L 形钢管混凝土组合柱有限元分析

2012-11-05郭翔

山西建筑 2012年2期

郭翔

异形钢管混凝土组合柱由异形钢筋混凝土组合柱和钢管混凝土柱发展而来，其具有抗压承载力高、塑性和韧性好、耐火性好等优点。它的应用可以满足高层和超高层建筑对大跨度以及重载的要求，不仅弥补了异形钢筋混凝土承载力不足的缺陷，还避免了废梁废柱以及房间出现棱角等，适合建筑布局，增大建筑使用面积［1］。异形钢管混凝土组合柱常见的形式有三种，即十字形、T形和L形。本文主要针对异形柱中的L形柱进行研究，利用有限元软件ABAQUS模拟试件，对三个不同钢管直径的L形钢管混凝土组合柱进行轴心压力作用下的受力性能分析。

1 试件截面尺寸

本文取核心钢管直径分别为89 mm，108 mm和133 mm，壁厚均为4 mm，建立三种钢管直径大小不同的L形钢管自密实混凝土组合柱，试件外包截面尺寸为300 mm×300 mm，肢宽150 mm，肢长75 mm，柱高度均为900 mm。纵向钢筋与水平箍筋均采用HPB235级钢筋，其中纵向钢筋直径10 mm，水平箍筋直径8 mm。三种试件的截面尺寸示意图如图1所示。

图1 试件尺寸

2 材料的本构关系

1)混凝土的应力—应变本构关系模型。外部自密实混凝土的应力—应变本构关系模型采用胡琼《自密实混凝土基本力学性能试验研究》中的本构关系模型［2］，如图2所示。

图2 钢管外混凝土的本构关系图

2)核心混凝土的本构关系。核心混凝土采用韩林海提出的圆钢管核心混凝土的应力—应变关系模型［3］，如图3所示。

3)钢材的本构关系。本文纵筋、箍筋和钢管均采用多折线性随动强化模型(MKIN)，如图4所示。泊松比均为0.25。钢材受拉超过屈服平台后进入强化段，强化段简化为直线，屈服平台对应的最大应变即假设为εs=4εy。

图3 核心混凝土的本构关系图

图4 钢材的本构关系图

3 有限元模拟的确定

为了能够使计算收敛，本分析中的Time period为0.1;Nlgeom为 on;Maximum number of increments为 100;Initial为0.001;Minimum为1E－005;Maximum为0.1。

图5 钢管应力云图

图6 变形图

结合试验中试件的实际约束边界及加载方式，将柱底混凝土节点的3个平动自由度和3个转动自由度全部约束。加载方式采用静力加载方案，根据轴压比推算出轴向压力，先在柱顶施加轴向压力，并在下一步施加侧向力的过程中保持压力值不变。轴向压力通过对柱顶面施加均匀面荷载实现，这与试验过程轴向压力加载方式完全相同。然后在柱顶单调加载，水平荷载直接施加在柱顶的单个节点会出现局部应力集中，且运算不收敛。因此，在水平位移施加之前，对柱顶所有节点耦合水平加载方向的平动自由度。加载过程仅对耦合后的主节点位移加载，这种加载形式能够很好避免应力集中，且操作简便。

4 结果分析

图5为钢管的应力云图，从云图上可以看出，钢管的应力分布为柱身中部处最大，荷载由柱端向柱身中部传递，试件破坏最大的部位为柱身中部处。可以看出，钢管中间截面变形凸出，钢管在柱身中部处体积增大，而钢管在荷载作用下的长度明显的变小，说明钢管此时产生了纵向与环向变形，柱身中部处的变形最大。

荷载作用下钢管核心混凝土与外部混凝土及核心混凝土的破坏形态与钢管基本一致，同样是在柱身中部处应力最大，此处产生的变形也为最大，混凝土向外鼓曲，中间截面的体积明显增大，如图6所示。

图7 三种试件的荷载—位移曲线

比较三种试件的承载力与纵向位移的数值，并绘制成荷载—位移曲线，如图7所示。

从图7可以看出，三种试件的荷载—位移曲线的形状大致相同，其达到峰值荷载时所对应的位移基本相同，但试件的承载力却不相同。从图7中可以得到YZ-L133的承载力最大，为2 858.5 kN;YZ-L108 次之，为2 755.7 kN;而 YZ-L89 最小，为2 699.0 kN。

通过荷载—位移曲线可以看出，三种试件在施加荷载的初期，曲线均为直线上升趋势增长，且三条曲线基本重合，材料处于弹性变化范围内。当荷载施加到试件的极限承载力时，试件的荷载—位移曲线开始下降，说明此时试件已经出现破坏，承载力降低，试件材料开始屈服，进入了弹塑性阶段。从各曲线下降段的斜率看，试件YZ-L89的斜率较大，曲线的下降段较陡，而试件YZL108的次之，较YZ-L89的缓，而YZ-L133的曲线下降段趋于平直线。以上可以定性的说明试件延性性能的大小，相比之下，试件YZ-L89的延性最差，当荷载达到极限荷载之后，曲线立即下降，下降的趋势和速度最大，而另外两种试件的延性要好于YZ-L89。