的準(zhǔn)確性，對(duì)文獻(xiàn)[13－15]中的部分試件進(jìn)行了模擬，有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖3。可以看出，本文模型可以準(zhǔn)確地模擬鋼管柱和鋼板剪力墻的極限承載力和變形能力，但是對(duì)下降段過程存在一定偏差，這可能與實(shí)驗(yàn)存在的初始偏差、人員操作等因素有關(guān)。但總體上，本文采用的模型可以有效模擬實(shí)驗(yàn)荷載－位移曲線，獲得關(guān)鍵數(shù)據(jù)，故使用該模型進(jìn)行分析較為可靠。

圖3 道岔便梁典型橫斷面(單位:m)

圖3 有限元分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

4 參數(shù)設(shè)置及結(jié)果分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

為探究縱凸筋板凸筋間距和凸筋類型(單面/雙面)變化對(duì)不同徑厚比/寬厚比圓/方鋼管柱和鋼板剪力墻受力性能的影響，建立有限元模型，對(duì)凸筋板在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行可行性分析。假定鋼材型號(hào)為Q345B，鋼管壁厚10 mm，考慮現(xiàn)有加工水平，假定凸筋高度為3 mm，凸筋沿豎向布置。

4.1.1 圓鋼管柱

為探究徑厚比和凸筋間距對(duì)圓鋼管柱性能的影響，依據(jù)?鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程 CECS 28—2012?[16]，設(shè)計(jì)了D/t＝60 和D/t＝120(D/t常用范圍為(20～135)×235/fy＝(13.6～92.0))兩組試件，相應(yīng)的套箍指標(biāo)θ分別為0.5和1.7(θ常用范圍為0.5～2.5)。徑厚比一定的條件下，凸筋間距取0 mm(對(duì)比試件)、50 mm、150 mm和300 mm，共計(jì)8個(gè)試件，試件尺寸如表1所示。

表1 圓鋼管柱有限元分析試件

4.1.2 方鋼管柱

在團(tuán)隊(duì)研修中插上飛翔的翅膀。隨著新課改的推進(jìn)，班主任培養(yǎng)的一個(gè)重要轉(zhuǎn)向就是將個(gè)人化的努力轉(zhuǎn)向?qū)W習(xí)者的共同體，班主任通過參與合作性的實(shí)踐來豐富自己的教育管理知識(shí)和實(shí)踐智慧。

為探究寬厚比和凸筋間距對(duì)方鋼管柱性能的影響，依據(jù)?矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS 159—2004?[17]，設(shè)計(jì)了b/t＝30和b/t＝70兩組試件(軸壓柱b/t限值為)，混凝土的工作承擔(dān)系數(shù)αc分別為0.3和0.5(αc常用范圍為0.1～0.7)。徑厚比一定的條件下，凸筋間距取0 mm(對(duì)比試件)、50 mm、100 mm、200 mm 和300 mm四組，共計(jì)10個(gè)試件，試件尺寸如表2所示。

表2 方鋼管柱有限元分析試件

4.1.3 鋼板剪力墻

參考文獻(xiàn)[15]和[18]，設(shè)計(jì)了單面凸筋和雙面凸筋兩組鋼板剪力墻試件，剪力墻長度L取3 300 mm，剪力墻高度H取3 300 mm，L/H＝1.0。剪力墻壁厚10 mm，高厚比為λ＝330。凸筋高度為3 mm，凸筋沿水平方向布置。鋼板剪力墻與上下兩側(cè)的框架梁相連，為兩邊連接鋼板剪力墻。鋼板剪力墻試件凸筋間距取0 mm(對(duì)比試件)、50 mm、150 mm和300 mm四組，如表3所示。單面凸筋和雙面凸筋鋼板剪力墻試件各3個(gè)，再加上1對(duì)照試件，共計(jì)7個(gè)分析試件。

表3 帶凸筋鋼板剪力墻有限元分析試件

4.2 應(yīng)力分布

4.2.1 圓鋼管柱

不同徑厚比下，不帶肋和帶肋(凸筋間距50 mm)的圓鋼管柱極限承載力下的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 圓鋼管應(yīng)力

可以看出，添加縱凸筋可以有效改善鋼管部分的受力，使得鋼管受力更加均勻，鋼管性能得到更充分發(fā)揮。

4.2.2 方鋼管柱

不同徑厚比下，不帶肋和帶肋(凸筋間距100 mm)的方鋼管柱在極限承載力下的應(yīng)力云圖如圖5所示?？梢钥闯觯v凸筋設(shè)置對(duì)方鋼管柱應(yīng)力分布影響不大。

圖5 方鋼管柱應(yīng)力

4.2.3 鋼板剪力墻

不同凸筋類型下的剪力墻一階屈曲模態(tài)和極限承載力下的應(yīng)力云圖見圖6?？梢钥闯觯趩蚊娌贾脮r(shí)，對(duì)屈曲模態(tài)影響不大，但應(yīng)力分布出現(xiàn)了明顯區(qū)別，板中部受力減小，更多地出現(xiàn)在角部；在雙面布置時(shí)，一階屈曲模態(tài)沒有明顯改變，荷載分布也近似。

圖6 鋼板剪力墻試件一階屈曲模態(tài)及應(yīng)力

4.3 荷載位移曲線

4.3.1 圓鋼管柱

不同徑厚比圓鋼管柱的荷載位移曲線如圖7所示?？梢钥闯?，隨凸筋間距減小，D/t＝60時(shí)，圓鋼管柱的極限承載力提高了6%；當(dāng)徑厚比較大時(shí)，提升效果更為明顯，極限承載力提高了18%。凸筋間距的減小同樣明顯改善了圓鋼管柱的變形能力，提升幅度在30%以上；但是當(dāng)間距在150 mm以下時(shí)，進(jìn)一步減小凸筋間距，特別是在徑厚比較小時(shí)，并不能繼續(xù)改善變形能力。

圖7 圓鋼管柱荷載－位移曲線

為了確認(rèn)承載力提升是由于用鋼量的增加還是縱凸筋的影響，本文計(jì)算了圓鋼管柱試件單位用鋼量承載力，并進(jìn)行歸一化處理(以對(duì)比試件單位用鋼量承載力為基準(zhǔn)，帶凸筋試件單位用鋼量承載力與對(duì)比試件單位用鋼量承載力相除，得到歸一化的單位用鋼量承載力)，結(jié)果如表4所示。可以看出，對(duì)于帶縱凸筋圓鋼管柱，當(dāng)徑厚比為60時(shí)，隨凸筋間距減小，單位用鋼量承載力逐漸降低；當(dāng)徑厚比為120時(shí)，則呈現(xiàn)出相反的趨勢，凸筋間距減小可以有效提升單位用鋼量承載力?？傮w變化區(qū)間在－1.4%～9.5%之間。

表4 圓鋼管柱試件單位用鋼量承載力計(jì)算結(jié)果

4.3.2 方鋼管柱

不同徑厚比方鋼管柱的荷載位移曲線如圖8所示。可以看出，隨凸筋間距的減小，b/t＝30和70時(shí)，方鋼管柱的極限承載力分別提高了7%和8%，差別不大。凸筋間距的減小對(duì)方鋼管柱的變形能力影響不大。

圖8 方鋼管柱荷載－位移曲線

對(duì)方鋼管柱進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如表5所示?？梢钥吹?，對(duì)于帶縱凸筋方鋼管柱，單位用鋼量承載力變化不大，總體變化區(qū)間在－1.3%～0.6%之間，這可能是由于帶縱凸筋板上凸筋高度較小，導(dǎo)致凸筋剛度較弱，不能完全起到加勁肋的作用。

表5 方鋼管柱試件單位用鋼量承載力計(jì)算結(jié)果

4.3.3 鋼板剪力墻

不同凸筋類型的剪力墻荷載位移曲線如圖9所示，單位用鋼量承載力計(jì)算結(jié)果如表6所示?？梢钥吹?，隨凸筋間距的減小，單面和雙面布置凸筋的剪力墻極限承載力分別提高了7%和12%，但是單位用鋼量承載力逐漸減小。雙面布置凸筋的剪力墻，其變形能力隨凸筋間距減小得到改善，最多增加了15%，但單面布置凸筋的剪力墻變形能力隨凸筋間距減小先增大后減小，這可能是由于凸筋改善了其變形能力，但是隨著間距減小，不對(duì)稱性增強(qiáng)，抵消了這種增益。

圖9 剪力墻荷載－位移曲線

表6 剪力墻試件單位用鋼量承載力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

為了論證帶縱凸筋鋼板在建筑中應(yīng)用的可行性，進(jìn)行了帶縱凸筋建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能有限元分析。在驗(yàn)證有限元模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行帶縱凸筋鋼板在圓鋼管柱、方鋼管柱和剪力墻3種構(gòu)件、25個(gè)試件中應(yīng)用的有限元分析。重點(diǎn)考察了縱凸筋板凸筋間距和類型(單/雙面)的變化對(duì)不同徑(寬)厚比的圓(方)鋼管柱和剪力墻受力性能的影響，得到以下結(jié)論:

(1)帶縱凸筋鋼板可有效改善圓鋼管柱的應(yīng)力分布，提高變形能力，提升幅度在30%以上，但是對(duì)方鋼管柱和剪力墻的應(yīng)力分布和變形能力影響不大。

(2)使用帶縱凸筋鋼板雖然可以提高試件的承載能力，但這主要是由于用鋼量提升所導(dǎo)致，其單位用鋼量承載力變化不大，總體變化區(qū)間在－1.9%～9.5%，這可能是由于凸筋板起筋高度較小，不能完全起到加勁肋作用所導(dǎo)致。大徑厚比的圓鋼管柱雖然單位用鋼量承載力隨凸筋間距減小有明顯的提升，但仍小于配筋帶來的影響。

(3)為提高縱凸筋板在建筑鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用效果，建議進(jìn)一步進(jìn)行縱凸筋板軋制技術(shù)研究，分析起筋高度大于0.3倍基板厚度、凸筋間距小于50 mm的縱凸筋板的軋制可行性。