钢管-木-混凝土轴压短柱有限元分析

李帼昌,岳祥虎,杨志坚

(沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁 沈阳 110168)

木材是一种使用历史悠久的生物材料,具有自重轻、强度高、加工容易等优点。近年来,新型工程木制品的出现和国家对绿色建筑的倡导,激发了对木材广泛应用的探索,国内外学者对木材组合结构进行了大量研究[1]。2014年王香云[2]对两根原木柱和6根不同管壁厚度的钢管加固木柱进行了试验研究;2015年T.Ghanbari等[3]通过轴压试验研究了圆钢管嵌套木柱和CFRP包裹木柱两种组合结构;2015年刘清等[4]对15根外侧包裹了BFRP布轴压杨木短柱进行了试验研究;2015年M.Khelifa等[5]对被CFRP包裹且在四点弯曲荷载作用下的云杉木梁进行了试验研究;2016年A.Sotayo等[6]对由3根柱两根梁组成的两层框架进行了三点抗弯试验;2016年陈爱国等[7]对9根钢-木抗弯组合梁进行了试验研究;2016年曾丹等[8]对5组具有不同长细比的轴压木柱进行了试验研究;2017年马溯源等[9]对外侧包裹BFRP布的圆形杨木轴压短柱进行了试验研究;2017年T.G.Ghazijahani等[10]对内置不同几何形状木材的矩形混凝土轴压短柱进行试验研究;2017年褚云朋[11]对36根钢管木塑轴压长柱进行了试验研究;2018年贺俊筱等[12]对3组具有不同高径比的足尺木柱进行了试验研究;2019年霍瑞丽等[13]对外侧粘贴碳纤维布圆形轴压短柱进行了试验研究。

通过国内外众多学者对木材组合结构的试验研究、数值模拟与理论分析可知,木材组合结构的研究主要针对木柱的加固补强和对木梁抗弯性能的改善,而对钢管、混凝土、木材三种材料的组合研究较少。基于此,笔者所在研究团队提出了钢管-木-混凝土组合柱结构形式,在钢管混凝土中加入木材,利用木材轻质高强的特点,有效替换构件核心处的混凝土,大大减少了构件的自身质量,有效抑制混凝土宏观裂缝的开展,同时混凝土能够抑制木材的纤维撕裂破坏,使木材充分发挥顺纹抗压性能。

1 有限元模型

1.1 模型参数

笔者共设计了20根钢管-木-混凝土轴压短柱,木材的截面形式分为方形和圆形,木材选用顺纹抗压性能较好的落叶松。构件截面形式见图1,模型参数见表1。

表1 模型参数Table 1 Model parameters

图1 钢管-木-混凝土组合柱截面Fig.1 Section form of steel tube-wood-concrete composite columns

1.2 材料本构关系

注:B为钢管宽度;t为钢管壁厚;L为钢管高度;fy为钢材屈服强度;fcu为混凝土抗压强度;d为圆木芯的截面直径;b为方木芯的截面边长;Aw为木材的截面面积。

木材采用Bachtel和Norris双折线顺纹受压本构模型[16]。采用Engineering Constants方法对木材弹性参数设定,具体借助纵向、径向、弦向的弹性模量、剪切弹模和泊松比等9个参数进行定义。借助ABAQUS中Hill’s Potential函数来实现对塑性阶段的木材属性的定义。

1.3 单元选取与边界条件

构件中各组成部分均选择C3D8R实体单元,采用结构化技术对网格进行划分。在材料属性设置端板时,考虑把其弹性模量定义为无限大,同时泊松比定义为无限小。

钢管与混凝土选择法向硬接触,切向选择库伦摩擦,系数为0.6[17]。端板与混凝土和钢管选择Tie绑定约束,混凝土与两端盖板选择法向硬接触。木材与混凝土之间的摩擦借鉴文献[18]木材混凝土之间的接触方式,与钢管和混凝土之间的接触相似采用同性库伦摩擦[19],木与混凝土之间的摩擦系数为0.62。

2 有限元结果分析

2.1 荷载-位移曲线分析

构件SCCL-3荷载-位移曲线见图2。将曲线划分五个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、塑性强化阶段、破坏阶段、平缓阶段。

图2 构件SCCL-3荷载-位移曲线Fig.2 Load-displacement curve of SCCL-3 members

弹性阶段(OA段)。初始加载时,方钢管、混凝土和木材各自承担荷载,且都处于弹性状态。达到A点时构件达到弹性极限状态,弹性极限荷载约为极限承载力的67%。

弹塑性阶段(AB段)。达到A点后,钢管进入非线性状态但未屈服,混凝土处于非线性状态,方钢管与混凝土之间开始产生相互作用,混凝土受到钢管的约束而处于三向受压的状态,其强度得到很大提高,同时木材处于弹性状态。到达B点时,钢管达到屈服应力开始屈服。

塑性强化阶段(BC段)。达到B点后,钢管进入屈服阶段,达到b点时混凝土达到极限承载力,钢管应力开始处于稳定状态。到达C点时,构件达到极限承载力,而木材弹性阶段较长,木材承载力保持近似线性增长,但因木材总体承载比例不大,所以构件整体荷载-位移曲线表现出明显的非线性。

下降阶段(CD段)。达到C点后,方钢管壁开始出现局部屈曲失稳,构件中部钢管对混凝土的套箍作用逐渐减弱。c点之后木材进入弹塑性状态,木材处于混凝土的包裹下表现出来良好的顺纹抗压性能,木材开始与混凝土产生相互作用,木材处于三向受压状态。d点时木材达到极限顺纹抗压屈服强度,木材分担荷载达到最大值,d点之后木材因达到极限承载力强度细胞壁开始发生变形和破坏,木材逐渐被压皱承载能力开始下降。

平稳阶段(DE段)。曲线到达D点之后承载力下降幅度变缓,此阶段构件残余承载力可达极限承载力的71%左右。

2.2 应力云图分析

图3为构件SCCL-3中混凝土纵向应力云分布图,图中A、b、c、d对应图2中各特征点。

图3 钢管-木-混凝土柱混凝土纵向应力分布Fig.3 Longitudinal stress distribution of concrete in steel tube-wood-concrete columns

从图中可以看出,在A点时,混凝土压应力沿构件高度分布比较均匀,两端角部的压应力值略小,压应力最大值位于构件中截面附近。A点之后,混凝土处于三向受压状态,混凝土强度得到很大提升。b点处,除端部和角部之外混凝土所受压应力相对均匀,从构件两端的四分之一处开始出现条状应力分布,且中部混凝土强度得到明显提高。在b点以后,混凝土裂缝开始扩大,混凝土慢慢局部被压碎,所承受的纵向压应力开始减少。c点时,木材开始进入弹塑性阶段,混凝土中部应力下降较多,整体来看混凝土应力下降较缓。d点时,木材达到顺纹极限抗压应力,木材开始破坏,混凝土应力下降开始变快,最终在此处产生较大破坏变形。

构件SCCL-3在各特征点处钢管Mises应力分布云图如图4所示。从图中可以看出,在A点之前,钢管承担荷载呈现弹性增长,三者分别单独承受竖向荷载,钢管对核心混凝土没有产生紧箍效应。达到A点时,钢管应力分布变化不大,钢管两端端部应力相比之下略小。在A点之后,钢管开始进入非线性阶段,但钢管并未屈服,钢管应力缓慢增加,钢管对混凝土产生套箍作用,钢管处于横纵向受压环向受拉状态。达到B点时,钢管开始局部屈服,钢管应力开始保持不变,处于稳定状态。达到C点时,构件处于极限承载力状态,钢管应力变化不大,基本处于稳定状态。达到D点时,构件中部的塑性应变发展较快,钢管应力得到局部提升,最终钢管在中部产生过大的塑性变形。

图4 不同特征点下钢管Mises应力分布图Fig.4 Mises stresses distribution diagram of steel tube at each characteristic points

构件SCCL-3木材顺纹应力分布云图如图5所示。从图中可以看出,在A点时,构件处于弹性状态,木材也处于弹性状态,木材整体顺纹受压应力沿高度分布均匀。A点之后,木材全截面顺纹压应力持续线性增长且分布较均匀。在c点时,木材开始进入弹塑性阶段,此时在木材中部和两端1/4处应力较大。达到c点之后荷载继续加载,木材包裹混凝土当中,混凝土向内对木材产生挤压作用,木材处于三向受压状态,延长了木材的弹塑性阶段,且中截面顺纹压应力得到不同程度的提高。到达d点时,木材达到了极限顺纹抗压应力,木材中部一侧应力较大。随后木材开始出现局部压皱破坏,木材截面应力开始下降,但因木材与混凝土作用逐渐加强,木材截面应力下降幅度不大。达到D点时,木材最大程度的被压密,此时木材应力沿高度方向分布相对均匀,在木材中部内部应力偏小。

图5 钢管-木-混凝土柱木材顺纹应力分布图Fig.5 Distribution of wood strain stresses in steel tube-wood-concrete columns

2.3 荷载分担比例分析

构件SCCL-3中钢管、混凝土、木材单独承载占构件总荷载的比例与位移关系曲线如图6所示。分析可知,当构件加载位移达到0.56 mm时,构件达到A点,钢管和混凝土开始进入非线性状态,但钢管还未屈服,木材保持弹性状态,此时三者承载之比约为8.06∶4.96∶1。当构件加载位移达到1.16 mm时,构件达到B点,钢管开始屈服,承担荷载处于稳定状态,此时三者承载之比约为5.29∶3.48∶1,此时木材处于弹性状态。到达b点时,混凝土承担荷载在构件达到极限承载力之前达到最大值,此后混凝土承担荷载开始下降。达到C点时,构件达到极限承载力,而木材依然处于弹性状态,此时加载位移为1.56 mm,三者承载之比约为3.89∶2.62∶1,此后混凝土承载能力开始持续大幅下降。到达c点时,木材进入弹塑性阶段,开始与混凝土产生相互作用,承担荷载持续增加,但增长幅度不大。到达d点时,木材达到极限顺纹抗压强度,开始发生破坏并逐渐局部被压皱,此时构件位移加载到2.9 mm,三者承载之比约为3.41∶1.12∶1,加载达到4.82 mm时,即D点状态,此时三者各自承载之比约为5.47∶1.13∶1。达到D点之后,各自承担荷载趋于稳定。

图6 SCCL-3各组成部分承担荷载曲线Fig.6 Load curves of each component of SCCL-3

3 影响因素分析

3.1 钢材屈服强度影响

构件钢材为 Q235、Q355、Q390、Q420时荷载-位移曲线见图7。从图中可以看出,在构件加载初期,各构件的初始刚度保持不变。构件极限承载力随钢管屈服强度的增大而逐渐增大,Q355构件比Q235构件极限承载力提高了26.9%,Q390构件比Q355构件极限承载力提高了5.5%,Q420构件比Q390构件极限承载力提高了4.5%。钢材屈服强度由Q235变为Q355时构件极限承载力提高幅度最大,而钢材屈服强度依次由Q355到Q420时,构件的极限承载力提升幅度变小。

图7 不同钢管屈服强度构件荷载-位移曲线Fig.7 Load displacement curves of members with different yield strength of steel tubes

3.2 混凝土抗压强度的影响

构件混凝土强度为C30、C40、C50、C60时荷载-位移曲线见图8。从图中可以看出,随着混凝土强度的增大,构件初始刚度增大,极限承载力近似呈线性增长,C40构件比C30构件极限承载力提高了6.5%,C50构件比C40构件极限承载力提高了6.2%,C60构件比C50构件极限承载力提高了6.6%,但构件延性逐渐降低。

图8 不同混凝土强度构件荷载-位移曲线Fig.8 Load displacement curves of members with different concrete strength

3.3 钢管壁厚对构件性能的影响

图9为钢管壁厚为4 mm、5 mm、6 mm、7 mm构件荷载-位移曲线。从图中可以看出,随着钢管壁厚的增大,构件初试刚度增大,5 mm壁厚构件比4 mm壁厚构件极限承载力提高了10.2%,6 mm壁厚构件比5 mm壁厚构件极限承载力提高了9.1%,7 mm壁厚构件比6 mm壁厚构件极限承载力提高了9%,构件延性得到明显提升,但钢管壁厚增大构件延性提升幅度逐渐减小。到加载后期,随着钢管壁厚的增大,构件残余承载力逐渐增大,增长幅度近似相等。

图9 不同钢管壁厚构件荷载-位移曲线Fig.9 Load displacement curves of steel tube members with different wall thickness

3.4 木材截面尺寸的影响

图10分别是木材边长为40 mm、60 mm、80 mm、100 mm和直径为40 mm、60 mm、80 mm、100 mm构件荷载-位移曲线。从图中可以看出,随着木材截面尺寸增大,圆木芯构件和方木芯构件初始刚度逐渐减小,而圆木芯构件和方木芯构件极限承载力逐渐增大,但增长幅度不明显,60 mm比40 mm、80 mm比60 mm、100 mm比80 mm圆木芯构件极限承载力依次提高了6 kN、13 kN、19 kN,60 mm比40 mm、80 mm比60 mm、100 mm比80 mm方木芯构件极限承载力依次提高了7 kN、15 kN、10 kN,极限承载力提高不明显。同时随着截面尺寸的增大,圆木芯构件和方木芯构件延性逐渐增大,木材截面尺寸越大构件延性越好。

图10 不同木材截面尺寸构件荷载-位移曲线Fig.10 Load displacement curves of members with different wood section sizes

3.5 木材截面形式的影响

图11是4组木材截面形式为方形和圆形构件荷载-位移曲线。以方形木材面积为参考,将每一组构件都保持木材截面面积相等。从图中可以看出,加载初始时,圆木芯构件和方木芯构件初始刚度近似相等。在木材截面尺寸为40 mm、60 mm、80 mm时,方木芯构件与圆木芯构件极限承载力近似相同,木材尺寸较小时,截面形式对构件极限承载力影响较小。当截面尺寸为100 mm时,圆木芯极限承载力略大于方木芯构件,同时方木芯构件延性要好于圆木芯构件延性。

图11 不同木材截面形式构件荷载-位移曲线Fig.11 Load displacement curves of members with different wood sections

4 结 论

(1)钢管-木-混凝土轴压短柱受力阶段分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性强化阶段、下降阶段和平缓阶段。

(2)在方钢管混凝土柱基础上,加入木材,组合柱承载力得到轻微提高,构件延性显著提升。

(3)随着钢材强度、钢管壁厚、混凝土强度提高,构件极限承载力越大。木材截面尺寸越大构件延性越好,且在方钢管混凝土的约束下,方木芯构件力学性能优于圆木芯构件。