钢骨空间钢构架混凝土柱轴压性能有限元分析

李坤，唐兴荣

(苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215011)

0 引言

空间钢构架是由纵向弦杆(等边或不等边角钢)和横向缀条焊接而成的空间钢骨架，具有一定的承载力和刚度。已有的试验研究[1-4]表明，空间钢构架对核心混凝土具有约束作用，可以提高核心混凝土的抗压强度和变形能力。空间钢构架混凝土柱具有较高的承载力和较好的变形性能，但在轴向荷载作用下，柱子破坏时空间钢构架的弦杆(角钢)容易发生压曲，其屈服强度降低。为了改善空间钢构架混凝土柱的轴压性能，在空间钢构架混凝土柱内埋H型钢，形成内埋型钢空间钢构架混凝土柱(图1)，以有效延缓和抑制空间钢构架弦杆的压曲发生，从而使空间钢构架对核心混凝土的约束作用得到充分发挥。目前国内外学者对钢骨-钢管混凝土组合柱受压性能试验研究较多[5-9]，而对内埋型钢空间钢构架混凝土柱的试验研究和理论分析还未见报道，为此本课题组对内埋型钢空间钢构架混凝土柱进行了轴压性能试验研究[10]。本文采用ABAQUS有限元软件建模，在有限元模型合理性验证的基础上，对内埋型钢空间钢构架混凝土柱轴压性能进行非线性有限元模拟分析。

图1 内埋型钢空间钢构架混凝土柱截面

1 材料本构关系

1.1 混凝土本构关系

考虑空间钢构架对核心混凝土的约束作用，参照文献[1]32确定空间钢构架约束混凝土本构关系如下：

(1)

(2)

(3)

1.2 钢材的本构关系

钢材的本构选用二折线模型(图2)，并考虑有强化，钢材屈服以后弹性模量取Et=0.01Es，泊松比取0.3。图中，Es为弹性阶段钢材的弹性模量，εy为钢材应变，εu为钢材强化后的应变，fy,r为钢材屈服时的应力，fst,r为钢材强化后的应力。

图2 钢材的应力-应变曲线

2 有限元模型的分析

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 几何建模

在创建部件的过程中，利用ABAQUS绘图界面创建部件的横截面，再拉伸横截面创建完整部件。型钢、缀条、角钢、混凝土的部件单元选取实体单元(solid),即C3D8R单元。图3为划分好网格后的示意图。

(a)混凝土 (b)内埋型钢 (c)骨架

2.1.2 特性设置

首先定义材料的属性，然后创建各个部件的截面属性，最后把创建好的截面属性赋予各个部件，并且定义混凝土塑性阶段使用模型自带的混凝土塑性损伤模型。

2.1.3 建立装配体

创建的各个部件是在局部坐标系下完成，相互之间是分离的，因此要在整体坐标系下把这些部件组装到一起。利用Merge命令，将角钢和缀条合并成骨架，原先的角钢和缀条就会失效，这样可以节省运算时间，并提高计算精度。

2.1.4 定义分析步

结合试验过程，本模拟试件只需设置2个分析步。初始分析步用于定义短柱的边界条件，后续分析步定义位移荷载。

2.1.5 相互作用

由试验结果可知，组成试件的各部分材料几乎没有相对滑移。型钢和混凝土之间、混凝土和骨架之间不定义摩擦，采用绑定约束(tie)连接起来。

2.1.6 荷载边界(load)

在试件上设置两端的边界条件，对模型的底面采用固结。模型的端面由于要在纵向施加位移荷载，因此对端面的5个自由度U1、U2、UR1、UR2、UR3进行锁定。用位移控制加载的方式，在参考点RP2上施加竖向荷载。

2.2 有限元模型的验证

采用上述有限元模拟，对本课题组构建的5个内埋型钢空间钢构架混凝土短柱轴压试件进行模拟分析。各试件的主要参数和峰值荷载试验值见表1，各试件的混凝土、钢材的力学指标取实际值见文献[10]。图4为试件SSFCC-43的配筋图，图5—9分别给出了各试件试验荷载-位移曲线和有限元分析软件ABAQUS模拟曲线对比。

表1 试件设计参数及峰值荷载

3 内埋型钢空间钢构架混凝土短柱轴压性能有限元分析

(a)立面图 (b)截面图

图5 SSFCC-41试件位移-荷载曲线

图7 SSFCC-43试件位移-荷载曲线

图6 SSFCC-42试件位移-荷载曲线

图8 SSFCC-44试件位移-荷载曲线

图9 SSFCC-45试件位移-荷载曲线

为了进一步研究内埋型钢空间钢构架混凝土短柱的轴压性能，在上述有限元模型验证的基础上，以空间钢构架角钢肢长、缀条间距、内侧型钢配骨率等为参数，设置了9个内埋型钢空间钢构架混凝土柱的模型试件，各模型试件具体参数见表2。

3.1 空间钢构架角钢肢长的影响

表2 各模型试件参数和峰值荷载

图10 不同角钢肢长时模型试件荷载-位移曲线

图11 峰值荷载Nu与角钢净距关系曲线

3.2 空间钢构架缀条间距的影响

图12给出了试件SSFCC-4至试件SSFCC-7模拟荷载-位移曲线，图13给出了各试件峰值荷载Nu与缀条间距s的变化关系。

由图12可知，在其他条件不变情况下，缀条间距减小，空间钢构架角钢不易压曲，使空间钢构架对混凝土的约束作用得到充分发挥，混凝土抗压强度和变形能力得到提高，施加峰值荷载后，承载力下降速度和幅度明显降低。由图13可知，随着缀条间距的减小，模拟试件的峰值荷载增大，主要原因是缀条间距越小，空间钢构架对核心混凝土的约束作用就越强，混凝土的抗压强度得到增大，使试件峰值荷载得到提高。

3.3 内埋型钢配骨率的影响

图14给出了试件SSFCC-4、SSFCC-8、SSFCC-9模拟荷载-位移曲线，图15给出了各试件峰值荷载Nu与型钢配骨率ρsa的关系曲线。

由图14可见，在其他条件不变的情况下，内埋型钢配骨率的增大可以有效延缓和抑制混凝土中剪切斜裂缝的产生，从而使空间钢构架对混凝土的约束作用得到充分发挥，施加峰值荷载后试件承载力下降速度和幅度减小。由图15可见，随着型钢配骨率的增大，试件峰值荷载增大。

图12 不同缀条间距时模拟荷载-位移曲线

图13 峰值荷载Nu与缀条间距s关系曲线

图14 不同配骨率时模拟荷载-位移曲线

图15 峰值荷载Nu与型钢配骨率ρsa关系曲线

3.4 受力性能综合影响因素

(4)

(5)

式(4)—(5)中：ρv为横向缀条体积配箍率；fyv为空间钢构架缀条的抗拉屈服强度；fc为混凝土单轴抗压强度；bc和dc分别为沿水平方向和竖直方向缀条形心之间的距离。

图16给出了各试件峰值荷载Nu与空间钢构架混凝土约束影响系数ξ的关系。可见，在其他条件不变情况下，内埋型钢空间钢构架混凝土柱峰值荷载与约束影响系数大致呈线性关系。

图16 峰值荷载Nu与约束影响系数ξ关系

分析表明，内埋H型钢对混凝土的约束，可以认为其对混凝土的约束效果等效于正方形的3个边[9]324。内埋型钢对空间钢构架混凝土柱承载力影响可用配骨指标λv表示：

(6)

式中：ρsa为型钢配骨率，ρsa=Asa/Ac，Asa为型钢的截面面积，Ac为混凝土的截面面积；fsa为型钢的屈服应力；fc为混凝土的单轴抗压强度。

图17给出了各试件峰值荷载Nu与内埋型钢配骨指标λv的关系曲线。可见，在其他条件不变情况下，内埋型钢空间钢构架混凝土柱峰值荷载与型钢配骨指标大致呈线性关系。

图17 峰值荷载Nu与内埋型钢配骨指标λv关系

4 结论

1)考虑空间钢构架约束混凝土作用，采用ABAQUS软件建立的内埋型钢空间钢构架混凝土轴压短柱的非线性有限元模型，荷载-位移曲线的模拟值与试验值基本吻合，可以用来进行内埋型钢空间钢构架混凝土短柱的轴压性能的模拟分析。

2)空间钢构架角钢间净距的减小、缀条间距的减小，均能充分发挥空间钢构架对混凝土的约束作用，混凝土抗压强度和变形能力提高，试件峰值荷载与空间钢构架混凝土约束影响系数大致呈线性变化，施加峰值荷载后，试件的承载力下降速度和幅度随之减缓。

3)型钢的存在可有效地延缓和抑制空间钢构架弦杆(角钢)的压曲发生，使空间钢构架对混凝土的约束作用得到充分发挥，试件峰值荷载与内埋型钢配骨指标大致呈线性关系，施加峰值荷载后，试件承载力下降速度和幅度随着配骨指标的增大而降低。