杨树强
(北京工业大学城市建设学部,北京 100124)
方钢管再生混凝土柱(SP-RAC-C)是一种利用钢管约束再生混凝土以达到有效利用再生混凝土的重要构件形式[1]。为了应对SP-RAC-C 在高温、火灾、各类腐蚀[2-4]条件下的耐久性问题,再生混凝土-钢管-再生混凝土叠合柱(RAC-SP-RAC-C)应运而生。
Ke[5]等通过试验研究了再生骨料替代率、箍筋间距、钢管直径、混凝土强度等级和纵筋配筋率对RACSP-RAC-C 轴压力学性能的影响,结果表明:RAC-SPRAC-C 表现出比钢筋再生混凝土柱更好的承载力和变形能力。牛海成[6],武骏宇[7]对RAC-SP-RAC-C 的轴压力学性能进行了试验研究,结果表明:RAC-SPRAC-C 与钢管普通混凝土叠合柱破坏模式相同,均经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段,RAC-SPRAC-C 承载力与钢管普通混凝土叠合柱承载力相当但延性较差。
对于叠合柱偏压性能的研究主要为普通混凝土叠合柱,RAC-SP-RAC-C 偏压性能的研究较少。郭全全[8]对13 个钢管混凝土叠合柱试件进行了偏心受压试验,通过分析荷载-位移曲线、试件各部分的应力应变分布规律研究试件的承载机理和破坏特征;破坏模式可分为三类:小偏心破坏、界限破坏和大偏心破坏;界限破坏特征为纵筋屈服的同时,受压区混凝土破碎。王犇[9]对13 个偏心受压钢管混凝土叠合柱进行了试验,主要考虑了偏心距、钢管的置换系数和纵筋配筋率。试验确定了试件的破坏模式,以受压区混凝土压碎作为试件破坏的标志,同时,受拉纵筋屈服则为大偏心受压破坏,否则为小偏心破坏;试验结果显示随着钢管的置换系数和纵筋配筋率的提高,试件的界限偏压偏心距会增大。安钰丰[10]过有限元仿真探究了配筋RC-SP-RC-C 的偏压受力全过程,指出钢管混凝土叠合柱内部钢管再生混凝土与外部配筋混凝土的应变存在明显差异。
工程水泥基复合材料[11-12](Engineered Cementitious Composites,简称ECC)具有高延性、多裂缝开展等特点。蔡景明[13]将普通混凝土(NC)-钢管-普通混凝土叠合柱(NC-SP-NC-C)的外部配筋普通混凝土置换为配筋ECC,提出了ECC-钢管-普通混凝土叠合柱(ECC-SP-NC-C),并开展了偏压力学性能试验。发现利用ECC替代部分普通混凝土能够提高构件的承载能力和延性,改善NC-SP-NC-C 内外侧变形和受力不协调的问题。
鉴于此,本文将ECC 引入到RAC-SP-RAC-C 中,提出了ECC-SP-RAC-C 构造形式,建立了ECC-SPRAC-C 的三维仿真分析模型,开展了偏压荷载作用下ECC-SP-RAC-C 的力学性能分析,重点探讨了钢管厚度、材料强度和再生粗骨料取代率等对其偏压力学性能的影响。
假定钢管为焊接无缝钢管,考虑到焊接残余应力对钢管整体力学性能影响较小[14],有限元模型不考虑残余应力,其本构模型选择二次流塑模型[15]:
其中,fy为钢εe2=10εe1材的屈服应力;Es为钢材的弹性模量;εe为最大弹性应变εe=0.8fy/Es;εe1=1.5εe;εe3=100εe1;A=0.2fy/Es;B=2Aεe1;C=0.8fy+Aε2e-Bεe。
为了考虑钢管与核心再生混凝土之间的相互作用以及再生混凝土的实际力学性能,利用ABAQUS软件提供的塑性损伤模型,并结合杨有福[16]、孟二从[17]再生混凝土约束系数和再生骨料替代率影响成果,本文选取的核心再生混凝土本构关系表达式如下:
式中,x=ε/ε0;y=σ/σ0;f′c,r=0.8fcu,r;f′c,r为再生混凝土圆柱体抗压强度,弹性模量Ec=4700,泊松比取0.2。
1.3.1 无箍筋约束ECC
无箍筋约束ECC本构采用ABAQUS内提供的混凝土塑性损伤模型模拟,典型的ECC单轴受压和单轴受拉曲线如图1和图2所示。
1.3.2 箍筋约束ECC
借鉴寇佳亮等,程格格等[18-19]对箍筋约束ECC的研究成果,箍筋约束ECC本构模型如下:
式中,x=ε/ε0;y=σ/σ0;E0为ECC初始弹性模量;Ec为峰值点对应的割线模量;Ie代表有效约束指标。
建立的有限元模型如图3所示,ECC-SP-RAC-C由两部分组成,一是外部钢筋增强ECC,二是内部的方钢管再生混凝土。为了增强配筋ECC与钢管再生混凝土之间的协同受力和变形能力,可在钢管与配筋ECC之间设置拉结钢筋,亦或是在钢管外表面设置剪力钉等构造措施,如图4所示。为了模拟实际加载条件,将柱底垫板固结,垫板与钢管绑定。偏压柱上下两端的垫板除加载方向的位移和转角外,其余自由度均被约束,采用位移加载。
图3 有限元模型
图4 构件加固方案示意图
再生混凝土、ECC 壳、垫板及钢管均选用八节点实体单元(C3D8R),钢筋选用两节点桁架单元(T3D2)。钢筋骨架被嵌入到ECC中,钢管与再生混凝土及配筋ECC之间的均设置为面与面接触,允许三者界面之间出现滑移,切向行为采用摩尔-库伦摩擦模型,法向为硬接触。其中,D是核心混凝土的边长,t为钢管厚度。钢管与ECC 壳之间的粘结力也按下式计算。摩擦系数取0.6。钢管与核心混凝土之间的粘结力按下式[20]计算:
本文设计了13 个偏压叠合柱模型(见表1 所示),试件参数有钢管厚度(t)、钢管屈服强度(q)、钢管内/外的ECC/RAC 立方体强度(e/c),再生粗骨料取代率(r)等。叠合柱均为方截面套方钢管叠合柱,偏压柱高2500mm,横截面300mm×300mm。
表1 参数分析工况
3.2.1 叠合柱破坏模式分析
图5 给出了叠合柱承载力下降到85%峰值承载力时的典型破坏模式图。和钢筋混凝土偏压柱类似,叠合柱的偏压破坏也可分为三种偏压破坏形式:小偏压破坏、界限偏压破坏和大偏压破坏。由图6 可知,随着偏心距增大,位移-荷载曲线所表现出的初始刚度和承载力越来越小,延性越来越好。
图5 叠合柱典型破坏模式图
图6 叠合柱的偏压破坏形式
3.2.2 不同钢管屈服强度对叠合柱力学性能的影响
图7 给出了钢管屈服强度对叠合柱偏压荷载-位移曲线和相应的N-M 曲线的影响。从荷载-位移曲线可以看出,偏心荷载下,叠合柱的初始刚度相同,峰值位移略微增加。小偏心荷载下,随着钢管强度从235MPa 提升到420MPa,峰值承载力提高18%,极限弯矩提高20%。而对于大偏心受压柱,峰值荷载提高7%,极限弯矩提高23%。小偏压下,承载力和弯矩近似同比例增加,这说明了提高钢管强度对小偏压试件抵抗竖向变形和弯曲变形都有利,而大偏压下,对抵抗弯曲变形更有利。从N-M 图可知,随着钢管强度增大,峰值荷载和极限弯矩也增大,但随着偏心距增加,弯矩增加幅度保持在20%作用,而峰值荷载增加幅度则逐渐下降到0。钢管强度提高不仅增大了对核心再生混凝土的约束作用,更使得钢管有了更好的抵御变形的能力。
图7 不同钢管屈服强度叠合柱的力学性能
3.2.3 不同钢管厚度对叠合柱力学性能的影响
图8 给出了不同钢管厚度的叠合柱偏压荷载-位移曲线和相应的N-M 曲线。如荷载-位移曲线所示,钢管厚度增加提高了叠合柱初始刚度,各试件同时达到峰值承载力。小偏压下,钢管厚度从4mm 增加到6mm,峰值承载力增加7%,极限弯矩增加6.4%。对于大偏压,峰值荷载提高5%,极限弯矩提高13%。在小偏压下,增加钢管厚度使得峰值承载力和极限弯矩近似同比例增加,而在大偏压下,钢管越厚,极限弯矩提升越明显。通过N-M 图也可看出,随着钢管厚度增加,极限弯矩和峰值承载力在小偏压和大偏压下表现出了不同的特征,小偏压下,三条曲线基本平行,而大偏压下,靠近外侧的曲线呈现出外扩的趋势。钢管厚度的增加会提高其对核心再生混凝土约束作用,核心混凝土的延性就越好。
3.2.4 不同ECC/RAC强度对叠合柱力学性能的影响
图9 和图10 分别给出了不同ECC 和核心RAC 抗压强度下的偏压荷载位移曲线和相应的N-M 曲线。由图9 可知,随着ECC 强度从30MPa 增加到50MPa,试件的偏压承载能力和极限弯矩也相应提高,初始刚度一致,但峰值后延性降低。这是因为ECC 抗压强度越高延性越差,整体协调变形的能力越差。小偏压下,承载力和极限弯矩分别提升21%和7.3%。大偏压下,承载力和极限弯矩提高了8%和12%。这说明当提高ECC 强度对提升叠合柱抵抗竖向变形的作用比提升抵抗弯曲变形的作用大。从图10 可知,随着核心RAC 强度从30MPa 提升到50MPa,试件承载能力提高,但试件的延性下降并不明显。这是因为相同再生粗骨料替代率下的RAC 的强度提高,其变形能力也有提高。初始刚度略微增加,延性基本一致。小偏压下,试件承载力和极限弯矩分别增加10%和14%。大偏压下,承载力基本一致,弯矩略微提高。这说明,提高核心RAC强度有利于抵抗竖向变形,对抵抗弯曲变形作用不大。
图9 不同ECC强度叠合柱的力学性能
图10 不同RAC强度叠合柱的力学性能
3.2.5 不同再生混凝土取代率对叠合柱力学性能的影响
图11 给出了不同再生骨料取代率下的叠合柱偏压位移荷载曲线和N-M 曲线。从图中可以看出,再生粗骨料取代率对叠合注的峰值承载力、延性影响均较小。这是因为再生骨料占比增加虽然会降低其抗压强度,但再生混凝土峰值应变更大会提高钢管再生混凝土的协调变形能力。从N-M 图可以看出,再生混凝土强度的降低主要影响了试件小偏压的承载力能力。强度越大,承载力和极限弯矩越大。但随着偏心距的增加,N-M曲线基本重合,说明叠合柱大偏压性能基本不受再生骨料取代率的影响。
图11 不同再生粗骨料取代率叠合柱的力学性能
本文采用数值方法研究了钢筋增强ECC-方钢管再生混凝土叠合柱偏心受压力学性能受相关参数的影响,主要研究结论如下:
(1)钢筋增强ECC-方钢管再生混凝土叠合柱破坏模式与方钢管再生混凝土叠合柱一致,偏心荷载作用下,试件的破坏模式可分为小偏心破坏、界限偏心破坏和大偏心破坏。
(2)在相同偏心距下,钢管厚度和强度增加可显著提高叠合柱的承载力和极限弯矩。小偏压下,增加钢管强度和钢管厚度使得承载力和极限弯矩近似同比例增加,而大偏压下,极限弯矩增幅远超承载力。
(3)ECC 和核心RAC 强度提高试件的承载能力和极限弯矩均有显著提高。但叠合柱的延性受钢管外ECC 抗压强度变化影响显著,ECC 强度越高叠合柱延性越差,而核心RAC 对试件的延性影响较小。再生骨料替代率增加,试件的承载力降低。