[分享]带直角六边形钢管混凝土柱的滞回性能研究

发表于2021-10-22     7人浏览     1人跟帖     总热度:51  

钢管混凝土具有施工方便、抗震性能好、承载力高的特点,已被广泛应用于工程实践中,其截面形状主要为圆形和多边形。圆钢管混凝土柱中钢管对混凝土的约束效应强,管壁局部稳定性好,但表面不平整,节点施工难度大;多边形钢管混凝土柱(如图1所示的带直角六边形钢管混凝土柱)的表面平整,节点施工难度小。目前,带直角六边形钢管混凝土柱已被应用于实际工程中,如高银中国117大厦采用的是如图1a)所示的带直角六边形多腔钢管混凝土巨型角柱。有研究者建议高层建筑角柱采用带直角六边形(单腔)钢管混凝土柱(图1b))。

带直角六边形钢管混凝土柱的滞回性能研究_1
图1 带直角六边形钢管混凝土柱截面示意
Fig.1 Section schematic diagram of CFHST columns with right angle
目前,带直角六边形钢管混凝土柱已经引起了研究者和工程师的关注。ZHANG等[1]采用有限元法研究了带直角六边形多腔钢管混凝土巨型柱的轴压性能,发现增加外部钢板厚度可有效提高构件承载力,增加内部网格钢板壁厚的效果则不显著。曹万林等[2]进行了3根该类巨型柱的轴压试验,发现该类构件具有良好的延性。曹万林等[3]进行了6根该类巨型柱的低周反复试验,发现该类构件具有良好的变形能力,截面长轴方向的承载力、最大弹塑性位移和综合耗能能力均高于其他方向的相应值。
XU等[4]进行了带直角六边形(单腔)钢管混凝土柱(图1b))的轴压和纯弯试验研究,发现矩形钢管混凝土的本构模型和计算公式仍然适用于该类新型组合柱。徐悟[5]进行了8根带直角六边形钢管混凝土柱的滞回试验,发现该类试件的滞回曲线饱满。郭俊涛[6]进行了13根带直角六边形(单腔)钢管混凝土柱的偏压试验,发现该类构件的承载力随着长细比和偏心率的增大而下降,并给出了该类偏压构件的承载力计算建议公式。吴泓均等[7]运用有限元软件ABAQUS分析了该类柱在双向偏压荷载作用下的力学性能,并给出了相应的承载力计算建议公式。
综上,目前的有关研究主要集中于带直角六边形多腔钢管混凝土柱,而有关带直角六边形(单腔)钢管混凝土柱的研究又多集中于其静力性能方面。由于钢管混凝土构件主要用于抗震设防区域或用作承受动荷载的桥梁墩柱,为满足非线性弹塑性分析的需要,有必要给出带直角六边形(单腔)钢管混凝土柱的荷载-位移恢复力建议模型。本文首先建立有限元模型,并对其进行验证,之后基于有限元模型研究各参数对带直角六边形(单腔)钢管混凝土柱滞回曲线的影响规律,最终基于已有研究成果和本文参数分析给出该类构件的荷载-位移恢复力建议模型。

1 有限元分析
1.1 模型建立及验证
本文采用有限元软件ABAQUS来开展理论研究,采用如图2所示的1/2模型。钢管采用壳单元S4R,混凝土采用三维线性实体单元C3D8R。单元划分情况如图2所示,单元尺寸为截面边长的1/6。模型中构件左端为固定端,右端为悬臂端,右端与刚性端板采用Tie连接,在右侧刚性端板上施加恒定轴力N0和横向往复位移。钢管与混凝土间采用“面对面接触”,其中法向为“硬接触”,切向选用“摩擦模型”。
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图2 有限元模型
Fig.2 FE model
钢材采用TAO等[8]建议的4段式模型:
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式中:ε、σ分别为应变和应力;Es为钢材弹性模量;fy为屈服强度;fu为极限强度;εy=fy/Es;εp为开始应变硬化时的应变;εu为fu对应的应变;p为应变硬化指数,其计算方法详见文献[8]。
混凝土采用韩林海[9]建议的如下模型:
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式中:x=ε/ε0;y=σ/f′c;ε、σ分别为混凝土纵向应变和应力;ε0c+800ξ0.2×10-6,为约束混凝土峰值应变;εc=(1,300+12.5f′c)×10-6,为素混凝土峰值应变;ξ =fyAs/(fckAc),为约束效应系数;f′c为圆柱体抗压强度;η=1.6+1.5/x;β0=(f′c)0.1/[1.2(1+ξ)0.5];fck为混凝土轴心抗压强度标准值;As、Ac分别为钢管和混凝土的截面面积。
混凝土受拉本构采用沈聚敏[10]提出的如下模型:
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式中:x=ε/εt;y=σ/σt0;σt0=0.26×(1.25 f′c2/3,为峰值拉应力;εt=43.1σt0,为峰值拉应变。
混凝土受压损伤因子dc和受拉损伤因子dt分别采用下式计算[11]
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式中:σc、σt分别为受压应力和受拉应力;εc、εt分别为对应的压应变和拉应变;σc0、σt0分别为峰值压应力和峰值拉应力;Ec为混凝土弹性模量;nc、nt分别为受压和受拉损伤指标,本文通过试算得出nc=2、nt=1时模拟效果最佳。
为验证模型的正确性,图3中将有限元模拟曲线和实测曲线[5]进行了对比,3个试件的参数如下:fy=278.7MPa,混凝土立方体抗压强度fcu=89MPa,B×t×L=100mm×4mm×2,000mm,其中B为六边形边长,t为钢管厚度,L为试件高度,n为轴压比。可以看出有限元结果与试验结果吻合较好,因此可将该模型应用于理论分析。
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图3 试验曲线和有限元模拟曲线的对比
Fig.3 Comparison between test curves and FE simulation curves

1.2 参数分析
同时,有必要定量地分析如下主要参数对荷载-位移(P-Δ)骨架曲线的影响:含钢率α(0.04~0.20),混凝土强度fcu(30~80MPa),钢材强度fy(235~460MPa),轴压比n(0~0.8)和长细比λ(20~160)。典型算例参数如下:B×t=250mm×9.4mm,λ=40,fy=345MPa,fcu=60MPa,n=0.40。
图4a)、图5a)给出了α对P-Δ骨架曲线的影响。可以发现:随着α的增大,构件的抗弯刚度和承载力有所提高。当α由0.04增大到0.20时,构件绕强轴和弱轴的承载力分别提高了169.0%和221.5%,原因是增大α可直接增加钢管截面面积,同时还可增强钢管对混凝土的套箍作用,从而提高核心混凝土承载力。但α对P-Δ骨架曲线形状的影响较小。
图4b)、图5b)给出了fcu对P-Δ骨架曲线的影响。可以发现:fcu对构件抗弯刚度、水平承载力和P-Δ骨架曲线形状的影响较有限。随着fcu的增大,构件弹性刚度略微提高,这是因为增大fcu将提高混凝土的弹性模量,构件水平承载力也略微增加。当fcu由30MPa增大到80MPa时,构件绕强轴和弱轴的承载力分别提高了26%和21.9%;而骨架曲线下降段变陡,构件延性略微降低。
图4c)、图5c)给出了fy对P-Δ骨架曲线的影响。可以发现:构件承载力随fy的增大而提高,当fy由235MPa增大到460MPa时,构件绕强轴和弱轴的承载力分别提高了47.2%和46.8%。但fy对构件抗弯刚度、骨架曲线形状和下降段刚度影响较小。
图4d)、图5d)给出了n对P-Δ骨架曲线的影响。可以发现:n对构件P-Δ骨架曲线形状的影响较为明显,当n增大时,骨架曲线的下降段变陡,位移延性显著降低,这是因为n越大,混凝土越容易被压碎,延性越差。当n由0增大到0.8时,构件绕强轴和弱轴的承载力分别降低了57.1%和56.8%。同时,轴压比对构件弹性刚度几乎没有影响,这是由于弹性阶段构件变形小,P-Δ效应不明显,并且n的提高还将抑制混凝土开裂。
图4e)、图5e)给出了λ对构件P-Δ骨架曲线的影响。可以发现:构件水平承载力和弹性阶段的刚度随着λ的增大而明显降低,这是因为λ越大,二阶效应影响越大;曲线下降段随λ的增加而变得更平缓。当λ由20增大到160时,构件绕强轴和弱轴的承载力分别降低了93.6%和93.2%。
由图4、图5还发现相对于绕强轴弯曲的构件,绕弱轴弯曲构件的骨架曲线下降段更陡,这说明绕强轴弯曲构件的延性更佳。
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图4 各参数对P-Δ骨架曲线的影响(绕强轴)
Fig.4 Influence of parameters on P-Δ  skeleton curves (around strong axis)
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图5 各参数对P -Δ骨架曲线的影响(绕弱轴)
Fig.5 Influence of parameters on P-Δ  skeleton curves (around weak axis)

2 简化计算
文献[6]在文献[9]的基础上建议了如下静力荷载作用下带直角六边形(单腔)钢管混凝土压弯构件承载力的简化计算式:
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式中:Nu、Mu分别为钢管混凝土构件的轴压强度承载力和抗弯承载力;N、M分别为作用在构件上的轴力和弯矩;参数a、b、c、d、ηo和稳定系数φ的计算公式详见文献[6]。
Mu可采用下式计算[9]
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式中:γm、fscy分别为塑性发展系数和矩形钢管混凝土强度指标,其计算方法详见文献[1];Wscm为钢管和混凝土在弯矩作用平面内的截面抗弯模量。
Nu可采用下式计算[9]
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式中:Asc=As+Ac,为钢管混凝土截面面积。
以上公式可用于计算带直角六边形(单腔)钢管混凝土柱的承载力,但是公式低估了该类构件在往复荷载作用下的承载力,原因是公式未考虑钢材包辛格效应。因此,有必要对以上公式进行修正。本文基于参数分析结果和现有的研究成果,给出了该类构件的简化荷载-位移恢复力建议模型。

2.1  P-Δ骨架线模型
钢管混凝土构件的P-Δ骨架曲线一般采用三折线模型[9],如图6所示, B点为骨架曲线峰值点,A点的纵坐标为0.6Py。需要确定如下关键参数:初始刚度Ka、荷载峰值Py、峰值位移Δp以及下降段刚度KT。参数适用范围为:α=0.04~0.20,n=0~0.8,λ=20~160,fy=235~460MPa,fcu=30~80MPa。
初始刚度Ka可采用下式计算[9]
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式中:Ke=EsIs+0.2EcIc[12],为抗弯刚度;Is、Ic分别为钢管和混凝土的截面惯性矩;L1=L/2,L为构件计算长度。
荷载峰值Py可采用下式计算:
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式中:L1=L/2;My为组合压弯构件的抗弯承载力,可采用式(6)计算。
峰值位移Δp可采用下式计算:
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图6 P-Δ滞回模型
Fig.6 P-Δ  hysteretic model

2.2 P-Δ恢复力模型
图6为普通方钢管混凝土压弯构件的简化P-Δ恢复力模型[9],该模型还适用于带直角六边形(单腔)钢管混凝土柱。
图7为采用上述恢复力模型求得的P-Δ滞回曲线与实测曲线[5]的对比,可以看出二者吻合良好。因此以上恢复力模型可用于该类组合构件的弹塑性分析。
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图7 试验曲线和简化计算结果的对比
Fig.7 Comparison between test curves and simplified calculation results

3 结  论
(1)基于带直角六边形(单腔)钢管混凝土柱的有限元模型开展参数分析,分析结果表明构件的水平承载力随着含钢率和钢材强度的增大而增大,随长细比和轴压比的增大而减小。构件的抗弯刚度随着含钢率和混凝土强度的增大而增大,当长细比增大时,抗弯刚度随之降低。
(2)随着轴压比和混凝土强度的增大,骨架曲线的下降段变陡;随着长细比的增大,骨架曲线的下降段愈发平缓;含钢率、混凝土强度和钢材强度对带直角六边形(单腔)钢管混凝土柱骨架曲线的形状影响不大;相较于绕弱轴弯曲的构件,绕强轴弯曲的构件的骨架曲线下降段更加平缓,构件延性更佳。
(3)建议了带直角六边形(单腔)钢管混凝土柱的简化荷载-位移恢复力模型,简化计算结果和试验结果吻合较好。


来源: 建筑钢结构进展
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 发表于2021-10-22   |  只看该作者      

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向雪怀

  | 结构设计

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