何敏秀，徐其功

（1、廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣州 510010；2、廣東省廣建設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 廣州 510010）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱“UHPC”）是一種具有卓越性能的新型建筑材料，UHPC 與普通混凝土對(duì)比，具有超高的抗壓強(qiáng)度、極佳的耐久性與韌性［1-2］。近年來，由于其優(yōu)異的性能，可以有效減輕結(jié)構(gòu)重量、縮減結(jié)構(gòu)尺寸、降低造價(jià)、節(jié)省資源，UHPC在橋梁、建筑和結(jié)構(gòu)工程、加固工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［3-5］。隨著建筑結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，越來越多的建筑項(xiàng)目開始采用UHPC作為主要結(jié)構(gòu)材料，尤其是在裝配式建筑中，以滿足對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性的要求。

一些學(xué)者對(duì)超高性能混凝土柱力學(xué)性能開展了相關(guān)研究，王中強(qiáng)等人［6］對(duì)3 個(gè)不同UHPC 加固厚度鋼筋混凝土圓形柱進(jìn)行了軸壓模擬，加固后的鋼筋混凝土柱的承載力得到了有效提高；周建庭等人［7］對(duì)4 組不同壁厚的UHPC 方形中空短柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，得出各試件的破壞特征以及壁厚對(duì)承載力的影響；黃卿維等人［8］對(duì)一種配筋的圓管UHPC 與普通混凝土芯柱組成的短圓柱進(jìn)行了軸壓受力研究，并提出了承載力計(jì)算方法。

然而，對(duì)預(yù)制UHPC 方管作為外殼的方形疊合柱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究還相對(duì)較少。因此，本文提出了一種部分預(yù)制UHPC 方形疊合柱［9］，為了解此柱在軸壓作用下的基本受力狀態(tài)及性能表現(xiàn)，運(yùn)用Abaqus2021 軟件建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ烷_展了不同參數(shù)對(duì)其承載力的影響，為進(jìn)一步研究UHPC 疊合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供依據(jù)。

1 部分預(yù)制UHPC方形疊合柱

目前預(yù)制柱規(guī)格的選擇難以做到標(biāo)準(zhǔn)化，為提高豎向構(gòu)件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，降低造價(jià)，提出了一種新型的部分預(yù)制UHPC 方形疊合柱（見圖1），由配置了縱筋和箍筋的預(yù)制UHPC 方管和現(xiàn)澆核芯混凝土組成，同時(shí)，現(xiàn)澆核芯混凝土部分設(shè)置了一定數(shù)量縱筋和箍筋并綁扎形成鋼筋骨架，兩端縱筋不通長(zhǎng)，預(yù)制UHPC方管的鋼筋不伸出端面，方管可充當(dāng)模板使用同時(shí)協(xié)同核芯混凝土共同受力，實(shí)際連接時(shí)，取消套筒連接，由核芯混凝土區(qū)域的鋼筋骨架穿過節(jié)點(diǎn)區(qū)實(shí)現(xiàn)上柱與下柱的連接。在本研究中部分預(yù)制UHPC方形疊合柱所有試件的長(zhǎng)度均為1 500 mm，全截面均為尺寸均為400 mm×400 mm，核芯縱筋長(zhǎng)度兩端均為500 mm，所有鋼筋的型號(hào)采用HRB400 級(jí)鋼筋，UHPC 混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C120，現(xiàn)澆混凝土采用普通混凝土。

圖1 部分預(yù)制UHPC方形疊合柱Fig.1 Partially Prefabricated UHPC Square Composite Column （mm）

2 有限元模型

2.1 模型建立

部分預(yù)制UHPC方形疊合柱的性能和承載力受多種因素的影響，為了準(zhǔn)確分析疊合柱在軸壓作用下受不同參數(shù)影響的基本受力性能、變形模式和破壞機(jī)制，建立了13 個(gè)模型，每個(gè)模型采用分離式建模，后通過裝配組成整體構(gòu)件，有限元模型以PUC1 示意，如圖2所示。其中PUC1、PUC2、PUC3 為核芯混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同的模型，以PUC1 作為基本模型，分別建立PUC4、PUC5 方管壁厚不同，PUC6、PUC7 方管箍筋間距不同，PUC8、PUC9 核芯箍筋間距不同，PUC10、PUC11核芯箍筋直徑不同，PUC12、PUC13核芯縱筋直徑不同的模型，具體試件信息如表1所示。

表1 試件信息Tab.1 Specimen Information

圖2 有限元模型Fig.2 Finite Element Mode

2.2 混凝土和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系

模型中有3 種材料需要定義屬性：UHPC、普通混凝土、鋼筋。在Abaqus中混凝土的屬性設(shè)置采用CDP模型，該模型通過定義混凝土的受拉和受壓特征來確定混凝土力學(xué)性能。UHPC 的受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用楊劍等人［10］提出的受壓本構(gòu)關(guān)系；核芯區(qū)的混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系采用MANDER 等人［11］提出的Mander約束混凝土本構(gòu)關(guān)系，CDP 模型中的損傷因子采用能量等價(jià)原理［12］計(jì)算；鋼筋采用雙折線本構(gòu)模型。

2.3 相互作用

疊合式構(gòu)件必然會(huì)存在新舊混凝土的接觸面，接觸面處理的目的是模擬不同部分之間的接觸和相互作用，以更真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。因此，在本研究的模型中預(yù)制方管與核芯混凝土之間的相互作用屬性采用庫(kù)倫摩擦準(zhǔn)則模擬，切向行為采用摩擦公式“罰函數(shù)”，摩擦系數(shù)取0.6［13］，法向行為設(shè)置為“硬”接觸，通過“硬”接觸傳遞壓力，使得接觸面之間沒有穿透行為，接觸對(duì)脫離時(shí)也不產(chǎn)生拉力。鋼筋采用內(nèi)嵌區(qū)域方法，不考慮與混凝土粘結(jié)滑移的影響。

2.4 荷載與邊界條件

對(duì)于軸壓性能分析來說，主要需要定義柱體底部的固定邊界條件和柱體頂部的加載邊界條件，首先在柱底中心向下偏移50 mm 布置參考點(diǎn)RP1，并將該點(diǎn)耦合到柱底面，對(duì)耦合點(diǎn)施加6 個(gè)自由度方向完全固定的約束邊界條件，即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0；然后在柱頂中心向上50 mm 距離處布置參考點(diǎn)RP2并將其耦合到整個(gè)柱頂面，采用位移加載控制的方法施加荷載，即對(duì)RP2 耦合點(diǎn)進(jìn)行軸向位移加載控制，施加總位移量為15 mm。

2.5 網(wǎng)格劃分和單元類型

使用合適的網(wǎng)格劃分和單元類型，可以保證模型的精度和可靠性。本研究中預(yù)制方管和現(xiàn)澆核芯混凝土均采用C3D8R單元，該單元類型具有較好的收斂性和穩(wěn)定性，能夠較準(zhǔn)確地模擬混凝土的行為，鋼筋采用兩結(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元T3D2；預(yù)制UHPC方管網(wǎng)格尺寸為25 mm，方形螺旋箍筋和縱筋網(wǎng)格尺寸均為25 mm；現(xiàn)澆核芯混凝土網(wǎng)格尺寸為30 mm，現(xiàn)澆區(qū)域的鋼筋籠網(wǎng)格尺寸為30 mm。

3 有限元計(jì)算結(jié)果

3.1 荷載-位移曲線

根據(jù)有限元分析結(jié)果，繪制得到了各模型在軸壓作用下的荷載-位移曲線，如圖3 所示，各試件的位移-荷載曲線變化趨勢(shì)基本一致，各試件的峰值承載力和峰值位移如表2 所示。根據(jù)結(jié)果可知，各試件在加載初期，荷載隨著位移量的增加呈線性增長(zhǎng)，此時(shí)試件處于彈性階段，隨后過了屈服荷載，進(jìn)入塑性階段，開始呈非線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)到一個(gè)最高點(diǎn)-峰值點(diǎn)，即試件達(dá)到峰值荷載，過了峰值點(diǎn)，部分UHPC 開始退出工作，曲線開始下降且下降段較陡，表明UHPC具有一定脆性破壞的特征，當(dāng)下降到一定值時(shí)，曲線開始進(jìn)入一段平緩段，核芯區(qū)的混凝土繼續(xù)承載，破壞后的試件還具有一定的殘余變形能力，表明構(gòu)件仍具有一定的延性。

表2 峰值承載力及峰值位移Tab.2 Peak Bearing Capacity and Peak Displacement

圖3 各試件的荷載-位移曲線Fig.3 Load-Displacement Curves for Each Specimen

3.2 參數(shù)分析

3.2.1 核芯混凝土的影響

從表2 中PUC1、PUC2、PUC3 的結(jié)果可以看出，隨著混凝土強(qiáng)度增高，峰值承載力越高，極限位移越小，PUC2 的峰值承載力比PUC1 提高了7.85%，PUC3 的峰值承載力比PUC2 提高了8.02%。另一方面，圖3 的曲線顯示，核芯混凝土強(qiáng)度越高，曲線下降得越突然，過了峰值點(diǎn)隨著曲線的下降，核芯混凝土強(qiáng)度越高的構(gòu)件，承載力反而越低，這可能是當(dāng)混凝土強(qiáng)度越高時(shí)，特別是PUC3 核芯為C60 等級(jí)，裂縫的形成使構(gòu)件局部強(qiáng)度變低及高強(qiáng)混凝土脆性更大，導(dǎo)致承載力越低。

3.2.2 方管壁厚

對(duì)于城鎮(zhèn)居民對(duì)廁紙的處理方式通常分為兩種，投入馬桶，最終進(jìn)入水體和丟進(jìn)紙簍形成固廢[5-7].采用調(diào)查問卷的方式，了解當(dāng)前普通居民的廁紙?zhí)幚矸绞?，同時(shí)調(diào)查居民選擇不同的廁紙?zhí)幚矸绞降目紤]因素.抽樣調(diào)查遼寧科技大學(xué)在校學(xué)生和鞍山市不同地區(qū)的居民，以及采用網(wǎng)上調(diào)查(QQ、微信、公共平臺(tái)、論壇等)方式抽樣調(diào)查全國(guó)各地的居民.

從表2 中PUC1、PUC4、PUC5 的結(jié)果可以看出，隨著方管的壁厚越厚，承載力就越高，PUC4 和PUC5 的峰值承載力分別比PUC1 提高了6.80%、7.87%，與受核芯混凝土強(qiáng)度試件不同的是，荷載達(dá)到峰值后，曲線的下降段沒有那么突然。

3.2.3 方管箍筋間距

從表2 中PUC1、PUC6、PUC7 的結(jié)果可以看箍筋的密度與峰值承載力之間存在正相關(guān)關(guān)系，PUC6 相較于PUC1 提高了1.56%，而PUC7 相較于PUC6 提高了1.23%。且箍筋的間距比核芯區(qū)箍筋的間距更小的試件延性更好，箍筋的加密可以為核芯混凝土提供更多約束力，有助于提高峰值承載力，且構(gòu)件具有更好的延性能力。

3.2.4 核芯箍筋間距

根據(jù)表2 中PUC1、PUC8、PUC9 的峰結(jié)果可以明顯看出，核芯區(qū)箍筋的間距密度并不是越高就一定導(dǎo)致峰值承載力越高。事實(shí)上，間距為100 mm 的PUC8模型的峰值承載力相較于間距為75 mm 的PUC1 模型，反而提高了0.7%，這種現(xiàn)象的主要原因在于方管的箍筋間距和核芯區(qū)的箍筋間距剛好重合，雙重約束，從而為核芯混凝土提供了更多有效的橫向約束力。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量確保預(yù)制方管的箍筋與核芯區(qū)的箍筋間在同一個(gè)截面或者方管的箍筋間距小于核芯區(qū)箍筋的間距，以實(shí)現(xiàn)更好的性能表現(xiàn)。

3.2.5 核芯區(qū)箍筋直徑

從表2 中PUC1、PUC10、PUC11 的結(jié)果可以明顯觀察到箍筋的直徑大小對(duì)峰值承載力幾乎沒有顯著的影響。且從圖3 可以觀察到當(dāng)這3 個(gè)模型的位移-荷載曲線在進(jìn)入平緩段時(shí)，它們的承載力幾乎相等。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮其他因素，以確保柱子的性能和承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。

從表2 中PUC1、PUC11、PUC12 的結(jié)果可以看出，核芯縱筋的直徑增大似乎反而導(dǎo)致峰值承載力降低，但影響不顯著。具體來說，直徑為22 mm 的PUC12 相較于直徑為20 mm的PUC1峰值承載力下降了0.78%，而PUC1與直徑為18 mm 的PUC13相比峰值承載力也下降了0.78%。這種情況可能是由于在增加核芯縱筋直徑時(shí)，影響柱子的彎曲行為，導(dǎo)致應(yīng)力分布發(fā)生變化，承載力降低，若要找出承載力降低的確切原因，仍需進(jìn)行下一步分析。另一方面，由圖3 可知，與PUC10、PUC11 模型一樣，當(dāng)承載力降至某個(gè)點(diǎn)時(shí)，位移-荷載曲線進(jìn)入一個(gè)平緩段，此時(shí)剩余承載力幾乎相等。

3.3 破壞形態(tài)

在受到軸向壓力作用下，各個(gè)試件的破壞形態(tài)表現(xiàn)出基本一致的破壞特征，在整個(gè)受壓過程中，預(yù)制UHPC 方管中部損傷及核芯區(qū)損傷最為嚴(yán)重，預(yù)制UHPC 方管破壞呈X狀，且受壓后微微外鼓，鋼筋也進(jìn)入了屈服狀態(tài)。本文以PUC1的破壞形態(tài)云圖為例進(jìn)行示意，如圖4所示。

圖4 破壞形態(tài)Fig.4 Destructive Form

4 結(jié)論

根據(jù)以上的分析，可以得出以下主要結(jié)論：

⑴核芯現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高和預(yù)制UHPC 方管壁厚的增加對(duì)柱子的承載力影響最顯著。相對(duì)于提高核芯混凝土強(qiáng)度等級(jí)，增加UHPC 壁厚更有利于改善方形疊合柱的力學(xué)性能。

⑵預(yù)制方管箍筋的密度與承載能力呈正相關(guān)，但核芯區(qū)箍筋的間距并不一定導(dǎo)致峰值承載力的增加；預(yù)制方管的箍筋間距小于核芯區(qū)箍筋的間距，或者預(yù)制方管的箍筋與核芯區(qū)的箍筋在同一截面更有助于約束核芯混凝土，從而改善柱子的承載能力和延性。

⑶核芯區(qū)箍筋的直徑大小對(duì)柱子的承載能力幾乎沒有影響，而核芯區(qū)縱筋的直徑增加會(huì)降低構(gòu)件的承載能力。

然而，為深入了解這種新型疊合柱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，更進(jìn)一步的分析和研究是很有必要的。