圆端形钢管混凝土构件的剪切力学性能研究

2020-07-03游经团

福建建筑 2020年6期

游经团

(平潭综合实验区土地开发集团有限公司福建平潭 350400)

1 研究背景

图1给出了本文研究对象的横截面示意图，其中B和H分别为钢管截面的短轴和长轴，t为外钢管厚度。该类构件线形优美，具备良好抗震性能、较高的承载力[1]，可采用圆端形截面桥墩来弥补横桥向刚度远小于顺桥向刚度的缺点[2]。该类型构件已应用于实际工程当中，如武汉市后湖斜拉桥的主塔柱[3]。

越来越多研究人员开始关注该类构件的相关力学性能，文献[2]、[4-8]开展了该类型短柱在轴压及偏压载作用下的试验研究及有限元分析；文献[3]采用ABAQUS软件分析了圆端形钢管混土受扭力学性能；文献[9]对偏压状态下的圆端形钢管混凝土长柱稳定问题进行了数值分析；文献[10]结合力学测试和有限元软件分析了圆端形钢管混凝土柱在纯弯和偏压状态下的力学性能。目前对于该类型构件的研究主要集中在轴压、偏压及纯弯性能，实际桥梁及市政工程中的圆端形钢管混凝土桥墩，有可能遭遇轮船、汽车的撞击或者地震荷载等剪力作用，因此有必要进一步开展圆端形钢管混凝土构件在剪切荷载状态下的受力性能研究。

基于此，本文首先建立了圆端形钢管混凝土构件的数值模型，利用已有文献[11-12]中的实验数据校验其准确性；分析典型构件的受力机理并探究相关影响参数；最后提出该构件抗剪承载力的计算公式。

2 有限元模型建立

图1给出本文研究对象的有限元模型，钢管和混凝土单元类型均采用C3D8R[11]。混凝土与钢管间考虑法向和切向两个接触关系，摩擦系数取为0.6。钢管与核心混凝土界面间粘结力：τbond=0.75(2.314-0.0195)(d/t)[1](d为核心混凝土直径)。分别设置上下2个参考点与构件端面耦合，一端限制非剪切方向的平动位移及3个转角位移，另一端为固定约束。

(a)模型立面图 (b)截面图

采用文献[1]中建议的钢材本构模型。核心混凝土受拉模型采用能量法[1]，开裂应力σto=0.26×(1.25fc′)2/3，受压部分本构采用Liu et al.(2017)[13]提出的混凝土受压本构关系模型，数学表达式如下：

(1)

式中：x=ε/ε0，y=σ/σ0，σ0=fc′，

εc′=(1300+12.5fc′)·10-6

β0=(2.36×10-5×(H/B)5)[0.25+(ξ-0.5)7](fc′)0.5·0.5≥0.12。

3 机理分析

目前尚未见圆端形钢管混凝土构件在剪力荷载作用下的试验数据，考虑到圆钢管混凝土构件属于圆端形钢管混凝土构件的一种极端情况，本文采用文献[11-12]的试验数据验证本文模型适用性。图2给出了数值模拟曲线与实测荷载-切向位移曲线的对比。可知，该建模方法总体拟合程度较好，但数值模拟曲线的初始刚度较大，原因是该模型未考虑支座、夹具、螺栓等试验装置变形的影响。随后利用该模型进一步开展圆端形钢管混凝土构件的抗剪力学性能研究。

本文设计了3个典型算例，包括一个圆端形钢管混凝土(RECFST)构件、一个对比空钢管构件和一个素混凝土构件，所有构件均沿强轴方向加载。算例的基本参数如下：B×H×t×L=400×600×11.5×120mm，fy=345MPa，fcu=60MPa。

(a)D×t×L=120×2×102mm[11]fy=338MPa,fcu=31.86MPam=0.15,N=0

(b)D×t×L=120×2×102mm[11]fy=338MPa,fcu=31.86MPam=0.15,N=143.75kN

(c)D×t×L=120×2×1110mm[12]fy=237MPa,fcu=65MPam=2.25,N=0

图2 荷载-位移曲线

图3 典型构件的V-γ关系曲线

图3给出了典型构件的剪力(V)-剪应变(γ)曲线。从图3可知：①该类构件表现出较好的强度、塑性和延性；②大部分荷载由核心混凝土承担，极限荷载作用时钢管和核心混凝土分别承担41.5%和58.5%的剪力，因此混凝土对构件抗剪承载力的影响不可忽略；③受力全过程可大致分为线性上升段(OA)、非线性上升段(AB)、强化段(BC)及平台段(CD)4个阶段。A点荷载作用时，混凝土开始开裂；B点时，圆端形钢管混凝土构件中平直段钢管开始屈服，钢管的承载力基本不再上升，但混凝土仍可承担更大的荷载；C点时，构件的剪应变达到10 000με，此时的剪力定义为构件的抗剪承载力[1]；D点时，核心混凝土无法继续承担更大的荷载，荷载-变形关系曲线趋于稳定。同时可见：受外钢管约束后混凝土的抗剪承载力(约提高490%)和延性远大于素混凝土构件；圆端形钢管混凝土构件中的钢管与空钢管构件的承载力相差不大，其抗剪承载力比空钢管构件低4.39%，原因是圆端形钢管混凝土构件中的钢管可能存在环向应力。

图4给出了典型构件跨中截面的剪应力分布，以下4个部分与图3各阶段一一对应：

(A) (B) (C) (D)

(1)OA阶段：组合构件处于弹性阶段，核心混凝土的剪应力呈两头大中间小的规律，钢管的的剪应力分布规律则刚好相反。A点荷载作用时，混凝土和钢管的最大剪应力分别为1.863ft和0.15fv；(ft和fv分别为混凝土抗拉强度和钢材的抗剪强度)。

(2)AB阶段：荷载继续增大，混凝土进一步发展塑性，剪应力分布呈中心大四周小的规律。B点时，最大的剪应力值出现在截面的形心处(5.21ft)。圆弧段范围内的混凝土的剪应力比较大，表明圆弧段钢管对混凝土起到较好约束作用。对于外钢管：B点时，平直段钢管已完全屈服；而圆弧段钢管的剪应力值较小。

(3)BC阶段：随着构件变形的增加，混凝土剪应力继续增长。C点时，最大的剪应力值出现在截面的上下两端(13.368ft)和形心处(13.603ft)。对于外钢管：在该阶段平直段钢管和圆弧段钢管的剪应力均略有提高。

(4)CD阶段：此阶段内混凝土的剪应力值继续提高，最大的剪应力值出现在截面的形心处(19.588ft)；但钢管的剪应力则发展较缓慢。

典型构件跨中截面钢管与混凝土之间法向应力的分布如图5(a)所示：可见，在C时刻钢管约束力的分布呈两头大、中心小的趋势，且钢管的约束力主要集中在圆弧段，在圆弧段的中点约束力达到最大值(15.68MPa)。构件在受力过程中截面接触应力变化规律如图5(b)：①OA段：钢管与混凝土间法向应力较小，因为此时构件变形较小，二者接触作用可以忽略。②AB段：随构件变形增加各点接触应力增大，其中点1、点7、点2、点6的接触应力增长最快，点3、点5次之，点4接触应力最小。原因是：点1、点2、点6、点7均位于圆弧段内，受到圆弧段钢管的较好约束；点4位于对称轴上，距离加载点较远且平直段钢管对混凝土约束作用较弱。③BD段：随着荷载的增大，各点的接触应力持续增大，圆弧段上的接触力始终大于平直段。点1、点7在D点后的p-γ曲线出现了平台段。