T形钢管再生混凝土柱轴压力学性能研究

卢梦潇

(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

周立

(中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

查春光

(北京新京润房地产有限公司，北京 100022)



T形钢管再生混凝土柱轴压力学性能研究

卢梦潇

(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

周立

(中南电力设计院，湖北 武汉 430071)

查春光

(北京新京润房地产有限公司，北京 100022)

为进一步深入了解T形截面钢管再生混凝土柱在竖向荷载作用下的力学性能，在选择合适的本构关系后，利用有限元软件ABAQUS对其进行了数值模拟。基于已建立的模型，选取再生骨料取代率、钢管壁厚、核心混凝土等级等作为变化参数，用该模型对T形截面钢管再生混凝土轴压力学性能进行了研究。研究结果表明，钢管和混凝土之间的相互作用十分明显，再生混凝土受到钢管约束处于三轴受压状态，极大改善了再生混凝土强度低及延性差的缺点；T形截面钢管再生混凝土柱同普通钢管混凝土相似，也拥有较好的承载性能和变形能力；不同比例的骨料取代率对T形柱的轴压承载能力影响较小；钢管壁厚越大，柱各阶段承载力值都越大，且提高了柱的初始刚度；再生混凝土等级越大，能够一定程度提高柱的极限承载力，但曲线下降段更迅速，延性比较差；有限元可以很好模拟T形截面钢管再生混凝土柱的荷载-变形全过程，研究成果可供实际工程设计参考。

T形截面；钢管再生混凝土柱；轴压；力学性能；有限元分析

随着近些年我国城市化进程的不断加快，建筑的拆迁造成了大量的废弃混凝土，如果更加合理有效的处理这些废弃混凝土同时又不给环境带来污染，已成为一个社会难题[1]。再生混凝土概念的提出和利用无疑对这一难题提供了一条很好的出路。再生混凝土指的是将废弃混凝土破碎清洗成再生骨料，再按一定的比例配置成混凝土。国内外学者进行了一系列的研究[2～4]表明，再生混凝土可以用于工程实际中。

钢管混凝土结构因其优异的抗震性能，在我国抗震设防区得到大规模应用[5，6]，将再生混凝土填充至钢管内形成的钢管再生混凝土结构已成为科研工作者研究的热点。Konno等[7]、Yang等[8]、吴波等[9]分别进行了钢管再生混凝土柱的轴压试验。为了避免建筑结构出现棱角及获取更大布局空间，常常将柱子做成异性，如T形、L形、十字形等。黎志军等[10]、蔡健等[11]、杜国锋等[12]对L形、T形截面钢管混凝土进行了轴压力学性能的试验和理论研究。现有的研究主要集中在方形和圆形截面再生混凝土柱和异性截面普通混凝土柱的的轴压研究，较少涉及到异性截面再生混凝土柱轴压力学性能的研究。

为深入了解异性截面再生混凝土柱的轴压力学性能，笔者选择T形截面钢管再生混凝土柱作为研究对象，选取合适的有限元模型对其进行数值模拟。基于已建立的模型，选取再生骨料取代率、钢管壁厚、核心混凝土等级等作为变化参数，用该模型分析了这些因素对柱承载力的影响，以期为实际工程实际提供理论依据。

1　T形截面柱概况

图1　T形柱构造示意图

进行有限元非线性分析之前，首先需要确定T形柱的几何构造尺寸及材料的力学性能。T形截面钢管柱用200mm×100mm的矩形钢管和100mm×100mm的U形钢管组合连接形成，柱有效高度取1200mm，钢管壁厚取4mm，具体构造尺寸见图1。钢管内填充再生混凝土，再生混凝土的骨料取代率为50%，混凝土等级为C40。核心再生混凝土的轴心抗压强度取40.2MPa，4mm厚钢材的屈服强度取273.8MPa，抗拉强度取387.0MPa，弹性模量取201GPa。

2　有限元模型建立

2.1钢材和混凝土本构关系

1)钢材的本构模型二次塑流模型既能考虑到钢材的强化，又能十分真实反映出材料的力学特性，目前已被广泛应用于分析钢管混凝土结构。二次塑流模型的数学表达式为：

(1)

式中，fy、fu分别为钢材的屈服强度和极限抗压强度，MPa；E、E′分别为弹性模量及强化模量，MPa；εe1为弹性极限应变，εe2=10εe1，εe3=100εe1。

图2　有限元模型示意图

2)再生混凝土的本构模型混凝土材料目前是最为广泛使用的建筑材料，其不均匀性导致受力性能差异较大。考虑到混凝土位于T形钢管内，受力较为特殊和复杂，选取的本构关系参考文献[12]。它既可以考虑钢管对混凝土的套箍约束作用，又能考虑不同再生骨料取代率的影响。

2.2单元选取和网格划分

为了提高计算过程中的精度和准确度，再生混凝土和钢管分别采用C3D8R单元及S4R单元。这2类单元均是线性缩减积分单元，S4R单元的优点在于程序可以随着壳厚度的不断改变而在计算时自动选择相适宜的厚壳或者薄壳理论，而C3D8R单元可以进行大应变分析，并能模拟网格屈曲。划分网格时，对T形截面钢管混凝土柱采用结构化网格划分技术。有限元模型见图2。

2.3界面模型及边界条件

为了更加真实的模拟实际加载过程，柱底板施加固段约束的边界条件，柱顶端施加位移荷载。T形钢管和核心再生混凝土的界面模拟分为两部分，分别为法向的接触以及切向的黏结滑移。法向接触行为选择硬接触，切向力选择库伦摩擦模型进行计算。

3　有限元结果及分析

图3　试件的荷载-轴向变形关系曲线

用有限元建模计算得到该试件的荷载-轴向变形关系曲线见图3。从图3可知，整个加载过程可分为弹性工作阶段、弹塑性工作阶段及后期工作阶段。试件处于弹性阶段时，其轴向刚度大体保持不变；等到钢管屈服之后，曲线才出现了拐点，过该拐点后荷载骤降，此时轴压刚度逐渐开始降低。这主要是由于T形截面钢管柱达到极限荷载后，端部的钢管全部出现屈服，而剪切滑移线也已经布满整个端部，且T形钢管对核心再生混凝土的约束应力不均匀，表现为角部应力较大，而中点处应力接近于零。这些原因的共同作用造成了荷载骤然下降。试件处于破坏阶段时，曲线基本保持水平，刚度变化较为平缓，表现了较好的延性，也表明T形截面钢管再生混凝土柱同普通钢管混凝土相似，拥有较好的承载性能和变形能力。再生混凝土的力学性能要较普通混凝土差，说明这种T形截面钢管再生混凝土柱的组合形式具有其优点，优点在于再生混凝土受到钢管约束处于三轴受压状态，极大改善了再生混凝土强度低及延性差的缺点。

将模拟结果与文献[13]相比，可得出如下结论：T形截面钢管对核心混凝土的约束效应介于方钢管和圆形钢管之间，比圆形钢管要差，但比方钢管要好。因为圆形钢管对混凝土产生的侧向约束力沿着圆周分布，方形和T形钢管约束应力分布不均，造成了其与混凝土在承受荷载时的协同作用较差，而混凝土也不能对钢管形成较好的侧向支撑，导致了核心混凝土在加载过程中迅速被压碎。而T形钢管独特的构造形式，其不是空心T形，而是方形加U形的组合形式，可以有效约束核心混凝土的横向膨胀变形，故其荷载-变形曲线要好于方形钢管。

4　影响因素分析

有限元分析的好处在于其计算快捷，可以模拟不同影响因素下对柱轴压力学性能的影响，节省了人工和时间。拟根据已建立的有限元，通过改变不同参数来分析各参数对T形截面钢管再生混凝土柱的轴压力学性能的影响规律。模型采用的混凝土等级为C40，其中的再生骨料取代率为50%。

4.1再生骨料取代率的影响

选择再生骨料取代率(γ)为50%、70%、100%为研究对象，用有限元计算得到的荷载-位移曲线见图4，不同骨料替代率对极限承载力的影响见图5。从图4和图5可知，在选取的再生骨料取代率参数范围内，不同比例的再生骨料取代率对试件的极限承载力影响很小，取代率为70%和100%的极限承载力较取代率为50%的试件降低了4.9%、10.6%，说明再生骨料取代率越大，试件极限承载力降低程度越大。再生骨料取代率对试件的初始刚度影响较小，取代率越大，初始刚度有降低的趋势，但在加载后期，3者曲线基本重合，均表现了较好的延性。

图4　不同骨料取代率的荷载-位移关系曲线

图5　不同骨料取代率的影响

4.2钢管壁厚的影响

选取钢管壁厚(t)3、4、5mm为研究对象，用有限元计算得到的荷载-位移曲线见图6，不同钢管壁厚对极限承载力的影响见图7。

图6　不同钢管壁厚的荷载-位移关系曲线

图7　不同钢管壁厚的影响

从图6和图7可知，随着钢管壁厚变大，初始刚度加大，构件在不同工作阶段的极限承载力较大，极限荷载越高，钢管壁厚5mm、4mm的极限荷载较钢管壁厚为3mm的试件极限承载力分别提高了28.6%、50.9%。钢管壁厚越大，到达极限荷载后下降段也较为平缓，且后期的残余承载力也较大，延性较好，这主要是得益于钢管壁厚越大，钢管对内部核心混凝土的约束作用越大，即套箍作用更大，故其在加载过程中表现出了更优越的受力性能和延性性能，具有较好的安全保障。

4.3再生混凝土等级的影响

选取钢管壁厚再生混凝土等级C40、C50、C60作为研究对象，用有限元计算得到的荷载-位移曲线见图8，不同混凝土等级对极限承载力的影响见图9。

从图8和图9可知，在选定的混凝土等级参数范围内，混凝土等级对试件初始刚度基本没影响。但核心再生混凝土等级越大，极限荷载也有一定程度提高，其中，C60、C50等级的混凝土极限荷载较C40试件分别提高了10.6%、17.2%。超过极限荷载后，混凝土等级越大的试件下降段更迅速，且表现出的延性更差。这可能是由于混凝土等级越大，轴心抗压强度越大，提高了所能达到的极限荷载，但超过极限荷载后，混凝土等级越高脆性越大，内部裂缝快速发展，导致荷载下降速度加快，表现出的延性较差。

图8　不同混凝土等级的荷载-位移关系曲线

图9　不同混凝土等级的影响

5　结论

1)建立的T形截面钢管再生混凝土模型可以很好的分析该类截面柱的轴压力学性能，且用该模型可以很好的进行影响因素分析。

2)T形截面钢管再生混凝土柱同普通钢管混凝土相似，也拥有较好的承载性能和变形能力。

3)T形截面钢管对核心混凝土的约束效应介于方钢管和圆形钢管之间，比圆形钢管要差，但比方形钢管要好。

4)影响T形截面钢管再生混凝土柱承载力和延性的主要因素有再生骨料取代率、钢管壁厚、核心混凝土等级。不同比例的骨料替代率对T形柱的轴压承载能力影响较小，钢管壁厚主要影响极限承载力的提高程度，提高再生混凝土强度等级可以提高T形柱的极限承载力，但柱的延性会变差。

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[编辑]计飞翔

2016-04-20

湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目(20146503)。

卢梦潇(1988-)，男，硕士生，现主要从事型钢混凝土方面的研究工作；E-mail：mx_lu@qq.com。

TU398.9

A

1673-1409(2016)22-0045-05

[引著格式]卢梦潇,周立，查春光.T形钢管再生混凝土柱轴压力学性能研究[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(22)：45～49.