方钢管混凝土柱轴压承载力有限元分析

李海峰,高二军

(1.石家庄万科房地产开发有限公司, 河北 石家庄 050010;2.河北科技大学,河北 石家庄 050018)

1 绪论

钢管混凝土结构是继钢结构、木结构、钢筋混凝土结构和砖石结构之后发展起来的,在钢管内部浇筑混凝土而形成的一种新型抗侧力组合结构[1]。在实际工程中,钢管混凝土组合剪力墙和钢管混凝土柱较为常用。

截止到二十世纪八十年代,国内学者才逐渐对方钢管混凝土柱进行研究。马恺泽[2]等人进行了8根高轴压比下方钢管混凝土柱的滞回性能试验,试验结果表明：较高的轴压比对钢管混凝土柱的延性和耗能能力有利。李斌[3]等人完成了10根圆钢管混凝土柱轴压承载力有限元分析,表明圆钢管混凝土短柱的适应性强,承载能力和变形能力好。由于试验条件的限制,笔者采用有限元分析软件ABAQUS建立了9根方钢管混凝土柱的非线性分析模型,考虑了钢板强度、混凝土强度和轴压比等对试件轴压承载力的影响,通过对比分析,得出了不同参数下试件轴压承载力的变化规律。

2 方钢管混凝土柱试件设计

本文在前人研究的基础上,结合实际工程,设计了一组截面尺寸为mm,柱高3000mm,混凝土强度等级为C50,钢板强度等级为Q345,轴压比为0.6,钢板厚度为5mm的方钢管混凝土柱,截面示意图如图1所示。

图1 方钢管混凝土柱截面示意图

图2 钢材应力应变曲线

3 方钢管混凝土柱有限元模型建立

钢材的本构采用理想弹塑性模型[4],应力应变曲线示意图如图2所示,弹性模量Es=2.06×105MPa,泊松比为0.3；混凝土采用损伤塑性模型,应力应变曲线按照文献[5]提出的考虑约束效应的应力应变关系,泊松比为0.2；钢板采用壳单元S4R,混凝土采用实体单元C3D8R；采用位移控制的方式进行加载,直至加载到层间位移达H/80；在试件底端施加完全固定约束,顶端设置刚性面,并对参考点施加限制平面内两个方向的位移和三个方向的转动约束。有限元分析模型如图3所示。

图3 有限元分析模型示意图

4 参数化分析

本文对影响钢管混凝土柱轴压承载力的主要参数进行分析。考虑的主要参数为混凝土强度等级、轴压比和钢板强度等级。轴压比分别取0.6、0.7、0.8；混凝土强度取C50、C60、C70；钢板强度取Q345、Q390、Q420。参数分析时,选定一个参数为变量,其他参数保持不变。

4.1 轴压比

图4为不同轴压比作用下试件的荷载-位移曲线。由图可知,轴压比对钢管混凝土柱的承载力有较大影响,随着轴压比的增加,屈服荷载和峰值承载力均减小,峰值承载力由轴压比为0.6时的12024KN变化到轴压比为0.8时的10076KN,减小了1948KN。

图4 轴压比下荷载—位移曲线

4.2 混凝土强度等级

图5为不同混凝土强度等级下试件的荷载-位移曲线。由图可知,混凝土强度等级对钢管混凝土柱的承载力有显著影响,随着混凝土强度的增加,峰值承载力也在不断提高,且提高的幅度越来越大；峰值承载力由C50时的23559KN变化到C70时的31250KN,增加了7691KN。

图5 混凝土强度下荷载-位移曲线

4.3 钢板强度等级

图6为不同钢板强度等级下试件的荷载-位移曲线。由图可知,钢板强度等级对钢管混凝土柱的承载力影响不明显,随着钢板强度等级的增加,试件峰值承载力略有提高。由Q345变化到Q420时,承载力仅提高了358KN。

图6 钢板强度下荷载-位移曲线

5 结论

试件的轴压比、混凝土强度等级和钢板强度等级的不同取值对方钢管混凝土柱的轴压承载力有不同程度的影响。随着轴压比的增加,屈服荷载和峰值承载力均减小；但随着混凝土强度的增加,峰值承载力在不断提高,且提高的幅度越来越大；随着钢板强度等级的增加,试件峰值承载力略有提高。相比较而言,提高混凝土强度等级时承载力的提高幅度要远大于提高钢板强度时承载力的提高幅度。因此提高方钢管混凝土柱承载力最有效的办法是提高混凝土强度等级。