呂 濤

（中鐵十一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，湖北襄陽(yáng) 441003）

0.引言

鋼管混凝土柱兼具了鋼材和混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有受力性能良好，承載能力高，延性高等優(yōu)點(diǎn)。相較于圓鋼管混凝土柱，方鋼管混凝土柱在同樣的截面尺寸下具有較大抗彎剛度，并且方形截面柱更利于建筑平面布局，因此方鋼管混凝土柱正被廣泛地應(yīng)用在工程建造中[1]。但方鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用并不均勻，造成了對(duì)材料的極大浪費(fèi)，因此，有學(xué)者提出在方鋼管內(nèi)部設(shè)置鋼筋籠以增加對(duì)核心混凝土的約束作用[2-3]。Ding 等[2]通過(guò)在方鋼管混凝土中內(nèi)置螺旋箍筋或圓形鋼筋籠以增強(qiáng)對(duì)核心混凝土的約束作用，研究結(jié)果表明兩種方法均能增大短柱的承載能力。齊浩等[3]通過(guò)在方鋼管混凝土中內(nèi)置方形鋼筋籠以增加對(duì)邊長(zhǎng)部分混凝土的約束作用，研究結(jié)果表明設(shè)置方形箍筋能有效解決方鋼管混凝土約束作用不均勻的問(wèn)題。

為研究不同箍筋尺寸對(duì)內(nèi)置方形箍筋的復(fù)合約束短柱軸壓力學(xué)性能的影響，本研究采用ABAQUS 有限元軟件分析了內(nèi)置不同尺寸方箍筋的復(fù)合約束短柱的受力性能。

1.有限元模型建立

分析中共設(shè)置6 個(gè)復(fù)合約束有限元模型，模型尺寸參考文獻(xiàn)[3]進(jìn)行設(shè)置。模型整體尺寸為200mm×200mm×600mm（長(zhǎng)×寬×高），加勁肋截面尺寸為3mm×15mm（寬×長(zhǎng)），鋼筋籠縱筋直徑為10mm，箍筋間距取為60mm，其中變量設(shè)置為方箍筋籠邊長(zhǎng)與箍筋直徑，方箍筋邊長(zhǎng)分別為80mm、90mm、100mm 和110mm，方箍筋直徑分別為6mm、8mm 和10mm。有限元模型尺寸如表1所示，為對(duì)分析結(jié)果準(zhǔn)確描述，對(duì)各模型進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)中第一組“C”表示短柱，第二組中的數(shù)字代表箍筋直徑，第三組數(shù)字代表方箍筋邊長(zhǎng)，如模型“C-6-110”表示箍筋直徑為6mm，方箍筋邊長(zhǎng)為110mm 的復(fù)合約束短柱模型。

表1 有限元模型參數(shù)設(shè)置

模型中共包含鋼材、鋼筋和混凝土3 種材料。其中鋼材取Q235 鋼，鋼筋型號(hào)為HPB300，混凝土等級(jí)取C30。鋼材材料模型采用雙折線理想彈塑性本構(gòu)，混凝土材料模型選用塑性損傷模型，混凝土拉壓本構(gòu)模型按規(guī)范[4]建議的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。鋼材與混凝土材料的彈性模量、泊松比、鋼材屈服強(qiáng)度、混凝土軸心抗壓強(qiáng)度、混凝土軸心抗拉強(qiáng)度均按規(guī)范規(guī)定計(jì)算求得[4]。

對(duì)短柱進(jìn)行建模時(shí)，混凝土采用C3D8R 實(shí)體單元，鋼板采用S4R 殼單元，鋼筋采用T3D2 桁架單元。單元網(wǎng)格劃分時(shí)，均取單元大小為20mm[5]。模型中的相互作用關(guān)系主要有：（1）混凝土與鋼管相互作用；（2）混凝土與鋼筋籠相互作用。采用軟件中提供的“面-面接觸”模擬混凝土與鋼管之間的接觸作用，法向?yàn)椤坝步佑|”，切向?yàn)閹?kù)倫摩擦模型模擬，切向摩擦系數(shù)為0.25[6]。采用軟件中提供的“內(nèi)置區(qū)域”將方形箍筋籠“嵌入”混凝土中，以保證二者的協(xié)同受力。模型底部固結(jié)，頂部為自由端，并在頂部施加豎直向下的位移荷載，模擬短柱軸向受壓工況。

2.有限元分析結(jié)果

2.1 破壞模式

所有模型的破壞模式基本相同，以模型C-6-100 為例對(duì)模型的破壞模式進(jìn)行分析，圖1 為其破壞時(shí)的應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，模型C-6-100 的破壞模式與文獻(xiàn)[3]中SS 組模型的破壞模式基本一致，當(dāng)達(dá)到最大加載位移時(shí)，絕大部分鋼管進(jìn)入屈服階段，混凝土幾乎達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度，位于鋼筋籠中部的縱筋與箍筋也達(dá)到材料屈服強(qiáng)度，所有材料的性能均得到了充分發(fā)揮。此外，鋼筋籠中部由于受到混凝土橫向變形擠壓，產(chǎn)生了較大的橫向變形，這也說(shuō)明鋼筋籠對(duì)核心混凝土起到了較好的約束作用。

2.2 荷載-位移曲線

圖2 為各個(gè)模型的荷載位移曲線，其中圖2（a）為不同箍筋邊長(zhǎng)的對(duì)比曲線，圖2（b）為不同箍筋直徑的對(duì)比曲線。

圖2 模型荷載-位移曲線

從圖2（a）中可以看出，在彈性階段，箍筋邊長(zhǎng)對(duì)模型的荷載-位移曲線幾乎沒(méi)有影響；縮小箍筋邊長(zhǎng)會(huì)使得模型的峰值荷載降低，但降低幅度較小，其主要原因是，邊長(zhǎng)較小的箍筋無(wú)法在峰值荷載時(shí)提供足夠的約束作用，使得混凝土的實(shí)際承載力略低；在荷載下降階段，邊長(zhǎng)較大的箍筋能有效延緩荷載下降速率，說(shuō)明峰值荷載過(guò)后，邊長(zhǎng)較大的箍筋能夠提供較大的約束作用，有效延緩模型的破壞。

從圖2（b）中可以看出，箍筋直徑對(duì)彈性階段的荷載-位移曲線幾乎沒(méi)有影響，并且箍筋直徑對(duì)模型峰值荷載的影響較小。但增大箍筋直徑能有效延緩峰值荷載后的荷載下降速率，增大模型延性。

2.3 力學(xué)性能指標(biāo)

為進(jìn)一步分析模型的受力性能，采用通用屈服彎矩法[7]計(jì)算模型屈服位移（Δy）與屈服荷載（Py），采用規(guī)范[8]推薦計(jì)算方法計(jì)算模型峰值荷載（Pm）、極限位移（Δu）與延性（μ），計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 力學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算

從表中可以看出，箍筋邊長(zhǎng)與直徑對(duì)屈服位移影響較小。增大箍筋邊長(zhǎng)和箍筋直徑均會(huì)提高箍筋對(duì)核心混凝土的約束作用，進(jìn)而提高了模型的屈服荷載、峰值荷載、極限位移和延性。

3.結(jié)語(yǔ)

本文采用有限元軟件研究了箍筋參數(shù)對(duì)復(fù)合約束短柱軸壓力學(xué)性能的影響，分析了不同箍筋參數(shù)下短柱的破壞模式、承載能力和延性。研究結(jié)果表明，提高箍筋直徑和內(nèi)置鋼筋籠的邊長(zhǎng)對(duì)短柱的破壞現(xiàn)象影響較小，但能有效提高短柱的復(fù)合約束作用，進(jìn)而提高短柱的承載能力和延性。