建筑箱形叠合柱结构偏压受力性能有限元分析

华庆

宣城职业技术学院 建筑艺术系，安徽 宣城 242000

0 引言

为优化人民交通便利性，提升人民生活质量，在地势条件较差的山区、热闹的城市中，构建桥梁与高层建筑时，通常采用技术难度较低的新型箱形叠合柱构件[1-4]。其质量较轻，承载性能、延性、耐火性能较好，在竖向承重结构中广泛采用[5]。这种结构若出现破坏，对人们的生命财产安全存在严重威胁[6-7]。尤其在地震、爆炸等冲击力较大的荷载作用下，需要检测此类结构的偏压受力性能是否满足应用需求[8]。

戎贤等[5]进行HRB600E钢筋混凝土偏心受压柱受力性能试验研究，分析不同配筋率、偏心距对构件侧向挠度、纵向钢筋应变和受压边缘混凝土应变的影响，可相应提升钢筋混凝土柱的受压承载力。柯晓军等[6]计算钢管高强混凝土组合柱受剪承载力，分析钢管截面尺寸等参数对组合柱受剪性能的影响,探讨受剪强度计算方法，有效提升钢管高强混凝土组合柱受剪承载能力。陈宗平等[7]提出方钢管螺旋筋复合约束混凝土柱偏压性能试验及承载力计算方法，此方法的计算值与试验结果吻合较好。邓明科等[8]对高延性混凝土偏心受压柱正截面受力性能试验研究，此方法的偏心受压构件正截面承载力计算结果与试验结果吻合良好。郭全全等[9]对钢管再生混凝土组合柱偏心受压性能进行试验研究，结果发现偏压试件的初始刚度、极限承载力和变形能力减小，钢管含钢率增加或长细比减小，试件的抗弯刚度和极限承载力提高。

但上述方法的计算过程较复杂，分析效果不够全面。本文提出建筑箱形叠合柱结构偏压受力性能的有限元分析方法，研究建筑箱形叠合柱结构的偏压受力性能和试件的偏压承载力，为工程施工和安全检测提供参考资料。

1 有限元分析

1.1 有限元模型

采用ABAQUS软件对建筑箱形叠合柱结构进行建模。

1)在有限元程序ABAQUS-Part模板中建立基础结构、端板与双刀铰，采用壳单元S4R建立建筑箱形叠合柱结构的基础构件，S4R单元在各节点中设置3个平移自由度、转动自由度；采用C3D8R实体单元模拟端板与双刀铰，实体单元中设计8个节点，各节点存在3个平移自由度[9-11]。

2)采用分割程序，在建筑箱形叠合柱结构每个基础构件中标记真实试件中的螺钉方位[12]。建筑箱形叠合柱结构有限元模型如图1所示。

图1 建筑箱形叠合柱结构有限元模型

1.2 试验方案设计

采用POPWILL电液伺服程控结构试验机系统与反力门架对箱形叠合柱结构的有限元模型施加竖向模拟荷载，采用DH3816静态应变测试系统采集箱形叠合柱结构偏压受力性能数据，并导入有限元软件中进行偏压受力性能分析[13]。

试验前，采用螺栓将试件和固定的上下刀铰相连，调节试件位置实现几何对中，连接反力门架的应变片、位移计，将全部试件进行偏压受力加载[14]。

在箱形叠合柱结构中采用箍筋使建筑箱形叠合柱结构抗剪强度满足应用需求。箍筋与受力主筋、受压范围混凝土联合作用，提升叠合柱结构抗剪强度[15]。但箍筋肢数对箍筋的使用效果存在影响，目前常用箍筋的肢数分为二肢、三肢、四肢，本文以三肢、四肢为例，分析三肢箱形叠合柱结构、四肢箱形叠合柱结构偏压受力性能[16-20]。三肢与四肢箍筋肢数的示意图如图2所示。

a)三肢 b)四肢

在试验中，将三肢箱形叠合柱结构、四肢箱形叠合柱结构的截面高度均依次设为145、95 mm，三肢箱形叠合柱结构简称为D145型、D95型，四肢箱形叠合柱结构简称为P145型、P95型。

2 结果分析

2.1 试验设计

采用PPSRC-8型加载装置对建筑箱形叠合柱结构偏压受力性能进行验证，如图3所示。

图3 加载装置示意图

将偏心距依次设为25、35、45 mm，改变三肢、四肢箱形叠合柱结构试件的几何长度，测试不同偏心距、不同长细比的2种箱形叠合柱结构偏压受力性能的变化。

四肢箱形叠合柱结构试件编码格式为P95-950-Dy6(25/35/45)，代表四肢箱形叠合柱结构试件截面高95 mm，试件长950 mm，节段式叠合柱，半径6 cm，偏心距依次设置为25、35、45 mm。

所设计试件编码与分析参数如表1所示。

表1 长细比变参数分析偏压试件详情

2.2 四肢箱形叠合柱结构

2.2.1 长细比

P95型、P145型四肢箱形叠合柱结构偏压受力性能有限元分析结果如表2所示，破坏模式均为绕y轴偏压。

表2 长细比对P95型、P145型叠合柱偏压受力性能的影响

由表2可知：P95型、P145型叠合柱中，偏心距相同时，随绕y轴长细比的增大，最大承载力呈递减趋势。长细比相同时，随偏心距增大，最大承载力减小。

2.2.2 偏心距

偏心距对叠合柱偏压受力性能的影响如表3所示。

表3 偏心距对P95型、P145型叠合柱偏压受力性能的影响

由表3可知：四肢箱形叠合柱结构偏压受力时的最大承载力随偏心距增大而减小，绕x轴的偏压承载力高于绕y轴；偏心距增大，叠合柱结构绕y轴的偏压承载力减小幅度小于绕x轴，P95型试件的偏压承载力减小幅度小于P145型试件。

2.3 三肢箱形叠合柱结构

2.3.1 长细比

长细比对D95型、D145型叠合柱结构偏压受力性能的影响如表4所示。

表4 长细比对D95型、D145型叠合柱结构偏压受力性能的影响

由表4可知：D95型、D145型叠合柱的最大承载力随长细比的增大而减小，D95型叠合柱结构的最大承载力减小幅度小于D145型叠合柱结构。

2.3.2 偏心距

实际的三肢箱形叠合柱结构中，叠合柱出现偏心受压的情况较多[21-25]。测试三肢箱形叠合柱结构偏压受力性能时，改变加载点位置，对三肢箱形叠合柱偏压受力状态进行变参数测试。将三肢箱形叠合柱的偏压距离设置为绕y轴、绕x轴2类，绕x轴偏压距离依次是5.5、10.5、20.5、30.5、40.5、50.5 mm，绕y轴偏压距离依次是±5.5、±10.5、±20.5、±30.5、±40.5、±50.5 mm。三肢箱形叠合柱结构中，2种类型叠合柱的试件长度依次是950、3050、6650 mm。

D95型、D145型叠合柱偏压受力性能的有限元分析结果如表5、6所示。

表5 偏心距对 D95型叠合柱偏压受力性能的影响

表6 偏心距对D145型叠合柱偏压受力性能的影响

由表5、6可知：不论是绕x轴偏压还是绕y轴偏压，偏心距增大，D95型叠合柱、D145型叠合柱试件的偏压最大承载力均减小；绕x轴偏压，三肢叠合柱试件最大承载力的减小幅度小于绕y轴偏压。

为获取不同方法下叠合柱偏压受力性能差异，采用有限元方法与传统方法计算最大承载力，并与实际承载力对比，结果如表7所示。(为提升试验的普适性，随机选择测试样品，表7中误差均取绝对值。)

表7 有限元、传统方法下最大承载力与实际承载力比较

由表7可知：有限元方法的分析误差远小于传统方法，前者分析结果更贴近实际结果。

3 结论

1)对建筑箱形叠合柱结构偏压受力性能进行试验研究，四肢、三肢箱形叠合柱结构偏压承载力随长细比增大而逐渐减小，随偏心距增大而减小。

2)不论是绕x轴偏压还是绕y轴偏压，偏心距增大，三肢、四肢箱形叠合柱试件的偏压最大承载力均减小，但P95型试件的偏压承载力减小幅度小于P145型试件，三肢箱形叠合柱结构绕x轴的偏压承载力减小幅度小于绕y轴。

3)采用有限元方法计算建筑箱形叠合柱结构偏压最大承载力比传统方法更接近实际承载力。