部分预制UHPC方形叠合柱轴压性能数值模拟分析

何敏秀，徐其功

（1、广东省建科建筑设计院有限公司 广州 510010；2、广东省广建设计集团有限公司 广州 510010）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，简称“UHPC”）是一种具有卓越性能的新型建筑材料，UHPC 与普通混凝土对比，具有超高的抗压强度、极佳的耐久性与韧性［1-2］。近年来，由于其优异的性能，可以有效减轻结构重量、缩减结构尺寸、降低造价、节省资源，UHPC在桥梁、建筑和结构工程、加固工程等领域得到了广泛的应用［3-5］。随着建筑结构的不断发展和创新，越来越多的建筑项目开始采用UHPC作为主要结构材料，尤其是在装配式建筑中，以满足对结构强度和耐久性的要求。

一些学者对超高性能混凝土柱力学性能开展了相关研究，王中强等人［6］对3 个不同UHPC 加固厚度钢筋混凝土圆形柱进行了轴压模拟，加固后的钢筋混凝土柱的承载力得到了有效提高；周建庭等人［7］对4 组不同壁厚的UHPC 方形中空短柱进行轴压试验，得出各试件的破坏特征以及壁厚对承载力的影响；黄卿维等人［8］对一种配筋的圆管UHPC 与普通混凝土芯柱组成的短圆柱进行了轴压受力研究，并提出了承载力计算方法。

然而，对预制UHPC 方管作为外壳的方形叠合柱结构的力学性能研究还相对较少。因此，本文提出了一种部分预制UHPC 方形叠合柱［9］，为了解此柱在轴压作用下的基本受力状态及性能表现，运用Abaqus2021 软件建立适当的模型开展了不同参数对其承载力的影响，为进一步研究UHPC 叠合结构的设计和应用提供依据。

1 部分预制UHPC方形叠合柱

目前预制柱规格的选择难以做到标准化，为提高竖向构件生产标准化，降低造价，提出了一种新型的部分预制UHPC 方形叠合柱（见图1），由配置了纵筋和箍筋的预制UHPC 方管和现浇核芯混凝土组成，同时，现浇核芯混凝土部分设置了一定数量纵筋和箍筋并绑扎形成钢筋骨架，两端纵筋不通长，预制UHPC方管的钢筋不伸出端面，方管可充当模板使用同时协同核芯混凝土共同受力，实际连接时，取消套筒连接，由核芯混凝土区域的钢筋骨架穿过节点区实现上柱与下柱的连接。在本研究中部分预制UHPC方形叠合柱所有试件的长度均为1 500 mm，全截面均为尺寸均为400 mm×400 mm，核芯纵筋长度两端均为500 mm，所有钢筋的型号采用HRB400 级钢筋，UHPC 混凝土强度等级采用C120，现浇混凝土采用普通混凝土。

图1 部分预制UHPC方形叠合柱Fig.1 Partially Prefabricated UHPC Square Composite Column （mm）

2 有限元模型

2.1 模型建立

部分预制UHPC方形叠合柱的性能和承载力受多种因素的影响，为了准确分析叠合柱在轴压作用下受不同参数影响的基本受力性能、变形模式和破坏机制，建立了13 个模型，每个模型采用分离式建模，后通过装配组成整体构件，有限元模型以PUC1 示意，如图2所示。其中PUC1、PUC2、PUC3 为核芯混凝土强度等级不同的模型，以PUC1 作为基本模型，分别建立PUC4、PUC5 方管壁厚不同，PUC6、PUC7 方管箍筋间距不同，PUC8、PUC9 核芯箍筋间距不同，PUC10、PUC11核芯箍筋直径不同，PUC12、PUC13核芯纵筋直径不同的模型，具体试件信息如表1所示。

表1 试件信息Tab.1 Specimen Information

图2 有限元模型Fig.2 Finite Element Mode

2.2 混凝土和钢筋的本构关系

模型中有3 种材料需要定义属性：UHPC、普通混凝土、钢筋。在Abaqus中混凝土的属性设置采用CDP模型，该模型通过定义混凝土的受拉和受压特征来确定混凝土力学性能。UHPC 的受压应力-应变关系采用杨剑等人［10］提出的受压本构关系；核芯区的混凝土受压本构关系采用MANDER 等人［11］提出的Mander约束混凝土本构关系，CDP 模型中的损伤因子采用能量等价原理［12］计算；钢筋采用双折线本构模型。

2.3 相互作用

叠合式构件必然会存在新旧混凝土的接触面，接触面处理的目的是模拟不同部分之间的接触和相互作用，以更真实地反映结构的力学行为。因此，在本研究的模型中预制方管与核芯混凝土之间的相互作用属性采用库伦摩擦准则模拟，切向行为采用摩擦公式“罚函数”，摩擦系数取0.6［13］，法向行为设置为“硬”接触，通过“硬”接触传递压力，使得接触面之间没有穿透行为，接触对脱离时也不产生拉力。钢筋采用内嵌区域方法，不考虑与混凝土粘结滑移的影响。

2.4 荷载与边界条件

对于轴压性能分析来说，主要需要定义柱体底部的固定边界条件和柱体顶部的加载边界条件，首先在柱底中心向下偏移50 mm 布置参考点RP1，并将该点耦合到柱底面，对耦合点施加6 个自由度方向完全固定的约束边界条件，即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0；然后在柱顶中心向上50 mm 距离处布置参考点RP2并将其耦合到整个柱顶面，采用位移加载控制的方法施加荷载，即对RP2 耦合点进行轴向位移加载控制，施加总位移量为15 mm。

2.5 网格划分和单元类型

使用合适的网格划分和单元类型，可以保证模型的精度和可靠性。本研究中预制方管和现浇核芯混凝土均采用C3D8R单元，该单元类型具有较好的收敛性和稳定性，能够较准确地模拟混凝土的行为，钢筋采用两结点线性三维桁架单元T3D2；预制UHPC方管网格尺寸为25 mm，方形螺旋箍筋和纵筋网格尺寸均为25 mm；现浇核芯混凝土网格尺寸为30 mm，现浇区域的钢筋笼网格尺寸为30 mm。

3 有限元计算结果

3.1 荷载-位移曲线

根据有限元分析结果，绘制得到了各模型在轴压作用下的荷载-位移曲线，如图3 所示，各试件的位移-荷载曲线变化趋势基本一致，各试件的峰值承载力和峰值位移如表2 所示。根据结果可知，各试件在加载初期，荷载随着位移量的增加呈线性增长，此时试件处于弹性阶段，随后过了屈服荷载，进入塑性阶段，开始呈非线性增长，增长到一个最高点-峰值点，即试件达到峰值荷载，过了峰值点，部分UHPC 开始退出工作，曲线开始下降且下降段较陡，表明UHPC具有一定脆性破坏的特征，当下降到一定值时，曲线开始进入一段平缓段，核芯区的混凝土继续承载，破坏后的试件还具有一定的残余变形能力，表明构件仍具有一定的延性。

表2 峰值承载力及峰值位移Tab.2 Peak Bearing Capacity and Peak Displacement

图3 各试件的荷载-位移曲线Fig.3 Load-Displacement Curves for Each Specimen

3.2 参数分析

3.2.1 核芯混凝土的影响

从表2 中PUC1、PUC2、PUC3 的结果可以看出，随着混凝土强度增高，峰值承载力越高，极限位移越小，PUC2 的峰值承载力比PUC1 提高了7.85%，PUC3 的峰值承载力比PUC2 提高了8.02%。另一方面，图3 的曲线显示，核芯混凝土强度越高，曲线下降得越突然，过了峰值点随着曲线的下降，核芯混凝土强度越高的构件，承载力反而越低，这可能是当混凝土强度越高时，特别是PUC3 核芯为C60 等级，裂缝的形成使构件局部强度变低及高强混凝土脆性更大，导致承载力越低。

3.2.2 方管壁厚

对于城镇居民对厕纸的处理方式通常分为两种，投入马桶，最终进入水体和丢进纸篓形成固废[5-7].采用调查问卷的方式，了解当前普通居民的厕纸处理方式，同时调查居民选择不同的厕纸处理方式的考虑因素.抽样调查辽宁科技大学在校学生和鞍山市不同地区的居民，以及采用网上调查(QQ、微信、公共平台、论坛等)方式抽样调查全国各地的居民.

从表2 中PUC1、PUC4、PUC5 的结果可以看出，随着方管的壁厚越厚，承载力就越高，PUC4 和PUC5 的峰值承载力分别比PUC1 提高了6.80%、7.87%，与受核芯混凝土强度试件不同的是，荷载达到峰值后，曲线的下降段没有那么突然。

3.2.3 方管箍筋间距

从表2 中PUC1、PUC6、PUC7 的结果可以看箍筋的密度与峰值承载力之间存在正相关关系，PUC6 相较于PUC1 提高了1.56%，而PUC7 相较于PUC6 提高了1.23%。且箍筋的间距比核芯区箍筋的间距更小的试件延性更好，箍筋的加密可以为核芯混凝土提供更多约束力，有助于提高峰值承载力，且构件具有更好的延性能力。

3.2.4 核芯箍筋间距

根据表2 中PUC1、PUC8、PUC9 的峰结果可以明显看出，核芯区箍筋的间距密度并不是越高就一定导致峰值承载力越高。事实上，间距为100 mm 的PUC8模型的峰值承载力相较于间距为75 mm 的PUC1 模型，反而提高了0.7%，这种现象的主要原因在于方管的箍筋间距和核芯区的箍筋间距刚好重合，双重约束，从而为核芯混凝土提供了更多有效的横向约束力。因此，在设计时，应尽量确保预制方管的箍筋与核芯区的箍筋间在同一个截面或者方管的箍筋间距小于核芯区箍筋的间距，以实现更好的性能表现。

3.2.5 核芯区箍筋直径

从表2 中PUC1、PUC10、PUC11 的结果可以明显观察到箍筋的直径大小对峰值承载力几乎没有显著的影响。且从图3 可以观察到当这3 个模型的位移-荷载曲线在进入平缓段时，它们的承载力几乎相等。因此，在设计时，应该优先考虑其他因素，以确保柱子的性能和承载能力满足设计要求。

从表2 中PUC1、PUC11、PUC12 的结果可以看出，核芯纵筋的直径增大似乎反而导致峰值承载力降低，但影响不显著。具体来说，直径为22 mm 的PUC12 相较于直径为20 mm的PUC1峰值承载力下降了0.78%，而PUC1与直径为18 mm 的PUC13相比峰值承载力也下降了0.78%。这种情况可能是由于在增加核芯纵筋直径时，影响柱子的弯曲行为，导致应力分布发生变化，承载力降低，若要找出承载力降低的确切原因，仍需进行下一步分析。另一方面，由图3 可知，与PUC10、PUC11 模型一样，当承载力降至某个点时，位移-荷载曲线进入一个平缓段，此时剩余承载力几乎相等。

3.3 破坏形态

在受到轴向压力作用下，各个试件的破坏形态表现出基本一致的破坏特征，在整个受压过程中，预制UHPC 方管中部损伤及核芯区损伤最为严重，预制UHPC 方管破坏呈X状，且受压后微微外鼓，钢筋也进入了屈服状态。本文以PUC1的破坏形态云图为例进行示意，如图4所示。

图4 破坏形态Fig.4 Destructive Form

4 结论

根据以上的分析，可以得出以下主要结论：

⑴核芯现浇混凝土强度等级的提高和预制UHPC 方管壁厚的增加对柱子的承载力影响最显著。相对于提高核芯混凝土强度等级，增加UHPC 壁厚更有利于改善方形叠合柱的力学性能。

⑵预制方管箍筋的密度与承载能力呈正相关，但核芯区箍筋的间距并不一定导致峰值承载力的增加；预制方管的箍筋间距小于核芯区箍筋的间距，或者预制方管的箍筋与核芯区的箍筋在同一截面更有助于约束核芯混凝土，从而改善柱子的承载能力和延性。

⑶核芯区箍筋的直径大小对柱子的承载能力几乎没有影响，而核芯区纵筋的直径增加会降低构件的承载能力。

然而，为深入了解这种新型叠合柱结构的力学性能，更进一步的分析和研究是很有必要的。