王 兵, 郁舒敏, 劉 曉, 侯東序, 崔洧瑄

(沈陽大學 a. 建筑工程學院, b. 沈陽市民用建筑智慧防災減災重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044)

近幾年,隨著高強混凝土制備技術的不斷發(fā)展和超高層大跨度建筑結構的出現(xiàn),高強混凝土的應用日益廣泛。鋼管高強混凝土作為一種高性能組合構件,外包鋼管對內部高強混凝土起到了很好的約束作用,從而克服高強混凝土脆性大的缺點,同時內部混凝土的存在能有效避免鋼管容易屈曲的弱點,從而使兩種材料性能優(yōu)勢互補,性能得到充分發(fā)揮[1-2]。

一些學者已經對鋼管混凝土進行研究:宋天詣等[3]研究發(fā)現(xiàn)混凝土強度和截面周長對火災后橢圓形鋼管混凝土的界面黏結強度有顯著影響,其他因素的影響不大;王曉初等[4]研究發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土構件極限承載力隨著構件所經歷的歷史溫度的升高而降低、隨著鋼管強度和混凝土強度的增加而增大,鋼管混凝土構件經歷高溫條件后,混凝土的各項性能損失嚴重,后期承載力主要由高強鋼材承擔;劉曉等[5]研究發(fā)現(xiàn)圓鋼管活性粉末混凝土短柱初始黏結破壞載荷會隨著徑厚比的增加而減少,隨著活性粉末混凝土強度與長細比的增加而增加;在試件經歷極限黏結破壞后,混凝土的各項性能損失嚴重,曲線呈逐漸下降狀態(tài);張春亮[6]給出了適合高溫(火災)后鋼管混凝土的黏結滑移的本構關系;Tao等[7]研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰類型、水灰比、水泥取代率對黏結性能有所影響,并對圓鋼管混凝土和方鋼管混凝土的黏結強度值作出建議;陳宗平等[8-9]分別進行了17根圓、方鋼管混凝土的推出試驗,對溫度、錨固長度、混凝土強度等變量進行研究,結果表明圓鋼管混凝土黏結性能比方鋼管好。

本文運用ABAQUS軟件,建立了高溫后鋼管高強混凝土柱模型,分析不同變量對鋼管高強混凝土柱黏結性能的影響,并對黏結機理進行研究。

1 有限元模型

1.1 材料本構關系

混凝土采用韓林海[10]提出的考慮高溫后圓鋼管約束效應系數(shù)的應力-應變關系模型;鋼材采用Tao 等[11]提出的4階段應力-應變關系模型。

1.2 模型的建立

1) 單元選取。鋼管采用殼單元S4R,鋼厚度采用9個積分點的Simpson積分以提高計算的準確性,混凝土采用3維實體單元C3D8R。

2) 分析步的定義。本模擬采用動力顯式分析步,以擬靜態(tài)分析鋼管和混凝土之間的黏結滑移,為了使計算結果更穩(wěn)定,未進行質量縮放。

3) 接觸界面的定義。本模擬考慮了2種接觸面之間的相互作用:第1種接觸屬性是在混凝土與鋼管未發(fā)生相互移動時,此時定義了接觸面的損傷和黏性行為,為了方便收斂,指定了損傷穩(wěn)定系數(shù)為0.001;第2種接觸屬性是在混凝土與鋼管接觸面發(fā)生相對滑移之后,此時定義了切向行為,摩擦系數(shù)為0.1,法向行為為硬接觸。全局指派采用第2種接觸屬性,特殊指派在鋼管和混凝土的表面加入第1種接觸屬性。

4) 邊界條件的定義及加載方式。邊界條件如圖1所示,載荷端限制了X、Y方向的位移,而自由端限制了X、Y、Z方向的位移。加載時,在加載端施加1個垂直位移使核心混凝土在加載時被推出。

圖1 有限元模型與邊界條件

5) 網格劃分。采用中性軸算法對混凝土進行劃分,以六面體為單元和0.015的布種尺寸;采用中性軸算法對鋼管進行劃分,四面體的單元形狀和0.02的布種尺寸。

1.3 模型驗證

采用1.2節(jié)建模步驟對文獻[9-10]中的部分試件建立有限元模型,試件的具體參數(shù)見表1,表中:D0為圓鋼管直徑;B0為方鋼管邊長;d為鋼管厚度;L為試件長度;t為恒溫時間;θ為溫度。將模型運行出的載荷-位移曲線與試驗得出的載荷-位移曲線進行對比,其結果如圖2所示。從圖2中可知所得到的計算結果和試驗結果一致,證明了本文所選材料本構關系和建模方法合理。

表1 文獻中試件參數(shù)

圖2 有限元模擬與試驗載荷位移曲線對比

2 參數(shù)分析

鋼管高強混凝土柱的鋼管選用Q345鋼,構件的參數(shù)見表2。表中:L/D0為長徑比;D0/d為徑厚比。

表2 鋼管高強混凝土模型參數(shù)

2.1 構件歷經的最高溫度

圖3為高溫作用后鋼管高強混凝土的界面黏結應力(τ)和位移量(S)變化曲線,其中黏結應力(τ)為界面平均黏結應力。

圖3 高溫后鋼管混凝土τ-S關系曲線

由圖3可知:隨設計溫度的升高,其黏結應力先增加后減小(與常溫相比,300 ℃時黏結強度為常溫下的1.42倍,500 ℃時黏結強度為常溫下的1.65倍,800 ℃時黏結強度為常溫下的1.14倍);隨著溫度的增加,黏結強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢。常溫下(θ=20 ℃)峰值點黏結應力τu值最低(1.25 MPa);當θ=300～500 ℃時,τu明顯高于常溫值,且隨著θ的增加而逐漸增大,變化范圍在1.77～2.06 MPa;但當溫度達到800 ℃時,黏結強度出現(xiàn)明顯下降。原因是隨著溫度的升高,混凝土和鋼管都會產生熱膨脹。由于熱膨脹系數(shù)不同,所以鋼管和混凝土之間會產生側向的擠壓力。同時受熱脹冷縮影響,在降溫過程中,由于混凝土受到的是塑性損傷是不可逆的,因此,混凝土的收縮小于鋼管,從而增加了鋼管與混凝土的黏結強度;但當歷經溫度過高時,高溫使得混凝土損傷太大,從而導致黏結力下降,使得構件承受載荷的能力也下降。

2.2 徑厚比

通過對HCST1-3、HCST3-1、HCST3-2構件的有限元模擬,比較高溫作用后徑厚比大小對鋼管高強混凝土界面黏結應力-位移曲線的影響,模擬分析得出的黏結應力-位移曲線如圖4所示。

圖4 不同徑厚比下鋼管混凝土τ-S關系曲線

由圖4可知,歷經500 ℃高溫后,鋼管高強混凝土的黏結強度隨徑厚比的減小呈上升趨勢,黏結強度變化范圍為2.06～2.68 MPa。原因是在高溫作用后,徑厚比越大,鋼管混凝土的界面黏結性能越差。由于鋼管的厚度越大,其高溫后的變形量越小,對混凝土的束縛就越大,導致其黏結力也越大。

2.3 長徑比

通過HCST1-3、HCST2-1、HCST2-2構件的有限元模擬,比較了長徑比對黏結性能的影響,模擬分析得出的黏結應力-位移曲線如圖5所示。

圖5 不同長徑比下鋼管混凝土τ-S關系曲線

由圖5可知,歷經500 ℃高溫后,隨著試件的長徑比由2.74增大到7.72,鋼管高強混凝土的黏結強度也從2.06 MPa增大到2.40 MPa。由此可知,長徑比在2.74～7.72范圍內,鋼管高強混凝土的長徑比越大,界面黏結性能越強。因為隨著長徑比的增大,鋼管與混凝土的接觸面積增大,使得黏結性能增加。

2.4 混凝土強度

通過HCST1-3、HCST4-1、HCST4-2構件的有限元模擬,比較高溫作用后混凝土強度對鋼管高強混凝土界面黏結應力-滑移曲線的影響,模擬分析得出的黏結應力-位移曲線如圖6所示。

圖6 不同混凝土強度下鋼管混凝土τ-S關系曲線

由圖6可知,歷經高溫后,隨著試件的混凝土強度等級由C40增大到C80,鋼管高強混凝土的黏結強度不斷增大,且混凝土強度在C60～C80范圍內對鋼管高強混凝土黏結性能的提升很小。這是由于高強混凝土密度較大、內部孔隙率較低,受到高溫作用后,熱脹冷縮效應對其影響降低,但總體上看,與鋼管普通混凝土相比,鋼管高強混凝土的黏結性能仍有明顯提高。

3 鋼管混凝土黏結滑移機理分析

3.1 界面黏結損傷

黏結抗剪剛度是鋼管混凝土抵抗界面抗剪變形所需要的應力。在實際情況中,初期滑移處于彈性階段,在達到極限載荷之前,由于塑性特性的發(fā)展,曲線進入非彈性階段。本文根據(jù)文獻[12]的建議,選取載荷-位移曲線中0.8倍的峰值載荷點的切線值作為加載各點的黏結抗剪剛度K,同時引入黏結損傷度DS,其表達式為

(3)

不同溫度下鋼管高強混凝土的黏結損傷度隨相對滑移量的變化情況如圖7所示?？紤]加載早期試件的界面黏結為彈性狀態(tài),定義此時黏結損傷度的數(shù)值為0;隨著持續(xù)加載,試件慢慢進入了彈塑性階段,此時的黏結損傷度數(shù)值在0～1之間;當試件承受峰值載荷之后,滑移量大幅度增加,此時定義試件的損傷度為1,即黏結界面完全損傷。

圖7 不同溫度下試件的損傷隨相對滑移量變化情況

由圖7可知,隨著溫度的升高,鋼管高強混凝土柱界面損傷的發(fā)展也隨之推遲。這是因為在經歷高溫后,鋼管與混凝土的熱膨脹系數(shù)存在差異,從而使鋼管在降溫時發(fā)生套箍效應。在加載初期損傷發(fā)展很快,隨著滑移量的增大,損傷的發(fā)展速度逐漸降低,這是由于加載初期混凝土受壓,其內部裂縫發(fā)展較快,導致?lián)p傷發(fā)展很快,但加載后期混凝土被壓實,所以損傷發(fā)展較慢。

3.2 耗能能力

黏結力損失的本質是兩種材料之間的能量損耗,而能量損耗的多少則間接地反應了損傷的積累。在鋼管混凝土的黏結破壞中,存在著大量的能量吸收和損耗,而黏結界面則會把外部的能量轉換成其本身的彈性變形能。為此引入黏結耗能因子η,其計算式為

(4)

式中:SOABD為圖8中陰影部分的面積;SOACE為圖8中OACE的面積,陰影部分面積可以通過Origin中的積分功能求出。

圖8 耗能面積模型

圖9為歷經不同溫度后鋼管高強混凝土柱的耗能因子。由圖中可以看出,耗能因子隨溫度的上升呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。常溫下鋼管高強混凝土柱的耗能因子最低,500 ℃時耗能因子最高。說明在20～500 ℃范圍內,溫度的提高更利于界面黏結滑移能量的釋放。

圖9 鋼管高強混凝土柱歷經不同溫度后的耗能因子

3.3 典型曲線

為了研究鋼管高強混凝土高溫后的的黏結機理,選取了如圖10所示的鋼管高強混凝土歷經500 ℃高溫后的黏結應力-位移曲線進行分析。為了便于分析,在曲線上選取了4個特征點:O點為施加載荷起點;A點為載荷達到峰值點;B點為曲線緩慢下降段的結束點;C點為曲線平緩段的終點。由此可以將載荷-滑移曲線劃分為上升段(OA)、下降段(AB)和基本平穩(wěn)段(BC),這3個階段的變化可以通過黏結力的源頭加以分析,黏結力主要由化學膠結力、機械咬合力和摩擦力組成。

圖10 典型黏結應力位移曲線

OA段為加載初期,曲線呈現(xiàn)出快速線性上升的趨勢。這個階段混凝土在軸向壓力的作用下發(fā)生泊松效應,使得黏結界面產生側向擠壓力,此時混凝土和鋼管之間剛開始發(fā)生滑移,界面上的化學膠結力承擔了大部分的載荷。但是高溫后黏結應力的上升速度比常溫時更快,這主要是由于混凝土在高溫下的機械性能下降,使其與鋼管的化學黏結力有所下降,而熱脹冷縮所引起的橫向擠壓則可以很好地彌補這種黏結應力。

在AB段,載荷達到極限值后,鋼管與混凝土的接觸截面發(fā)生剪切破壞,混凝土裂縫急劇擴展,界面處混凝土凝膠碎裂,化學膠結力喪失,機械咬合力與摩擦阻力增大,并平衡部分喪失的化學膠結力。

在BC段,進入水平階段后,界面黏結趨于穩(wěn)定,主要由摩擦阻力組成黏結力,大小趨于恒定,此時滑移不斷增大而載荷幾乎不變。

3.4 鋼管表面應力云圖

圖11為 鋼管表面Mises應力云圖,由圖11可以看出,鋼管上應力分布較為均勻,最大應力集中于加載端,從加載端至自由端,應力逐漸減小,并隨載荷的增加而增加。這是由于在有效黏結區(qū)域內,混凝土端部的載荷可以由黏結力轉移到鋼管上,使其承受載荷。在經歷了較高的溫度之后,由于載荷的增大,混凝土的橫向膨脹也隨之增大,從而使鋼管受到的擠壓力也隨之增大。

圖11 鋼管表面Mises應力云圖

4 結 論

1) 隨著鋼管高強混凝土徑厚比的增大,鋼管對混凝土的約束作用降低,界面上的切向力降低,從而降低了界面的黏結強度;在2.74～7.72的長徑比下,鋼管混凝土柱鋼管與混凝土的界面黏結強度增大;鋼管混凝土柱的黏結強度隨混凝土強度的增加略有增加;鋼管混凝土柱的黏結強度隨著溫度的升高先增加后降低。

2) 高溫后鋼管高強混凝土的黏結損傷隨著溫度的升高發(fā)展逐漸緩慢,且損傷初期發(fā)展較快,后期發(fā)展較慢;耗能因子隨著溫度升高先增大后減少。

3) 在加載初期,隨著黏結力的增加,位移變形逐漸增加,此時黏結應力-位移曲線呈線性關系。在達到峰值后,該曲線逐漸開始下降,黏結應力逐漸降低,而位移則持續(xù)增加。當應力增加到某一程度時,應力的變化很小,此時位移持續(xù)增加,呈現(xiàn)出接近水平的趨勢。