异形钢管再生混凝土柱抗震性能有限元研究与影响因素分析

2017-06-07黄帮友朱凯龚玉云

长江大学学报(自科版) 2017年9期

关键词：轴压延性钢材

黄帮友朱凯龚玉云

(金寨现代产业园区规划建设环保局，安徽六安 237300)(中交二公局第六工程有限公司，陕西西安 710065)(长江大学城市建设学院，湖北荆州 434023)

异形钢管再生混凝土柱抗震性能有限元研究与影响因素分析

黄帮友朱凯龚玉云

(金寨现代产业园区规划建设环保局，安徽六安 237300)(中交二公局第六工程有限公司，陕西西安 710065)(长江大学城市建设学院，湖北荆州 434023)

为研究T形钢管再生混凝土柱在不同影响因素下的滞回性能，以再生骨料取代率为变化参数，进行了3根试件的有限元模拟分析。基于已建立的模型，进行了轴压比、含钢率及钢材强度为参数的有限元分析。根据模拟得到滞回曲线和骨架曲线，分析了设计参数对位移延性系数、承载力、刚度和耗能能力等抗震指标的影响。研究结果表明，T形钢管再生混凝土柱的滞回曲线较为饱满，从梭形逐步发展到弓形；随着再生骨料取代率的增大，柱的极限承载力和塑性变形能力有所下降，但影响较小；随着轴压比的提高，柱的极限承载力减小，延性变差；随着含钢率的增高，柱的水平承载力和变形能力提高；钢材强度的提高对柱的抗震能力起到有益作用；基于结构滞回性能指标的要求，T形钢管再生混凝土柱可用于实际工程的需要。

T形钢管再生混凝土柱；抗震性能；变化参数；有限元分析

钢管混凝土结构是基于钢筋混凝土结构、钢管结构而发展起来的一种新型的钢混组合结构，因其优越的抗震性能在世界各地都得到了广泛的运用。而异形钢管混凝土结构是指将钢管截面做成异形，如L、T、十字形等，再在内部填充混凝土而得到的一种结构形式。异形结构可通过巧妙的布局避免房间出现棱角，增加使用面积，在高层住宅结构中具有广阔的发展前景，但该类结构形式对内部核心混凝土的约束作用较常见的方形、圆形截面柱要复杂。再生混凝土技术[1～3]的兴起可解决大量城市建筑垃圾，将再生混凝土填充至异形截面钢管柱中可形成异形再生混凝土结构。所以，研究该类结构形式的抗震性能对推动该类结构的推广应用具有十分迫切的现实意义。

当前，国内外学者对圆形、方形等常见截面形式的再生钢管混凝土柱及异形钢管混凝土柱进行了大量研究，张向冈等[4，5]、陈宗平等[6]、张锐等[7]、张震等[8]对常见截面形式的圆形、方形钢管再生混凝土柱进行了试验研究。周海军等[9]、林震宇等[10]、张继承等[11]对异形钢管混凝土柱的滞回性能做了试验和理论研究。研究成果较少涉及到T形再生混凝土柱在低周反复荷载下的滞回性能研究，尤其是不同设计参数对T形钢管再生混凝土柱抗震性能指标(如位移延性系数、承载力、刚度和耗能能力等)影响规律的研究尚未检索到有关报道。

为此，笔者基于已完成的有限元分析[12]，定量地分析了不同的变化参数，如再生骨料取代率、轴压比、含钢率及钢材强度等对各项抗震性能指标的影响规律，以期为异形钢管再生混凝土结构的设计及其实际工程中推广应用提供理论参考[13，14]。

图1 T形柱尺寸示意图

1 异形截面柱概况

有限元模拟时，共设计了3根试件，编号分别为试件TZ-1、TZ-2、

TZ-3，其再生骨料取代率分别为0%、50%、100%。T形钢管选取文献[15]的构造模式，即T形钢管是由200mm×100mm×4mm矩形钢管与100mm×100mm×4mm的U形钢板组合，中间采用角焊缝焊接而成。T行钢管内部填充C40混凝土，柱的有效高度为1000mm，设计轴压比为0.4，T形柱尺寸示意图如图1所示。

2 有限元分析结果

选取合适的本构关系和破坏准则后，利用有限元模型对3根试件进行计算，得出3根试件在低周反复荷载下荷载-位移关系曲线，也称滞回曲线，如图2所示。图中，Δ表示位移，P表示荷载。

图2 滞回曲线

由图2可知，对于再生骨料取代率为参数变化的试件TZ-1～TZ-3，其滞回曲线和普通钢管混凝土柱试验得到的滞回曲线相似，且3者滞回曲线相互差别不大，表明再生骨料取代率对柱滞回曲线影响不大，进而表现为再生骨料取代率对柱抗震性能影响较小。各试件的滞回曲线都比较饱满，对称性好，无捏缩现象。滞回环形状从梭形逐步发展到弓形，耗能能力好，表现出较好的稳定性。

3 设计参数影响分析

定量分析各设计参数对位移延性系数、特征点承载力、特征点刚度的影响，因试件承载力下降至极限荷载的85%视为已破坏，故破坏点承载力均一致，即不予分析。仅分析设计参数对屈服和极限承载力的影响，设计参数轴压比、含钢率和钢材强度分析均是建立在再生骨料取代率为50%的基础上。

3.1 再生骨料取代率

1)取代率对位移延性系数的影响 T形柱在不同再生骨料取代率下的位移延性系数如图3所示，由图3可知，所选的再生骨料取代率0%、50%、100%范围内,各试件的位移延性系数在3.18～3.36。其中取代率为0%的试件TZ-1位移延性系数最大，随着再生骨料取代率的增大，其位移延性系数逐渐下降，降幅有5.36%，降幅较小，说明位移延性系数随着再生骨料取代率的增加变化不明显。基于结构对延性的要求指标而言，3根异形柱的位移延性系数均大于3.0，满足要求，表明不同再生骨料取代率下的T形截面钢管再生混凝土柱均可用于承重结构中。

2)取代率对特征点承载力影响 T形柱承载力随再生骨料取代率的变化情况如图4所示，由图4可知，随着再生骨料取代率的增加，相对于试件TZ-1，T形柱屈服时TZ-2和TZ-3承载力变化幅度分别为1.77%和5.03%，到达极限承载力时变化幅度分别为5.89%和10.99%。总体看来，变化幅度不大，说明不同再生骨料取代率下T形柱特征点承载力表现稳定，无明显突变异常。同试件TZ-1相比，TZ-2、TZ-3特征点承载力较之有轻微下降，但下降幅度较小。从实际工程角度来看，试件TZ-2极限承载力较试件TZ-1下降了5.89%，接近工程上对误差的容许范围5%。因此，50%再生骨料取代率下T形钢管再生混凝土柱可做为框架结构的承重柱。

图3 位移延性系数μ随取代率的变化情况图4 承载力随取代率的变化情况

3)取代率对特征点等效黏滞阻尼系数的影响采用等效黏滞阻尼系数he来评估T形柱耗能能力，各试件在不同阶段的等效黏滞阻尼系数he随取代率变化情况如图5所示。

由图5可知，试件TZ-1、TZ-2、TZ-3在屈服点时的等效黏滞阻尼系数分别为0.161、0.145、0.132，在峰值点时分别为0.252、0.235、0.221，破坏点时分别为0.481、0.472、0.461。随着再生骨料取代率的变化，T形柱在不同阶段的等效黏滞阻尼系数he变化幅度极小，说明增加再生骨料对T形柱耗能能力不产生明显的影响。试件TZ-1～TZ-3破坏时的等效黏滞阻尼系数在0.461～0.481，远高于钢筋混凝土柱及型钢混凝土柱破坏时所能达到的等效黏滞阻尼系数。基于实际工程中对结构耗能能力的需求，不同再生骨料取代率下T形截面钢管再生混凝土柱可以满足实际工程的需要，能在实际工程中予以运用。

4)取代率对刚度的影响选取屈服、极限、破坏阶段为研究对象，用割线刚度来描述各试件在不同阶段的刚度值，刚度随取代率的变化情况如图6所示。由图6可知，相对于试件TZ-1，随着再生骨料取代率的提高，试件TZ-2、TZ-3在屈服点的刚度分别提高3.65%、7.62%，在峰值点的刚度分别提高-5.85%、-10.58%，在破坏点的刚度分别提高-5.66%、2.22%。所有变化幅度均较小，不同阶段刚度对再生骨料取代率并不敏感。从实际工程角度来看，基于刚度需求，不同再生骨料取代率下的T形钢管再生混凝土柱可以在实际工程中使用。

图5 等效黏滞阻尼系数he随取代率的变化情况图6 刚度随取代率的变化情况

3.2 轴压比

1)轴压比对位移延性系数的影响轴压比对位移延性系数的影响情况如图7所示，由图7可知，轴压比从0.4增加到0.6，位移延性系数从3.26下降至3.01，说明随着轴压比的提高，T形柱的延性性能逐渐下降，但下降幅度较小，最大降幅仅7.67%，且位移延性系数均大于3.0，满足结构抗震设防对延性的需求。因此，在现有的轴压比变化范围内，位移延性系数随着轴压比的提高，变化不大，略有下降。

2)轴压比对特征点承载力的影响承载力随轴压比变化情况如图8所示，由图8可知，相对于轴压比0.4的试件，轴压比0.5、0.6的试件屈服荷载较之上升了2.31%、6.67%，极限荷载较之下降了4.25%、7.72%。轴压比对试件屈服时承载力影响不显著，但对极限承载力影响较为明显。随着轴压比的增大，试件极限承载力随之减小。造成这种现象的原因可能是由于轴压比越大，二阶效应越明显，其损伤加剧，导致承载力下降较快。

图7 位移延性系数μ随轴压比的变化情况图8 承载力随轴压比的变化情况

3)轴压比对特征点刚度的影响刚度随轴压比的变化情况如图9所示，由图9可知，相对于轴压比最小为0.4的试件TZ-1，轴压比分别为0.5、0.6的试件TZ-2、TZ-3在不同阶段的刚度均较试件TZ-1有所下降。其中，试件TZ-2在屈服点、峰值点时刚度较试件TZ-1下降了1.99%、4.76%，试件TZ-3在屈服点、峰值点时刚度较试件TZ-1下降了3.84%、3.89%。从总体上看来，随着轴压比的提升，特征点刚度逐渐降低，刚度随着轴压比的变化而表现的略微敏感。

3.3 含钢率

1)含钢率对位移延性系数的影响不同钢管壁厚对应着不同的含钢率，位移延性系数随钢管壁厚变化情况如图10所示，从图10可知，当壁厚分别为4、5、6mm时，其位移延性系数相差较小，基本接近。说明在现有壁厚变化范围内，因为壁厚增大而带来的位移延性系数的提高并不明显。这主要是因为壁厚越大，试件屈服位移增大，而破坏位移增加不明显所导致，且壁厚越大的试件后期变形能力并非很突出。但3者位移延性系数都大于3.0，说明在研究的壁厚范围内，其延性性能满足结构的要求。

图9 刚度随轴压比的变化情况图10 位移延性系数μ随壁厚的变化情况

2)含钢率对特征点承载力的影响不同壁厚下对特征点承载力影响情况如图11所示，由图11可知，壁厚为5、6mm的试件在屈服点承载力较壁厚4mm的试件分别提高了23.42%、48.03%，在峰值点承载力较壁厚4mm试件分别提高了21.35%、44.94%。可见，随着含钢率的增大，试件在不同阶段的承载力也随之大幅度提高。这是因为钢管越厚，对内部核心混凝土约束作用越强，组合结构能更好发挥其受力性能，故其承载力提高程度更大。

3)含钢率对特征点刚度的影响不同壁厚下对特征点刚度影响情况如图12所示，由图12可知，相对于壁厚4mm的试件，壁厚5、6mm的试件在屈服点的刚度分别提高了14.53%、27.38%，在峰值点分别提高了20.85%、43.70%，在破坏点分别提高了14.07%、22.34%，说明壁厚的优势在试件不同阶段都得到了体现。需要注意的是，破坏点的刚度在峰值点之后下降十分明显，这是因为在加载后期，试件接近破坏时，钢管和核心混凝土产生分离，钢管鼓曲变形严重，壁厚优势丧失，故试件破坏时，刚度有大幅度降低。

图11 承载力随含钢率的变化情况图12 刚度随含钢率的变化情况

3.4 钢材强度

图13 位移延性系数μ随钢材强度的变化情况

1)钢材强度对位移延性系数的影响不同钢材强度对位移延性系数的影响如图13所示，由图13可知，钢材等级Q345、Q390试件较Q235试件的位移延性系数分别提高了5.83%、11.04%，即随着钢材等级的提高，位移延性系数也随之提高，钢材等级越高，提高程度越大。这是因为钢材等级越高，其屈服强度越大，钢管对核心混凝土的约束作用越强，其组合整体具有更好的协同工作能力。

2)钢材强度对特征点承载力的影响不同阶段承载力随钢材强度的变化情况如图14所示，由图14可知，随着钢材强度的提升，试件在屈服、峰值、破坏阶段的承载力都随之提高。其中，钢材等级Q345、Q390试件承载力较钢材等级Q235在屈服点分别提高了12.51%、27.46%，在峰值点分别提高了15.17%、31.23%。且钢材强度越大，承载力提升程度越大，这主要还是得益于其强度越大，约束作用越大。

3)钢材强度对特征点刚度影响试件在不同阶段的刚度随钢材强度的变化情况如图15所示，由图15可见，钢材等级Q345、Q390试件刚度较钢材等级Q235在屈服点分别提高了5.68%、14.76%，在峰值点分别提高了14.70%、27.43%，在破坏点分别提高了2.23%、3.40%。即随着钢材等级的提高，试件的刚度也逐渐增大，但增加幅度各不相同。其中，在屈服点和峰值点时增加较为明显，在破坏点时增加幅度很小。

图14 承载力随钢材强度的变化情况图15 刚度随钢材强度的变化情况

4 结论

以再生骨料取代率为变化参数，选取0%、50%、100%这3种不同的取代率下的T形截面钢管再生混凝土柱进行了基于有限元的模拟分析。再在已建立模型的基础上，改变设计参数，研究了轴压比、含钢率、钢材强度对抗震性能的影响，得到了这4种设计参数对T形柱承载力、延性、刚度等抗震性能指标的影响规律。

1)T形钢管再生混凝土柱在不同再生骨料取代率下的滞回曲线均十分饱满，无明显捏缩现象，从梭形逐步发展到弓形，稳定性能好。

2)不同再生骨料取代率对试件的位移延性系数、承载力、刚度及耗能能力影响不大，说明不同再生骨料取代率对T形钢管再生混凝土柱的抗震性能影响很小。基于抗震性能指标的要求，将T形钢管再生混凝土柱用于工程中承重结构是可靠和有效的。

3)轴压比的提高对T形钢管再生混凝土柱极限荷载过后的承载力下降过程影响较明显，轴压比的提高对极限承载力和延性不利；含钢率的优势在延性上表现不明显，但对承载力的提高影响显著；钢材强度提高对T形柱承载力和延性性能有益，含钢率和钢材强度的提高能提升T形柱的抗震性能。

4)基于抗震性能设计的需求，T形钢管再生混凝土柱各项抗震性能指标都满足要求，其抗震性能优越，可在抗震设防区推广使用。

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