钢管再生碎砖混凝土受压短柱有限元分析

陈艳艳， 梁丽君

(1.南宁学院土木与建筑工程学院，广西南宁 530200；2.纽卡斯尔大学建筑规划景观学院，英国纽卡斯尔，NE1 7RU; 3.桂林电子科技大学，广西桂林 541004)



钢管再生碎砖混凝土受压短柱有限元分析

陈艳艳1，2， 梁丽君1,3

(1.南宁学院土木与建筑工程学院，广西南宁 530200；2.纽卡斯尔大学建筑规划景观学院，英国纽卡斯尔，NE1 7RU; 3.桂林电子科技大学，广西桂林 541004)

【摘要】为了研究钢管再生碎砖混凝土与普通钢管混凝土受轴力作用下变形的趋势，以及不同水胶比作用下的再生碎砖混凝土对钢管再生碎砖混凝土的影响，建立2组普通钢管混凝土和6组钢管再生碎砖混凝土有限元模型，进行数值模拟分析。结果表明：钢管再生碎砖混凝土模型在受轴力作用下的变形趋势与普通钢管混凝土一致；再生碎砖混凝土水胶比取值不同，对钢管再生碎砖混凝土的轴力值影响不同，取值小时轴力大。

【关键词】钢管混凝土；受压短柱；水胶比；有限元

钢管混凝土是将混凝土浇筑到钢管中制成的钢-混凝土组合结构[1]，其由于结构自身整体性好，承载力高，抗震性能好等方面的优势在国内外都得到了良好的发展与运用[2-6]。随着国家可持续发展战略的深入，对再生混凝土进行科学研究并运用于工程实践势在必然，由于以再生混凝土取代普通混凝土制成的钢管再生混凝土可以发挥二者的优势，因此对钢管再生混凝土的研究逐渐成为新亮点。其研究比较丰富，例如，丘慈长[7]通过对薄壁钢管再生混凝土轴压实验研究，说明了薄壁钢管再生混凝土的变形破坏形式与普通薄壁钢管混凝土相似；支正东[8]通过对6根钢管再生混凝土短柱及3根普通钢管混凝土短柱进行轴压试验，表明了基于试验验证普通钢管混凝土短柱极限承载力计算方法对钢管再生混凝土短柱的适用性，计算值与试验值吻合较好；杨有福[9]在确定钢材与核心再生混凝土本构关系模型的基础上，提出钢管再生混凝土压弯构件承载力的简化计算公式；肖建庄[10]研究了钢管约束再生混凝土圆柱试件的受压破坏特性、轴向荷载-轴向应变关系以及约束再生混凝土的横向变形系数变化规律。陈娟[11]研究说明可以掺入硅粉、粉煤灰等矿物掺合料以及钢纤维来提高钢管再生混凝土轴压短柱的性能。然而，以上研究的钢管再生混凝土都是指将废弃的混凝土块经过破碎、清洗、分级后，按一定比例与级配混合，部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料)作为再生骨料的钢管混凝土，对于以碎砖作为再生骨料的钢管混凝土研究尚少，而在实际建筑废料中，碎砖占的比例又比较大，所以对钢管再生碎砖混凝土进行研究具有重要的意义。

1试验部分

1.1试件设计

为获取再生碎砖混凝土的立方体抗压强度，试验采用粒径大小为20～40mm的碎砖(其基本性能见表1)作为粗骨料，采用强度等级32.5级的普通硅酸盐水泥，普通河沙作为细骨料，并掺入Ⅱ粉煤灰制作成尺寸为150mm×150mm×150mm的再生碎砖混凝土立方体试块。再生碎砖混凝土的配合比如表2所示，共制作3组9个再生碎砖混凝土试块。采用WE-100型液压式万能材料试验机进行加载试验。

表1　碎砖骨料的基本性能

表2　再生碎砖混凝土配合比　kg·m-3

1.2试验结果

经过试验，不同水胶比下的再生碎砖混凝土的立方体抗压强度如表3所示，从表中可以看出，随着水胶比的增加，再生碎砖混凝土的立方体抗压强度减小。

表3　再生碎砖混凝土抗压强度

2数值分析

2.1材料应力-应变关系

对于圆钢管混凝土采用文献[4]提出的核心混凝土的应力(σ)-应变(ε)关系模型，如下所示：

(1)

(2)

对于钢管采用简化了的双线性模型，即分为弹性阶段和强化阶段，其中强化阶段的模量为钢材弹性模量Es的1 %，其应力-应变关系曲线如图1所示。

图1　钢筋的应力应变关系曲线

2.2材料特性

再生碎砖混凝土的立方体抗压强度如表3所示。

钢管选用Q345级钢材，其材料具体参数如表4所示，其屈服强度和弹性模量根据文献[12]取。同时根据文献[13]，普通混凝土采用C20混凝土。

表4　钢管材料的具体参数

2.3建立有限元模型

采用大型通用有限元分析软件ANSYS对模型进行建模分析，其中，钢管采用Solid45单元，该单元用于构造三维实体结构，具有塑性、应力强化、大变形和大应变能力等计算性能；采用不含钢筋的三维实体Solid65单元来模型再生碎砖混凝土，其在具有Solid45单元性能的基础上，还可模拟钢筋的拉伸、压缩、塑性变形及蠕变[14]。钢管和再生碎砖混凝土的有限元单元示意图如图2所示。

(a) Solid45单元

(b) Solid65单元图2　有限元单元示意

据此，建立2组钢管厚度分别为4mm和6mm的普通钢管混凝土，编号为P1和P2；建立6组钢管厚度分别为4mm和6mm，再生碎砖混凝土在3种不同水胶比下的钢管混凝土，其编号分别为M1～M6，各模型的具体参数见表5，根据各材料属性建立的有限元模型如图3所示，模型采用位移加载的方式加载，加载示意图如图4所示。

表5　有限元模型参数

(a) 空钢管

(b) 钢管混凝土

图4　加载示意

3结果分析

根据有限元数值模拟得到的结果，取钢管混凝土底部截面的所有单元的应力平均值，再乘以相应截面面积求出其轴力值。普通钢管混凝土P1、P2有限元模型的轴力-变形(所占高度的百分比)图和钢管再生碎砖混凝土M1～M6有限元模型的轴力-变形(所占高度的百分比)图如图5所示。

(a) P1～P2轴力-变形

(b) M1～M3轴力-变形

(c) M4～M6轴力-变形图5　各模型轴力-变形

从图5(a)、图5(b)和图5(c)可以看出，钢管再生碎砖混凝土M1～M6模型的轴力变形趋势与普通钢管混凝土P1～P2模型基本一致，均是经历弹性、塑性和强化等阶段；钢管厚度为4mm的再生碎砖混凝土M1～M3模型，随着再生碎砖混凝土水胶比的减小，立方体抗压强度的提高，整个结构的轴力值有所提高，钢管厚度为6mm的M4～M6模型轴力值的趋势与M1～M3模型相同；同时，结合图5(b)和图5(c)可以看出，在相同的水胶比条件下，钢管厚度增加，轴力值也增大。结果表明：钢管再生碎砖混凝土模型的轴力-变形趋势与普通钢管混凝土一致；随着再生碎砖混凝土水胶比的减小，钢管再生碎砖混凝土的轴力值提高。

4结论

通过对钢管再生碎砖混凝土短柱进行有限元数值模拟分析，得到如下结论：

(1)钢管再生碎砖混凝土模型在受轴力作用下的变形趋势与普通钢管混凝土一致；

(2)再生碎砖混凝土水胶比取值不同，对钢管再生碎砖混凝土的轴力值影响不同。

参考文献

[1]陈宗平，何天瑀，徐金俊，等. 钢管再生混凝土柱轴压性能及承载力计算[J]. 广西大学学报: 自然科学版：2015,40(4):897-907.

[2]KonnoK，SatoY，KakutaY，etal.Thepropertyofrecycledconcretecolumnencasedbysteeltubesubjectedtoaxialcompression[J]．TransactionsoftheJapanConcreteInstitute，1997，19(2): 351-358．

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[7]邱慈长，王清远，石宵爽，等.薄壁钢管再生混凝土轴压实验研究[J].实验力学，2011，26(1)：8-15.

[8]支正东，张大长，徐恩祥，等.钢管再生混凝土短柱轴压性能试验研究[J].工业建筑，2012，42(12)：91-95.

[9]杨有福.钢管再生混凝土构件荷载-变形关系的理论分析[J].工业建筑，2007，37(12)：1-6.

[10]肖建庄，杨洁，黄一杰，等.钢管约束再生混凝土轴压试验研究[J].建筑结构学报，2011，32(6)：92-98.

[11]陈娟，曾磊.钢管再生混凝土短柱轴压力学性能试验[J].兰州理工大学学报，2013，39(3)：112-116.

[12]中华人民共和国建设部.GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[13]中华人民共和国建设部.GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[14]邹传龙，包恩和，邹雪. 印度尼西亚农村砖混结构房屋抗震性能分析[J]. 广西大学学报:自然科学版：2014,39(1):71-80.

[基金项目]广西自然科学基金项目(项目编号:2014GXNSFBA118259)

[作者简介]陈艳艳(1983～)，女，硕士研究生，助教，研究方向：再生碎砖混凝土、钢结构设计。

【中图分类号】TU398.9

【文献标志码】A

[定稿日期]2015-12-31