钢管轻集料混凝土柱滞回性能影响因素研究

吴东阳,傅中秋,赵嘉玮,吉伯海

(河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098)

钢管混凝土结构充分利用了钢材的受拉性能与混凝土的受压性能，其技术经济效益显著，在工程上被广泛利用[1-2]31。用轻集料混凝土代替普通混凝土形成钢管轻集料混凝土，会在钢管普通混凝土的基础上进一步降低结构自重20%左右[3]，适应了现代材料轻质高强的发展需求。

目前国内外学者对钢管混凝土在水平地震力作用下的滞回性能、骨架曲线、延性等受力性能进行了大量研究。文献[4-5]分别通过试验对圆钢管和方钢管混凝土构件的滞回性能进行了研究，提出了钢管混凝土在水平往复荷载下的滞回关系模型。近年来，很多学者对不同形式的钢管混凝土结构以及相关的连接节点的抗震性能进行了研究[6-9]。而对钢管轻集料混凝土柱的相关研究起步较晚，目前还主要集中在钢管轻集料混凝土的静力性能和耐久性方面[10-13]，钢管轻集料混凝土柱在水平往复荷载下的滞回性能的研究尚待开展。

本文在试验的基础上采用有限元软件对钢管轻集料混凝土构件在水平往复荷载下的滞回性能进行了分析。以不同的材料强度、轴压比、含钢率，分别建立钢管轻集料混凝土构件有限元模型，分析这些因素对构件滞回性能的影响。

1 试验与有限元分析

1.1 试验概况

试验所采用的钢材为Q235B直焊缝圆钢管，按照试验规范要求加工制作了三组标准件，经过材料拉伸试验测得的钢材弹性模量为205 000MPa，屈服强度260MPa，极限强度386MPa。核心混凝土采用CL30轻集料混凝土，分别制作三组轻集料混凝土立方体标准试块，采用LS抗压试验机进行立方体抗压强度试验，得到轻集料混凝土的立方体抗压强度和弹性模量，分别为31.35MPa和2.39×104MPa。

设计并制作了4个构件，分别考虑了轴压比(n)为0、0.1、0.2三种情况，轴压力通过张拉钢管轴心处的预应力筋实现。为对比分析钢管轴心处预留预应力钢筋管道对构件产生的影响，设计并制作了一个无孔构件CFST-4。构件的具体参数如表1所示。

水平加载选择位移控制加载的方法，加载分为屈服前加载和屈服后加载两部分。屈服前加载是一次循环加载，加载位移分别为4、8、12、4+4n(n为循环次数)，若加载过程中荷载不变而位移不断增加，则认为构件已经屈服，屈服前加载结束。屈服后加载为三次循环加载，加载位移分别为2Δy、3Δy、4Δy(Δy为屈服位移)，若加载水平荷载降低为最大荷载的85%时，即认为构件已经破坏，停止加载。

1.2 有限元模型

钢管采用4节点减缩积分格式的壳单元(S4R)，核心混凝土和加载板都采用八节点减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R)。钢管与核心轻集料混凝土的界面模型由法线方向的接触和切线方向的粘结滑移两部分构成。切线方向的界面摩擦系数取0.6，法线方向采用硬接触，即垂直于接触面方向的压力可以在界面间传递[1]109。接触单元为面-面(surface-to-surface)接触，其中钢壳单元为主面，混凝土实体单元为从面。

构件一端为固定端，在构件另一端外侧设置参考点1，将参考点1和构件上部耦合(Coupling)，在参考点1上施加水平的往复位移荷载，同时在混凝土顶面施加轴向压强，其中水平往复位移荷载的加载分为屈服前加载和屈服后加载两部分。加载制度与试验一致，有限元模型的建立如图1所示。

图1 有限元模型示意图

1.3 材料本构

钢材的本构模型设置为考虑包辛格效应的非线性随动强化模型。屈服荷载之前，按照弹性刚度进行加卸载，达到屈服荷载之后，钢材进入了强化阶段，强化模量取0.01Es[1]67。钢材弹性模量和泊松比分别选取206 000MPa和0.283。

核心轻集料混凝土的本构模型采用混凝土塑性损伤模型，其中受压应力-应变曲线由上升段和下降段组成。考虑到轻集料混凝土与普通混凝土的受力性能存在差异，本文对以往钢管普通混凝土本构模型进行修正，使其适用于钢管轻集料混凝土的有限元模拟。上升段曲线采用文献[14]提出的混凝土应力-应变关系式

(1)

下降段采用过文献[15]的公式

(2)

损伤因子采用文献[16]通过“焦点法模型”推导出的损伤因子计算公式：

(3)

式中：σc(t)为压(拉)应力；εc(t)为压(拉)应变；σc0(t0)为混凝土受压(拉)峰值应力；E0c(0t)为混凝土初始受压(拉)弹性模量。

2 结果分析

2.1 破坏形态

加载初期构件处于弹性加载阶段，外观并未发生明显变化。随着加载的位移荷载不断加大，构件底部加载面前后侧出现微微鼓曲，钢管的鼓曲处应变逐渐达到了屈服应变值，表明构件已进入弹塑性工作阶段。当位移荷载进一步加大，构件底部的鼓曲现象越来越明显，鼓曲应变很大，构件破坏。加载结束后，构件的加载前后两侧均形成了明显的鼓曲波纹。部分构件的试验破坏形态和有限元计算的破坏形态对比如图2所示。

(a)CFST-3 (b)CFST -4图2 试验破坏形态和有限元计算破坏形态对比

根据有限元计算结果，提取出核心轻集料混凝土的受拉损伤和受压损伤情况。从图3中可以明显看出在水平往复荷载作用下，核心混凝土底部产生了很大的损伤，其中底部较大范围内都发生了受压损伤破坏。

(a)核心混凝土受压损伤 (b)核心混凝土受拉损伤图3 核心混凝土损伤

2.2 滞回曲线

如图4所示，有限元计算得到的滞回曲线与试验滞回曲线吻合较好，峰值点荷载基本一致，同时曲线也体现了同样的发展趋势。加载初期，荷载-位移基本呈线性变化，此时构件处于弹性工作阶段。随着加载的进行，构件产生了一定的残余变形，此时已逐步进入弹塑性工作阶段，构件发生了一定的刚度退化。构件产生刚度退化时，其滞回曲线依旧饱满，表明钢管轻集料混凝土柱具有良好的耗能能力。由图4(a)、(d)可知，有预应力孔道与无孔道构件的滞回曲线差别不大，构件的耗能性能基本相同，初步分析是由于预留孔道在钢管形心位置，同时孔道的直径很小。所以孔道的存在对构件截面惯性矩的影响不大，因而对水平荷载作用下构件的受力性能几乎没有影响。

(a)CFST-1 (b)CFST-2

(c)CFST-3 (d)CFST-4图4 试验计算与有限元计算滞回曲线对比图

3 骨架曲线

图5(a)为不同强度轻集料混凝土构件的骨架曲线。随着轻集料混凝土强度的增加，钢管轻集料混凝土构件的极限承载能力不断增加。但构件达到极限承载之后的变形能力减弱，承载力下降较快，构件的延性有所降低。

图5(b)对比了不同轴压比的各构件骨架曲线。在弹性阶段，各构件骨架曲线发展一致。随着加载位移的增加，构件不断进入塑性工作阶段，随着轴压比的增大，构件极限荷载减小。加载后期，进入破坏阶段，轴压比大的构件骨架曲线下降变陡，构件延性不断降低。

图5(c)对比了不同含钢率(钢管厚度)钢管轻集料混凝土构件的骨架曲线。各构件钢管外径都是133mm不变，钢管厚度分别为3mm、5mm、7mm。随着构件含钢率的增加，极限承载力和极限变形都明显增加。加载后期，承载力下降缓慢，当含钢率很大时(钢管壁厚为7mm)，骨架曲线未出现下降段，表明随着含钢率的增加，构件延性增加明显。一方面是因为随着钢管厚度的增加，对核心轻集料混凝土的约束增大；另一方面是因为钢管在水平往复荷载下承担了更多的荷载，核心轻集料混凝土尚未达到破坏阶段。

图5(d)对比了不同钢管强度构件的骨架曲线，钢管分别采用牌号为Q235、Q345和Q390的钢材。加载前期，各构件都处于弹性工作阶段，荷载-位移骨架曲线发展几乎一致。随着位移荷载的增加，钢管强度高的构件承载力也越强。进入破坏阶段后，各构件下降趋势无明显区别，即构件延性基本相同。

(a)不同轻集料混凝土构件的骨架曲线 (b)不同轴压比构件的骨架曲线

(c) 不同钢管厚度构件的骨架曲线 (d) 不同钢管强度构件的骨架曲线图5 不同参数构件的骨架曲线

4 耗能性能

耗能是指结构或构件在地震作用下变形吸收能量的能力，在水平往复荷载作用下，构件的耗能性能是考察构件抗震性能的主要指标之一。等效粘滞阻尼系数he反映了钢管轻集料混凝土柱的耗能性能，其计算示意图如图6，表示公式如下[17]

(4)

图6 耗能面积计算图示

采用式(4)对各个构件的等效粘滞阻尼系数he进行计算，结果如图7所示。图7(a)中可以看出随着位移等级的增大，等效粘滞阻尼系数也不断增大，构件破坏时基本都达到0.35左右，而普通钢筋混凝土柱破坏时的等效粘滞阻尼系数约为0.1～0.2，因此钢管轻集料混凝土柱具有较好的能量耗散能力。

图7(b)是不同轴压比下各构件的等效粘滞阻尼系数，随着位移等级的增大，等效粘滞阻尼系数也不断增大。在同级位移荷载下，轴压比大的构件等效粘滞阻尼系数越大，是因为轴压比大的构件会较早地产生塑性变形，其耗能能力也相应增加。

图7(c)是不同含钢率构件的等效粘滞阻尼系数。在同级位移荷载作用下，钢管厚度越大等效粘滞阻尼系数越小。主要是因为在同一级加载位移作用下，钢管厚度越小(含钢率越低)的试件越容易接近屈服及破坏，变形能力的充分发挥会提高试件的耗能性能。

图7(d)是不同钢管强度构件的等效粘滞阻尼系数。在同级荷载位移下，等效粘滞阻尼系数随着钢管强度的增加而减小，是因为钢管强度较低的试件在同等位移荷载下会较早地进入屈服阶段，较大的变形提高了试件的耗能性能。

(a)不同轻集料混凝土强度的he (b)不同轴压比下的he

(c)不同钢管厚度的he (d)不同钢管强度的he图7 不同参数构件的等效粘滞阻尼系数

5 结论

通过对水平往复荷载下的钢管轻集料混凝土构件进行试验研究和有限元分析，研究其滞回性能，得到以下结论：

(1)有限元计算和试验得到滞回曲线吻合较好，验证了本文修正的混凝土塑性损伤本构模型的准确性。钢管轻集料混凝土构件在水平往复荷载作用下主要是底部钢管鼓曲破坏，核心混凝土受压损伤破坏。

(2)构件含钢率对滞回性能影响较大，随着钢管含钢率的增大，构件承载力和延性都明显增加；钢管强度越大，承载力越高，但对构件延性影响不大。轻集料混凝土强度也有一定影响，随着强度的增加，构件承载力增加但延性略有下降。

(3)各构件耗能性能随着位移荷载等级的增加，越早进入塑性受力阶段的构件其耗能能力越强。后期塑性加载阶段，各等效粘滞阻尼系数基本都在0.35以上，表现出了较好的耗能性能。