钢管混凝土壶型式柱脚抗推性能研究

范德任

(重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074)

引言

近年来, 钢管混凝土柱在工程中得到了广泛的应用[1-3],柱脚作为柱与承台的连接部分,其性能的优劣,对整个柱的抗震性能有着很大的影响, 外包式柱脚是将钢柱位于基础顶面以上, 通过在钢柱的一定高度范围内绑扎钢筋和外包混凝土,将钢柱脚包裹起来,抵抗弯矩作用,提高柱脚抗弯和抵抗变形的能力[4]。外包式柱脚相较于传统柱脚具有传力稳定和便于施工的优点,在实际工程中具有较大的实用价值。

Xu W, Han L H, Li W[5]采用拟静力试验对钢管混凝土柱脚进行研究, 研究外包高度以及尺寸对试件承载力退化以及耗能情况的影响, 得到结论为对于尺寸较大的试件, 增加外包柱脚的高度可以使试件的承载力、刚度以及延性得到明显的提升。

由于目前国内外对于外包式柱脚的研究相对较少[6-7],因此本研究提出一种壶型外包式柱脚,分别对普通钢管混凝土柱以及设置了壶型外包的钢管混凝土柱进行有限元模拟, 主要研究采用壶型外包式柱脚对钢管混凝土柱的抗推性能的影响。

1 有限元分析模型

1.1 模型设计

为了研究壶型钢管混凝土柱脚对钢管混凝土墩柱受力性能的影响, 本研究以某直径为1.1 m 的圆钢管混凝土柱为原型,采用1/3 的缩尺模型,设计了未对柱脚进行修改的UBAP-1 以及在缩尺模型基础上采用壶型柱脚的UBAP-HX 两种墩柱。

UBAP-1 墩柱采用三个预制钢管混凝土拼接而成,墩柱的高度为1 800 mm,钢管外径为350 mm,壁厚为12 mm,内部填充C40 混凝土,承台尺寸为1 200 mm×800 mm×500 mm。UBAP-HX 墩柱在UBAP-1墩柱的基础上,柱脚位置处设置外包壶型钢筋混凝土,高度为875 mm(2.5 d,d 为钢管外直径),外包上部厚度为75 mm,下部厚度为200 mm。

1.2 网格划分

在本研究的有限元模拟分析中,承台、钢管、外包段混凝土和核心混凝土均采用实体单元进行模拟,钢筋则使用桁架单元模拟,为了兼顾有限元计算时的精度和速度,网格划分时,模型各部件的单元大小控制在50～100 mm 之间。试件网格划分见图1。

图1 试件网格划分图

1.3 材料本构关系

混凝土单轴受压本构关系采用刘威[8]提出的核心混凝土单轴受压本构关系,混凝土单轴受拉本构关系采用文献[9]中的模型。本研究钢材相关参数取值参考王萌[10]等拟合了适用于有限元分析的关键材料参数,如表1 所示。

表1 钢材非线性混合强化模型材料参数

1.4 边界条件和加载制度

钢管与混凝土、承台、壶型柱脚间的相互作用采用“面面接触”模拟。考虑混凝土与钢管的黏结作用,取摩擦系数为0.6。钢筋均埋入(embeded)承台和壶型外包中。在承台底部设置固定端。模型的加载方案为集中力和位移增量相结合加载,具体加载过程分为两步,先在柱顶施加500 kN 竖向荷载(0.1 轴压比),使用降温法对预应力筋施加500 kN 预应力(0.1 轴压比),再在侧面施加水平往复荷载。再在墩帽侧面施加水平往复荷载,通过位移控制加载水平往复荷载。试件的初始加载位移角为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%, 再按照每级增加0.5%的位移进行加载,直到试件水平荷载降到峰值荷载的85%时停止加载。

2 数值分析结果

2.1 节点应力云图

为了显示和对比分析有限元模拟的破坏状态,可根据应力云图进行查看, 应力云图能直观的显示试件的应力变化情况和各部位的变形等。UBAP-1 和UBAP-HX 墩柱在低周往复荷载作用下的应力云图见图2。

图2 各试件整体应力云图

UBAP-HX 墩柱中钢柱最大应力出现在壶型外包段位置处的上部,UBAP-1 墩柱中钢柱最大应力出现在承台与墩柱的连接的柱脚处。壶型外包段的约束效应使钢管混凝土柱塑性变形上移, 避免了在柱脚位置处的破坏。

2.2 滞回曲线分析

通过有限元模型计算得到墩柱的滞回曲线, 滞回曲线是墩柱在往复循环荷载作用下的柱顶反力与水平位移之间的关系。能综合反应墩柱在水平往复荷载作用下的承载力及耗能能力,2 个试件的荷载- 位移滞回曲线见图3。

图3 试件滞回曲线

由图3 可知,当加载位移较低时,滞回环较为集中乃至重叠,表明此时处于弹性节段;随着水平位移的不断增大,试件由弹性节段过渡到塑性阶段,两类试件滞回环面积均不断增大,耗能能力不断增强。可以看出,UBAP-HX 试件的峰值荷载比UBAP-1 试件的峰值荷载较大, 说明壶型外包能提高墩柱的承载能力。且UBAP-HX 试件曲线形状较为饱满, 说明其耗能能力较好,塑性变形能力较强,能较好的吸收水平往复荷载的能量。

2.3 骨架曲线对比

骨架曲线能够反映试件的强度、延性等抗震性能指标。2 个试件的骨架曲线对比见图4。

图4 试件骨架曲线对比图

由图4 分析可知,在加载的初始阶段,两个试件的骨架曲线几乎一致, 因为UBAP-HX 墩柱在柱脚处设置了壶型外包,所以获得了较高的初始刚度。在位移达到20 mm 时,UBAP-HX 试件达到峰值承载力为136 kN, 在位移达到30 mm 时,UBAP-1 试件达到峰值承载力为62.1 kN, 随后承载力随着位移的增加而降低,UBAP-HX 试件的峰值承载力相对于UBAP-1 试件提高了119%左右,这主要是因为壶型外包的约束效应所造成的。

3 结论

本研究分别对壶型外包钢管混凝土墩柱和普通钢管混凝土墩柱进行了拟静力试验,得出以下结论:

(1) 壶型外包能提高试件的承载能力和刚度,本研究中, 设置了壶型外包的UBAP-HX 柱相对于未设置壶型外包的UBAP-1 柱的承载力提高了119%。

(2) 壶型外包的设置可让钢管的塑性铰上移,避免了在柱脚位置处的破坏。