賈康
華北理工大學(xué),中國·河北 唐山 063000
疊合柱是由在混凝土柱中心位置放置鋼管,管內(nèi)澆筑混凝土,之后在管外澆筑鋼筋混凝土而成。混凝土具有承載力高,抗壓能力強(qiáng)的特點,將混凝土填充進(jìn)鋼管,鋼管約束形成套箍效應(yīng),增強(qiáng)管內(nèi)混凝土的承載力。鋼材具有強(qiáng)度高,塑性、韌性好的優(yōu)點,但是耐腐蝕性和耐火性差,管外澆筑的鋼筋混凝土可以對鋼管起到保護(hù)隔絕作用,延長鋼管的使用壽命。兩者的結(jié)合可以減小柱的截面尺寸,增大室內(nèi)使用空間,加快施工進(jìn)度。疊合柱的應(yīng)用與革新離不開對疊合柱的力學(xué)性能的探討,這有著重要意義。雖然針對疊合柱的力學(xué)性能研究已開展了大量的工作,但仍存在眾多問題需要做進(jìn)一步的分析與討論。
鋼管和混凝土的相互結(jié)合使得兩者優(yōu)勢互補(bǔ)具有良好的復(fù)合作用,疊合柱在世界各地的各種結(jié)構(gòu)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。主要從20世紀(jì)60年代開始,已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗和分析研究來了解疊合柱的力學(xué)性能。根據(jù)這些研究,各國制定了不同的設(shè)計規(guī)范,以反映各自國家的設(shè)計理念和實踐,如澳大利亞、中國[1]、日本、美國和歐洲國家。
近十幾年來,許多商業(yè)軟件的存在如ABAQUS和ANSYS,使得有限元技術(shù)在疊合柱建模中變得越來越流行。鋼和混凝土構(gòu)件之間的復(fù)合作用可以簡便和直觀通過有限元軟件模擬出來,可以更精確地考慮不同的因素對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,如局部和整體缺陷,殘余應(yīng)力和邊界條件。然而,有限元模型的預(yù)測精度受輸入?yún)?shù)的影響很大,越精準(zhǔn)的參數(shù)越需要大量的試驗提供數(shù)據(jù)。為了達(dá)到這個目的,需要收集足夠的試驗數(shù)據(jù)來用于驗證模擬的準(zhǔn)確性。
從上世紀(jì)60年代開始,國外就對疊合柱開展研究,Tao等[5]對偏壓長柱試驗進(jìn)行研究,分析得出試件在接近極限荷載時會在受壓區(qū)出現(xiàn)較大破壞,鋼材達(dá)到屈服,但混凝土并沒有屈服且抗壓強(qiáng)度只有30%。所以長細(xì)比較小的柱能具有更出色的抗壓能力,而且對于壓彎構(gòu)件來說影響因素最大的是偏心率和承載力。Zhang[6]等制作10根高長細(xì)比混合柱,并對試件展開抗震性能檢測。分析得出,影響試件抗震性能的主要因素為長細(xì)比和施加的荷載大小,長細(xì)比對于試件抗震性能的影響是最顯著的。
Moon等[7]結(jié)合管內(nèi)混凝土的約束效用推導(dǎo)出新的鋼管混凝土軸壓極限承載力的計算方法。結(jié)果表明,α隨著D/t的增大而減小并且D/t對α的影響要比fc/fy顯著得多,分析得出新公式可以的計算結(jié)果和試驗的實測值有很不錯的吻合度,可以用來計算鋼管混凝土的軸壓極限承載力。
近十幾年來,許多商業(yè)軟件的存在如ABAQUS和ANSYS,使得有限元技術(shù)在疊合柱建模中變得越來越流行。鋼和混凝土構(gòu)件之間的復(fù)合作用可以簡便和直觀通過有限元軟件模擬出來,可以更精確地考慮不同的因素對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,如局部和整體缺陷,殘余應(yīng)力和邊界條件。然而,有限元模型的預(yù)測精度受輸入?yún)?shù)的影響很大,越精準(zhǔn)的參數(shù)越需要大量的試驗提供數(shù)據(jù)。為了達(dá)到這個目的,需要收集足夠的試驗數(shù)據(jù)來用于驗證模擬的準(zhǔn)確性。
堯國皇等[2],以康洪震等[4]試驗數(shù)據(jù)做參考,經(jīng)由選用合理的材料本構(gòu)關(guān)系模型,分別采用纖維模型法和有限元數(shù)值分析方法研究疊合柱軸壓性能。經(jīng)過有限元軟件計算分析,模擬分析結(jié)果和實際進(jìn)行的試驗結(jié)果符合。
鋼材和砼之間的有限元模擬經(jīng)常選擇面和面接觸,可以限定由鋼管的內(nèi)表面和核心混凝土的外表面組成的接觸面對。可以為界面指定法線方向上為“硬接觸”,這允許界面在拉伸時分離,而在壓縮時不穿透。但是短柱有不一樣的設(shè)置,這是因為短柱中鋼材和砼之間的滑移十分微小可以忽略。因此,柱的性能對鋼和混凝土之間摩擦系數(shù)的選擇影響十分微小。在目前的有限元模型中,砼和鋼的泊松比分別取為0.2和0.3,這些數(shù)值經(jīng)常在有限元數(shù)值模擬當(dāng)中引用。
有很好的研究可以得到驗證,初始局部缺陷和鋼管初應(yīng)力對鋼管的性材性有十分顯著的作用。然而,對于疊合柱,局部缺陷和初應(yīng)力的影響會通過混凝土填充達(dá)到最小化,在當(dāng)前的數(shù)值分析模擬中容易被忽略。蔡景明等[3]對4根鋼筋增強(qiáng)疊合柱和7個組合柱進(jìn)行抗震性能檢測,研究多種因素對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響效果。結(jié)果表明,鋼管強(qiáng)度的提高可以組合柱提高抗震性能,提高軸壓比和鋼管內(nèi)混凝土的強(qiáng)度只對構(gòu)件剛加載時剛度和峰值荷載有優(yōu)化,對于構(gòu)件屈服后的延性的影響較弱。
①加載條件、長細(xì)比、含鋼率和偏心率對于鋼管混凝土疊合柱的承載力有明顯影響,初應(yīng)力、含鋼率、鋼材和混凝土強(qiáng)度,對疊合柱的強(qiáng)度有適度的影響。
②建立了鋼管混凝土疊合柱的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,并考慮了鋼管上初應(yīng)力的影響。一般來說,在模擬值和實驗值之間,應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系和極限強(qiáng)度得到了合理的一致。
③應(yīng)該注意的是,約束混凝土總是很難精確建模。ABAQUS和大多數(shù)其他軟件在反映這一點上有局限性,需要進(jìn)一步研究來測量鋼管內(nèi)混凝土在加載過程中的側(cè)向膨脹。因此,可以提出一個模型來描述鋼管混凝土疊合柱中核心混凝土的軸向應(yīng)變—側(cè)向應(yīng)變關(guān)系。然后可以為ABAQUS開發(fā)用戶定義的材料子程序,以定義更合理的應(yīng)變函數(shù)。這樣,鋼管與混凝土之間的圍壓可以由兩個構(gòu)件之間的相互作用來確定,應(yīng)變規(guī)律不會與截面的幾何參數(shù)直接相關(guān)。