大长宽比钢骨混凝土短柱腹板栓钉配置数值模拟

2016-09-14张春雷王初翀唐丽娜

四川建筑 2016年4期

关键词：栓钉钢骨腹板

张春雷，王初翀，唐丽娜

(四川省建筑设计研究院，四川成都 610000)

大长宽比钢骨混凝土短柱腹板栓钉配置数值模拟

张春雷，王初翀，唐丽娜

(四川省建筑设计研究院，四川成都 610000)

采用Abaqus有限元分析软件对某工程大长宽比钢骨混凝土短柱腹板栓钉配置进行数值模拟。选择钢骨腹板两侧不同栓钉构造方式的大长宽比钢骨混凝土短柱，对数值模拟结果进行分析，得到大长宽比钢骨混凝土短柱腹板栓钉布置的依据。为大长宽比钢骨混凝土短柱的栓钉设置提供一定的参考依据。

Abaqus；大长宽比；钢骨混凝土；短柱；栓钉；数值模拟

1　问题的提出

国内高层、超高层建筑结构大量使用钢骨混凝土柱，并且在实际工程实践中，钢骨混凝土柱常在某一方向上的尺寸受到限制，出现大长宽比矩形截面钢骨混凝土柱，柱中也常采用大长宽比的钢骨，导致长方向无侧向钢板约束的钢骨腹板较长，实际工程中为保证钢骨与混凝土有效协同工作，常在钢骨腹板两侧布置栓钉。然而，《高层建筑混凝土结构技术规程》仅对房屋的底层、顶层、钢骨柱与钢筋混凝土柱过渡层中的钢骨提出了设置栓钉的要求；《钢骨混凝土结构技术规程》仅对柱脚、过渡层、钢骨与混凝土间传力较大部位提出了设置栓钉的要求。两本规程均未对大长宽比钢骨无侧向约束较长的钢板是否需要层层设置栓钉、以及栓钉间距如何设置做出明确规定。

但是，《钢骨混凝土结构技术规程》中关于钢骨混凝土柱承载力计算均按钢骨部分和钢筋混凝土部分分别计算，并未考虑钢骨和钢筋混凝土界面的不同。是否可以据此猜想：对于这种大长宽比钢骨无侧向约束较长的钢板如果不布置栓钉，其承载力仍然可以满足规程的要求；钢骨腹板两侧栓钉布置的疏密对钢骨混凝土柱抗震性能没有影响。因此，本文针对上述两个问题，采用Abaqus有限元分析软件对钢骨腹板采用不同栓钉布置方案的大长宽比钢骨混凝土短柱的非线性行为进行数值模拟，对比研究钢骨腹板布置和不布置栓钉对钢骨混凝土柱承载力的影响、以及研究钢骨腹板布置栓钉的间距对钢骨混凝土柱承载力的影响。

Abaqus有限元分析软件在求解非线性问题时具有非常明显的优势，计算精度可靠，计算效率很高；其求解器是智能化的求解器，可以解决其它软件不收敛的非线性问题；拥有一个丰富的材料模型库和单元库，除了许多常用的材料和单元，还包括为特殊应用而开发的材料和单元，提供极大的建模便利。本文选择的Abaqus有限元分析软件能很好地平衡计算精度与效率、收敛性、材料本构较少这些有限元分析较为常见的问题。

本文主要是应用Abaqus有限元软件对钢骨腹板采用不同栓钉布置方案的大长宽比钢骨混凝土短柱的非线性行为进行数值模拟，并根据分析结果对这类构件的栓钉设计给出建议。

2　Abaqus有限元软件介绍

Abaqus是一套功能强大的工程模拟有限元软件，其解决的问题从线性分析到复杂的非线性问题。Abaqus包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，并拥有各种类型的材料模型库。作为通用的模拟工具，Abaqus能解决大量建筑结构工程问题。目前，该程序较好地模拟了包括钢筋混凝土结构、钢结构、钢骨混凝土结构的复杂建筑工程和试验项目，证明其具有较好的非线性数值模拟精度。

2.1混凝土的本构关系

Abaqus中提供了3种混凝土本构模型：(1)损伤塑性模型(Plasticity damage)，(2)弥散开裂模型(Smeared crack)，(3)脆性开裂模型(Brittle cracking)。本文采用混凝土损伤塑性模型来模拟混凝土材料的本构关系，损伤塑性模型适用于模拟构件在往复荷载作用下混凝土材料的本构关系，并且能够考虑材料在往复荷载作用下的损伤、裂缝开展、裂缝闭合及刚度恢复等行为。

本文混凝土应力-应变曲线采用《混凝土结构设计规范》附录C.2.3～C.2.4中的公式描述。混凝土损伤塑性模型中，分别用受拉损伤因子和受压损伤因子来模拟由损伤引起的弹性刚度退化。其滞回准则由损伤因子d和损伤恢复系数w共同决定。其中损伤因子d是应力状态和损伤演化参数dc和dt的函数。目前，关于混凝土损伤塑性模型中损伤因子的计算方法已有较多的研究，本文采用ABAQUS用户手册中提供的损伤因子计算模型：

(1)

式中：st，sc为应力状态的刚度恢复函数，由以下方程定义：

(2)

(3)

拉伸损伤恢复系数wt和压缩损伤恢复系数wc的值为1时，表示损伤后刚度完全恢复；值为0时表示损伤后刚度不能恢复。

假定混凝土材料的非弹性应变εin中塑性应变εpl所占的比例为β，可求得损伤因子dk的计算公式：

(4)

式中：t，c分别代表拉伸和压缩；β为塑性应变与非弹性应变的比例系数，受压时取0.35～0.7，受拉时取0.5～0.95；εin为混凝土拉压情况下的非弹性阶段应变。

2.2钢材的本构关系

钢材的应力-应变关系采用理想二折线模型，按下列公式确定：

(5)

式中：fy,r为钢材的屈服强度代表值，其值可根据实际结构分析需要分别取fy、fyk或fym；

fst,r为钢材的极限强度代表值，其值可根据实际结构分析需要分别取fst、fstk或fstm；

εy为与fy,r相应的钢材屈服应变，可取fy,r/Es；

εu为与fst,r相应的钢筋峰值应变；

k为钢材硬化段斜率，k=(fst,r-fy,r)/(εu-εy)。

2.3单元类型选择

Abaqus为用户提供了大量的单元类型，可根据模型的实际情况和分析需要来选择合适的单元类型进行计算。本次模型，混凝土单元与钢骨单元类型均选择为八结点线性六面体减缩积分单元，即C3D8R；钢筋的单元类型选择为二结点线性三维桁架单元，即T3D2。

3　不同栓钉布置方案的大长宽比钢骨混凝土短柱的数值模拟

3.1模拟试件

本文选择了3个大长宽比钢骨混凝土短柱试件作为模拟对象，来考察相同条件下钢骨腹板两侧不同栓钉配置的大长宽比钢骨混凝土短柱的数值模拟效果。这3个构件的详细参数见表1所示。

表1　试件设计参数

3.2滞回曲线和骨架曲线

根据上述材料参数，各试件低周反复荷载作用下的滞回曲线和骨架曲线如图1所示。

各试件低周反复荷载作用下的滞回曲线和骨架曲线对比如图1所示。由图1可以看出，所有构件的滞回曲线都呈饱满的梭形，表明均具有良好的抗震性能。均在位移荷载加载至10～15 mm后承载力开始下降。

3.3抗剪承载力

将Abaqus计算所得的各试件侧向承载力进行对比，如表2所示。

表2　各试件数值模拟极限承载力对比　kN

从表2可以看出，模拟试件2的抗剪承载力最高。分析原因，可能是对于短柱，构件剪切变形占主导地位，在加载初期混凝土与钢骨之间相对滑移很小，栓钉能够较好地限制混凝土与钢骨之间的滑移，随着加载位移增大和混凝土裂缝开展，栓钉的存在不但没有能够有效地抑制裂缝开展，反而是裂缝充分发展。栓钉间距越密，钢骨腹板表面与混凝土之间的削弱反而越严重，伴随着接触面裂缝的开展，这部分混凝土损伤加重，有效抗剪面积反而减少，导致其抗剪承载力随着栓钉间距加密反而降低。

3.4塑性变形能力

3.4.1延性

各个试件数值模拟结果如表3所示。