高温后方钢管再生混凝土中长柱轴压机制

王晓初, 张学新, 刘 晓

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

随着社会经济的发展,每年有大量废弃建筑被拆除,由此产生大量的废弃混凝土。废弃混凝土经过破碎、清洗,将旧骨料按一定的级配等级部分或全部替代天然骨料,重新配制成再生混凝土,不仅能有效节约建筑材料资源,也降低了废弃混凝土对生态环境的影响。同时由于钢管混凝土具有良好的力学性能,将钢管结构与再生混凝土结合,通过钢材对再生混凝土的约束作用和核心混凝土对钢材的支撑作用,可以有效发挥2种材料的性能。目前国内外学者对于高温后钢管再生混凝土的研究主要集中在短柱试件上[1-9],考虑工程实际中更倾向于长细比较大的构件的使用,其力学性能和破坏形态与短柱有所不同,因此短柱承载力规范公式在高温后钢管再生混凝土中长柱中的适用性需要进一步分析研究,本文通过建立合理的有限元模型分析高温后钢管再生混凝土中长柱的力学性能,为钢管再生混凝土工程应用提供参考。

1 试件设计

表1 有限元模型试件参数Table 1 Parameter list of finite element specimen

2 有限元模型建立

(1)

式中:ε(t)=f(t)/Es(t),f(t)和Es(t)分别为钢材高温条件后的屈服极限和弹性模量,ε为钢材屈服应变;f和Es分别为钢材常温条件下的屈服极限和弹性模量。

(2)

高温后核心再生混凝土单轴受压应力-应变关系,采用文献[11]中修正后取代率和曾经历最高温度对常温单轴本构关系模型基础上,将高温后的峰值应力和峰值应变代替常温下的峰值应力和峰值应变关系,

(3)

(4)

本文在上述本构关系基础上建立相关试件模型,其中钢管与核心再生混凝土间的界面接触模型,法向方向选择硬接触,切向方向选择库伦摩擦接触,模型的计算分析中摩擦系数采用0.6,端板与构件之间采用绑定约束(Tie)。采用边缘布种方式为各部件划分网格,载荷采用位移加载方法,对模型底端约束x、y、z方向的位移,顶端约束x、y方向的位移,施加沿z轴方向竖向载荷位移。考虑实际工程中试件受核心混凝土振捣不均匀、加载偏心、初始弯曲及钢管残余应力等因素的影响,往往会导致试件存在初始缺陷,为后期模型计算方便,将初偏心作为考虑初始缺陷的因素,采取L/1 000的初始偏心距的方法[13],按偏压试件进行加载模拟。网格划分与变形如图1所示。

(a) 模型构件(b) 变形示意

为了验证本次模型本构关系选取的合理性及模型方法建立的正确性,对文献[4]中试件参数进行有限元模型建立,并将模型运行结果与试验对比,从图2受压承载力对比可以看出,模拟值与试验值的误差在10%以内,模型建立相对合理。

图2 模型结果与文献试验结果承载力对比Fig.2 Comparison of bearing capacity between model results and literature test results

3 结果分析

3.1 温度的影响

图3给出历史最高温度下取代率r=50%钢管再生混凝土试件的载荷(N)-位移(Δ)变形曲线,钢管再生混凝土的受力变形与普通混凝土相似,即载荷-位移关系曲线整体由线性增长阶段、非线性增长阶段和缓慢下降阶段组成。试件在相同取代率和长细比下,峰值载荷随温度的升高呈下降的趋势,试件的轴向刚度随温度升高呈降低的趋势。

从图3中可以看出:随着温度的升高,试件的弹性阶段逐渐降低,承载力逐渐减小;随着试件位移变形的继续增大,承载力曲线下降逐渐平缓,后期曲线表现出较好的延性。高温后各试件极限承载力较常温降幅度表现为:300℃时平均下降4.03%;600 ℃时平均下降30.46%;800 ℃时平均下降52.67%。整体来看,600 ℃以下时,对温度对试件承载力性能影响较小,600 ℃以上试件的极限载荷下降幅度较大。这是由于随温度的升高,混凝土内部的结晶水在高温作用下逐渐蒸发,混凝土材料性能发生不可逆损伤,温度越高,强度与弹性模量等降低幅度越大。钢材的强度也因高温作用产生损失,但钢材在高温冷却后会恢复较大的材料损失强度。因此核心混凝土在受力过程中强度降低,轴向变形加大,但由于钢管对核心混凝土的约束作用,试件在长细比较小时,曲线后期表现出较好的延性。

(a) λ=23.09(b) λ=34.64(c) λ=46.19

3.2 取代率

图4给出不同取代率下部分试件峰值载荷的变化,整体方钢管试件中r=50%和r=100%的试件的极限承载力相较于r=0的试件,在t=20 ℃时分别平均下降6.4%和10.8%;t=300 ℃时分别平均下降6.5%和8.6%;t=600 ℃时分别平均下降4.3%和8.1%;当t=800 ℃时试件的极限承载力几乎不受取代率的影响。

由图4可知,试件的峰值载荷整体随着取代率增大呈下降的趋势,这是由于随着取代率的增大,再生混凝土的弹性模量与强度逐渐降低,从而导致随取代率的增大,试件极限承载力(Nu)逐渐降低。高温条件下由于混凝土发生不可逆的塑性损伤,核心混凝土在试件承载力中贡献占比降低,因此,在高温条件下随取代率的增大,试件承载力降幅不大。

图4 取代率对极限承载力的影响Fig.4 Influence of substitution rate on ultimate bearing capacity

3.3 长细比的影响

图5为构件在t=600 ℃和r=50%情况下,不同长细比时的载荷(N)-跨中挠度(δ)变形曲线,从图中可以看出,弹性阶段试件跨中侧向变形值较小,随着试件进入弹塑性阶段,试件跨中侧向挠度增大,且长细比越大,试件初始缺陷对于试件的挠度变形影响越大,从而产生的附加弯矩导致试件的极限承载力与稳定性降低,后期承载力曲线下降越明显,延性能力变差。在高温后钢管再生混凝土试件中,与λ=23.09试件相比,λ=34.64和λ=46.19试件在t=20 ℃时极限承载力分别平均下降4.4%和9.3%;t=300 ℃时分别平均下降7.4%和10.1%;t=600 ℃时分别平均下降6.3%和5.0%;t=800 ℃时极限承载力受长细比影响较小。

图5 载荷跨中挠度变形曲线Fig.5 Load-mid-span deflection curve

图6为构件在t=600 ℃和r=50%情况下,试件在各级载荷下不同高度的侧向挠度,从图中可以看出,试件在加载初期,即弹性阶段,试件整体的侧向挠度发展缓慢;随着载荷的逐渐增大,试件进入弹塑性阶段和塑性阶段,侧向挠度的增长逐渐加快,试件达到峰值载荷后,侧向挠度迅速发展。同时从图中可以发现,在各级载荷下,试件高度在60%～70%区间侧向挠度最大,因此在方钢管混凝土试件的侧向挠度变形与正弦半波曲线假定略有偏差。

(a) λ=23.09(b) λ=34.64(c) λ=46.19

3.4 机理分析

为了对高温后钢管再生混凝土的轴压力学工作机理进行分析,本文选取取代率r=50%、历史最高温度t=600 ℃的方钢管试件,对其典型载荷(N)-位移(Δ)曲线分析。为了便于论述,在典型曲线上选取4处特征点,即O(初始点,试件即将进入轴压受力)、A(试件承载力上升至极限载荷85%)、B(试件达到极限载荷点)、C(试件承载力下降至极限载荷75%)。不同长细比模型试件的典型曲线及特征点如图7所示。

(a) λ=23.09(b) λ=34.64(c) λ=46.19

从图7中可以看出,OA阶段为加载初期阶段,试件位移变形量较小,试件整体处于弹性增长阶段,曲线增长呈线性,无明显斜率变化,即钢管与核心混凝土构件均处于弹性阶段。由于两者材料的变形协调一致,各部件单独承受载荷,此时两者无明显相互作用。AB阶段,试件由弹性阶段进入弹塑性阶段,试件承载力持续增加,直到B点达到峰值载荷。此过程中,曲线的斜率逐渐降低,试件整体轴向刚度也不断下降。加载过程中随着核心混凝土纵向受力,内部裂缝不断产生,加快了核心混凝土的塑性变形。但由于混凝土的泊松比比钢管更大,因此核心混凝土产生更大的横向变形。由于钢管的约束作用,部件之间的相互接触作用增大,使核心混凝土的承载力占比略有上升。BC阶段,此时试件进入塑性阶段,受压区核心混凝土由于塑性变形的增大逐渐被压碎,承载力开始逐渐降低。同时随着试件长细比的增大,试件受压时侧向变形位移增大,钢管和核心混凝土的承载力下降幅度增大,导致后期的承载力曲线下降明显,虽然钢管对核心混凝土依然存在套箍约束作用,但试件的稳定性和延性能力下降较为明显。

图8为典型曲线核心混凝土跨中截面各特征点处的纵向应力分布,在加载初期至特征点A时,可以看出跨中截面核心混凝土受力较为均匀,方钢管试件由于约束作用,角部率先出现应力集中现象,且跨中截面应力从外侧向核心区域逐渐递减。当试件载荷达到点B处时,由于钢管的约束作用,核心混凝土处于三向受压状态,此时试件达到峰值载荷。核心混凝土跨中截面受压侧应力值和受拉侧应力差值逐渐增大,且逐渐向受拉侧均匀递减。当试件加载至点C处时,核心混凝土由全截面受压逐渐变为远离加载线侧受拉,即表示受拉侧核心混凝土受拉开裂逐渐退出工作,受压侧混凝土混凝土逐渐被压碎。

点A点B点C(a) λ=23.09(b) λ=34.64(c) λ=46.19

4 承载力公式计算

目前国内外学者对钢管混凝土试件进行了大量的研究,并制定了相关的规范标准。钢管混凝土承载力计算理论比较成熟,我国《钢管混凝土结构技术规范》(GB 50936—2014)[14]采用统一强度理论来进行钢管混凝土的承载能力计算。为计算高温后钢管再生混凝土中长柱试件承载力,考虑温度与取代率对材料强度的折减影响,将文献[5,10-11]中修正关系公式代入规范,对高温后钢管再生混凝土中长柱承载力规范公式进行修正。修正后承载力计算公式为

表2为将高温后钢管再生混凝土轴压中长柱试件数据代入修正后规范理论公式后的计算结果Nc与本文模拟结果N的对比情况。

表2 有限元计算结果与修正规范公式结果对比Table 2 Comparison between finite element calculation results and modified code formula results

图9为规范计算值与模拟值对比,从图9可以看出,计算值与试验值结果误差平均值在±10%内,标准差为0.065,计算结果与试验值吻合较好。因此,在进行高温后钢管再生混凝土轴压中长柱承载力公式计算时,可采用修正后规范公式进行理论计算。

图9 修正规范载荷计算值与模拟载荷值对比Fig.9 Comparison between calculated values of modified specification load and simulated load values

5 结 论

本文利用ABAQUS有限元软件建立高温后钢管再生混凝土轴压中长柱模型,通过采用合理的钢材与核心再生混凝土本构关系,研究不同参数下试件的承载力退化规律,得到如下结论:

1) 高温后钢管再生混凝土试件的变形与普通钢管混凝土柱相似,即加载前期曲线呈线性变化,进入弹塑性阶段后,构件轴向刚度迅速下降,构件发生屈曲破坏。随着历经温度的升高、取代率和长细比的增大,钢管再生混凝土柱的承载能力整体呈下降的趋势。

2) 温度对试件的极限承载力影响较为显著,历史经历温度越高,试件承载力下降幅度越大。试件的极限承载力随取代率的增大呈下降的趋势,随温度的提高,取代率的影响逐渐降低,t=800 ℃时,试件的极限承载力几乎不受取代率的影响。随着长细比的增大,试件初始缺陷对于试件的挠度变形影响增大,产生的附加弯矩导致试件的极限承载力与稳定性降低,后期承载力曲线下降越明显,延性能力越差。

3) 将高温后钢管再生混凝土轴压中长柱试件数据代入修正后承载力规范理论计算公式中,计算值与试验值结果误差平均值在10%内,吻合较好,可采用修正后规范公式对高温后钢管再生混凝土轴压中长柱承载力进行理论计算。