H型钢混凝土柱的极限承载力试验及有限元分析

■陈惠惠，刘 凡■.盐城工业职业技术学院，江苏 盐城 4000；.苏州科技大学 江苏省结构工程重点实验室，江苏 苏州 50

1 试件及试验

1.1 试件

本次试验共设计了3根试件进行对比试验。横截面尺寸均为250mm×800mm。焊接H型钢的截面尺寸为100×120×10×10（mm），材质为Q235B。混凝土采用C30。SRCZ-1和SRCZ-2试件轴压比相同，均为7，SRCZ-3试件轴压比为14；SRCZ-1试件柱长2000mm，长细比为8，SRCZ-2和SRCZ-3试件柱长1500mm，长细比相同，均为6。

本试验采用江苏省结构工程重点实验室电液伺服加载系统，试验开始时首先通过竖直千斤顶加载至所需轴力，由于轴压比不同，所加竖向力值亦不同，在试验中使竖向力保持定值，然后由水平向作动器施加反复水平力。

1.2 试验方法

本试验加载采用荷载与位移双控制方法。竖向轴力通过千斤顶加载，为满足轴压比不同的要求，3个试件的竖向力分别为200kN、200kN和400kN，在施加水平力时，竖向荷载需保持不变。

2 结果分析

2.1 试件破坏形态

3个试件的破坏过程如下：当荷载较小时，处于弹性阶段，不产生裂缝，当荷载达到一定数值时，柱子中下部两侧开始出现水平裂缝，然后随着荷载的增加，水平裂缝亦逐渐增加，同时试件中下部开始出现斜裂缝，并且不断向柱纵向中心或柱底延伸，斜裂缝角度大致成45度；最终斜裂缝汇交成多条“X”型斜裂缝，随着斜裂缝裂缝宽度的逐渐增大，柱底角部混凝土被压溃，试件最终破坏。最终破坏情况见图1。

图1 试件最终破坏情况

2.2 试件强度

试验实测得到的三个试件的极限荷载值分别为：SRCZ-1、SRCZ-2、SRCZ-3三个试件的极限荷载值分别为为421.03KN、491.85KN和530.02KN。

3 薄壁型钢混凝土柱极限承载力的有限元分析

3.1 单元选取

本文研究的H型钢混凝土柱，在竖向荷载和水平低周反复荷载共同作用下发生的变形是弯曲变形，对于内嵌的型钢而言，其沿厚度方向的应力较大，不能忽略，不能采用有限元单元里面的膜单元，而应该采用实体单元C3D8R，钢筋采用只考虑轴向变形的桁架单元T3D2（三维二节点），柱身网格扭曲严重，根据实际情况，混凝土采用实体单元C3D8R（减缩积分单元）。

3.2 本构关系

本文在模拟分析时采用混凝土损伤塑性模型本构关系曲线以及对损伤因子作了具体规定，再根据材性试验实际测得的混凝土抗压强度值进行修正，得到混凝土有限元模拟所需的应力-应变关系。本次模拟采用双折线弹塑性模型作为型钢的应力-应变关系模型，采用理想弹塑性模型作为钢筋的应力-应变关系模型。

3.3 有限元模型的建立

根据试验情况和研究内容，本文在建立有限元模型时，加载点与构件以及构件与构件之间采用的约束方式如下：（1）加载点与垫块之间采用耦合（coupling）约束；（2）垫块与柱身之间采用绑定（tie）约束；（3）缀板与型钢之间采用绑定约束；（4）钢筋骨架与混凝土柱身之间采用嵌入约束；（5）型钢与混凝土表面采用surfacesurface接触关系。混凝土部分，采用扫略网格的方法，种子单元定义为0.05，型钢和钢筋骨架部分，网格划分的方法是自动网格法，种子单元定义为0.04。以SRCZ-1试件为例，网格划分如图2所示。

图2 网格划分

3.4 荷载-位移曲线对比

3个试件的极限荷载模拟值分别是：SRCZ-1极限荷载值为474.3KN，SRCZ-2极限荷载值为561.85KN，SRCZ-3极限荷载值为601.02KN，3个试件的有限元模拟值与试验值列表比较，结果见表1。可以看出，SRCZ-1试件试验值与模拟值的比值为0.88；SRCZ-2试件试验值与模拟值的比值为0.87；SRCZ-3试件试验值与模拟值的比值为0.88。

根据试验结果和模拟结果对比分析来看，有限元模拟结果总体较好，说明运用ABAQUS有限元软件分析验证试验数据结果可行，在建模时采用的材料本构关系、网格的划分方法等基本合理。

同时，有限元模拟结果相较于试验值结果总体偏大，存在误差的原因可能是：①有限元软件中的混凝土应力-应变关系考虑过于简单，材料破坏过程中只分成弹性阶段和塑性阶段，而混凝土在弹性阶段以后会出现内力重分布现象，模拟过程中并未考虑该情况；②建立模型时，试件底部的约束条件不符合试验情况，因为基座本身在荷载作用下必定也会产生一定的水平位移。

表1 试验值与理论计算值

4 结论

（1）长细比的增大降低了H型钢混凝土柱的极限承载力；轴压比的增大可抑制了裂缝的出现与开展，提高柱的极限承载力。

（2）试件开裂前，模拟值与试验值吻合较好；试件开裂后，由于混凝土实际刚度的下降、材料的离散性和试件在加载过程中的滑移等原因，数值模拟极限荷载值和试验值有所偏差。

［1］刘凡，袁晓静.钢筋混凝土柔性墩柱抗震性能的试验研究［J］.地震工程与工程震动，2010，30（3）：59-63.

［2］王帅.板壁式型钢混凝土柔性墩柱的抗震性能研究［D］.苏州科技学院，2014.

［3］李俊华.低周反复荷载下型钢高强混凝土柱受力性能研究［D］.西安建筑科技大学，2005.

［4］JGJ101-1996建筑抗震试验方法规程［S］.