方钢管轻骨料混凝土柱滞回性能数值分析

郭靳时 李 飞

(吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118)

0 引言

轻骨料混凝土是指用轻粗骨料、普通砂或轻细骨料、胶凝材料和水配制而成的干表观密度不大于1 950kg/m3的混凝土[1].由于轻骨料混凝土具有轻质高强、易于施工、耐久性能高、抗震性能好等优点,被视为一种具有发展前途的新型混凝土[2].钢管轻骨料混凝土构件是在钢管混凝土构件研究的基础上,用轻骨料混凝土代替混凝土而来.国外对于轻骨料混凝土的研究进行的比较早.随着休斯敦贝壳广场大厦的建立,标志着轻骨料混凝土的研究及应用进入了一个新阶段.我国对于轻骨料混凝土的研究相对较晚,目前已取得了一定的成果.2001年,李帼昌、刘之洋以煤矸石为轻骨料,进行了一系列轴压长短柱、偏心受压柱及受弯、受扭等力学试验研究,进行了有效的探索并取得了一定的成果[3].自2005年始,吉伯海与王晓亮、胡正清、周文杰、傅中秋、陈甲树等人合作,通过试验陆陆续续研究了钢管轻集料混凝土构件抗弯性能、中长柱轴压偏压性能以及受荷方式对钢管轻集料混凝土短柱轴压性能的影响,进行了大量分析,成果显著[4-8].文献[9-11]在收集了大量钢管轻骨料混凝土轴压短柱力学性能的试验结果基础上,统一分析及计算,推导出钢管轻骨料混凝土轴压短柱极限承载力简化计算公式和组合应力- 应变关系全曲线,计算结果与试验结果吻合良好.目前,国内研究多是对钢管轻骨料混凝土轴压柱的力学性能研究,而对于轻骨料钢管混凝土柱抗震性能的研究却鲜有文献.为此,本文采用大型通用软件ABAQUS对方钢管轻骨料混凝土柱的滞回性能进行有限元分析,为钢管轻骨料混凝土柱的研究提供一定的指导意义.

1 ABAQUS有限元模型

1.1 ABAQUS介绍

ABAQUS有两个主要的分析模块:ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit,以及一个全面支持求解的图形用户界面,即人机交互前后处理模块-ABAQUS/CAE(Complete ABAQUS Environment)组成.随着计算机仿真技术的发展,CAE技术受到广泛的关注,而ABAQUS软件正是CAE技术领域成熟的分析方法之一.ABAQUS具有强大的计算功能和广泛的模拟能力,拥有大量不同种类的单元模型、材料模型、分析过程等，无论是分析一个简单的线弹性问题,还是一个包括几种不同材料、承受复杂的机械和热荷载过程以及变化接触条件的非线性组合问题,分析结果都会令人满意.ABAQUS除了能解决大量结构问题,还可以模拟其它领域的许多问题,因此,在各国的同业界以及研究机构中被广泛使用.

图1 钢筋本构模型Fig.1 Constitutive model of rebar

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 材料的本构模型

(1) 轻骨料混凝土应力-应变关系曲线. 根据文献[11]得到轻骨料混凝土单轴应力-应变全关系曲线.曲线公式如下:

(1)

式中,参数An为混凝土弹性模量与峰值割线模量之比.

单轴受压时,y=σ/fc,x=ε/εc,此时n=1,fc=0.88×fcu,εc=730×fcu1/3×10-6

参数A1=1.68×10-3ρfcu-1/6.ρ为轻骨料混凝土密度,fc为轻骨料混凝土轴心抗压强度,fcu为轻骨料混凝土立方体抗压强度,εc为轻骨料混凝土受压峰值应变.参数B1=1.6(A1-1)2,α1取值0.15,B1为控制上升段曲线弹性模量衰减程度的物理量,α1为轻骨料混凝土单轴受压应力-应变曲线下降段参数ft.

单轴受拉时,y=σ/fc,x=ε/εt,此时n=2,ft=fcu/15,εc=730×fcu1/3×10-6,εt=50×fcu1/3×10-6,A2=1.5×10-3ρfcu-1/6,B1=1.6(A2-1)2,α2=1+3×10-4×fcu2.ft为轻骨料混凝土轴心抗拉强度,εt为轻骨料混凝土受拉峰值应变.

(2) 钢材应力-应变关系曲线. 钢材本构关系采用弹性强化模型,钢材受压受压弹性模量取值相同,取为Es=2×105MPa,泊松比0.3.fy为钢材屈服强度,屈服应变εy=fy/Es(见图1所示).

1.2.2 单元选取与网格划分

ABAQUS拥有丰富的、可模拟任意几何形状的单元库.为了提高模型的精度,钢材与混凝土采用8节点三维实体线性减缩积分单元(C3D8R).网格划分采用结构化网格划分技术.垫板网格大小50mm,钢管网格使用20mm,混凝土网格20mm.

1.2.3 模型的界面关系

钢管与轻骨料混凝土之间、钢管混凝土与垫板之间的接触均采用绑定的模式.虽然忽略了各部件间的粘结滑移对构件的力学性能的影响,但是却简化了模型,调高精度的同时又提高了模型计算效率.

1.2.4 边界条件与加载

柱底与垫板采用完全固定的方式(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0),柱顶U1,U3方向可任意平动.为便于模型收敛,设置两个耦合点RP1,RP2.在顶部耦合点RP2处,施加轴向力与水平荷载,轴向力采用力的加载方式,水平力采用位移加载的方式.

1.2.5 计算控制参数的设定

轻骨料混凝土是非线性材料,为保证模型精度与效率,需合理选取计算参数.初始增量步设为0.001,最小增量步设为10～15.膨胀角取值30°,fb0/fc0取值1.16,k值取0.666 7,偏心率取值0.1.

1.2.6 分析过程

力学分析时,设定两个荷载步:第一个为施加由力控制的轴向荷载,采用力加载;第二个施加水平荷载,采用位移加载的方式.

2 结果分析

柱高1 440mm,截面尺寸250mm×250mm.轻骨料混凝土LC45,钢管Q235钢.重点分析了轴压比、含钢率对于构件滞回性能的影响.轴压比n取值0.2,0.3,0.4,方钢管壁厚t取值4mm,6mm,8mm,12mm.

n=N/(fcAc+fAs),N为轴力;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;Ac为钢管内混凝土积;f为钢材的抗压强度设计值;As为钢管的截面面积;D方钢管截面边长,L为柱长.试件参数见表1.

表1 试件参数Table 1 Specimen parameters

2.1 轴压比对滞回曲线和骨架曲线的影响

图2为轴压比对骨架曲线的影响.

图2 骨架曲线Fig.2 Skeleton curve

图3 骨架曲线Fig.3 Skeleton curve

由图2可以看出,轴压比对于轻骨料钢管混凝土柱弹性阶段的影响很小,这是由于此阶段变形很小,荷载-位移效果并不明显;轴压比对于构件的水平承载力影响不大,随着轴压比的增加,钢管柱水平承载力略有减小,强化阶段的刚度也越小.当轴压比达到一定数值时,曲线会出现下降段,甚至随着轴压比的变大下降幅度更快,构件的位移延性则越来越小.

2.2 含钢率对滞回曲线和骨架曲线的影响

图3为含钢率对于骨架曲线的影响.由图3可以看出,随着含钢率的变大,构件弹性阶段刚度变化明显、水平承载力有很大提高,但含钢率总体上主要影响骨架曲线的数值,对于构件荷载-位移曲线的形状影响则很小.

3 结论

由以上分析可得出以下结论:

(1) 钢管轻骨料混凝土柱在低周反复荷载作用下滞回曲线略为饱满,表现出一定的抗震性能.

(2) 轴压比影响构件骨架曲线的形状,随着轴压比的增大,构件水平承载力以及延性略有减小,但对于构件初始刚度影响不大.

(3) 含钢率对于构件骨架曲线的数值有很大影响,但对于骨架曲线的形状影响不大.随着含钢率的变大,构件弹性阶段刚度变化明显以及水平承载力有很大提高.

参 考 文 献

[1] 轻骨料混凝土结构技术规程(JGJ 12-2006)[S].北京：中国建筑工业出版社,2006.

[2] 李继业,刘福胜.新型混凝土使用技术手册[M].北京:化学工业出版社,2005.

[3] 李帼昌,刘之洋.自应力钢管轻集料混凝土结构[M].沈阳:东北大学出版社,2001.

[4] 吉伯海,王晓亮,马敬海,杨明.钢管高强轻集料混凝土短柱轴压性能的试验研究[J].建筑结构学报,2005(5):60-65.

[5] 吉伯海,陈甲树,王晓亮,杨明,高建明.受荷方式对钢管轻集料混凝土短柱轴压性能的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2006(4):590-595.

[6] 吉伯海,周文杰,王晓亮.钢管轻集料混凝土中长柱轴压性能的试验研究[J].建筑结构学报,2007(5):118-123.

[7] 吉伯海,胡正清,陈甲树,周文杰.圆钢管轻集料混凝土构件抗弯性能的试验研究[J].土木工程学报,2007(8):35-40.

[8] 吉伯海,傅中秋,胡正清.钢管轻集料混凝土短柱偏心受压性能的试验[J].交通科学与工程,2009(3):22-28.

[9] 丁发兴,应小勇,余志武.轻骨料混凝土单轴力学性能统一计算方法[J].中南大学学报(自然科学版),2010(5):1973-1979.

[10] 丁发兴,应小勇,余志武,欧进萍.圆钢管轻骨料混凝土轴压短柱的力学性能分析[J].深圳大学学报(理工版),2011(3):207-212.

[11] 丁发兴,应小勇,余志武.轻骨料混凝土单轴力学性能统一计算方法[J].中南大学学报(自然科学版),2010(5):1973-1979.