型钢高强混凝土组合柱偏心受压性能试验研究

孙文泽 王 钧

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

型钢混凝土结构(Steel Reinforced Concrete简称SRC)因其优越的抗震性能与较高的承载力被广泛应用于大跨度桥梁与超高层建筑中。将型钢混凝土结构与高强混凝土相结合，可有效改善高强混凝土脆性强、延性差等缺点，充分发挥型钢与高强混凝土的力学性能优势，具有较高工程实际意义与经济价值。

目前已有学者对型钢高强混凝土柱进行了相应的研究。王清湘等[1]开展了钢骨—钢管高强混凝土柱轴压受力性能试验研究，结果表明，内置钢骨可有效提高钢管高强混凝土柱的承载力，并抑制混凝土剪切裂缝的开展；应武挡等[2]通过12根型钢高强混凝土推出试验，发现增加混凝土保护层厚度与配箍率可有效提升高强混凝土与型钢的黏结强度，且机械咬合力为黏结力最重要组成部分；朱伟庆等[3]进行了27根型钢高强混凝土柱的低周反复加载试验，分析其结果发现型钢高强混凝土柱的抗震性能明显好于钢筋高强混凝土柱，通过合理的配置箍筋可避免试件发生脆性破坏，且栓钉在试件变形性能较好时可有效提高结构的抗震性能。但目前对于型钢高强混凝土柱的研究多集中于结构的轴压与抗震性能，对其偏压性能研究尚不够深入。因此笔者设计了2根型钢高强混凝土组合柱，并结合有限元模拟结果，分析不同参数对组合柱承载力的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

本次试验共设计2根型钢高强混凝土偏心受压试件，柱高1 200 mm，混凝土强度等级为C100，型钢为焊接H型钢，钢材强度等级为Q345，纵筋与箍筋分别为C12与C8的HRB400级钢筋。具体试件参数见表1，试件截面及型钢截面示意图如图1所示。

表1 试验参数

1.2 材料力学性能

型钢与钢筋材性实测值如表2所示；高强混凝土原料为P.O52.5R水泥、天然河砂、石子、硅粉、粉煤灰、城市自来水，减水剂采用聚羧酸高效减水剂，具体配合比见表3。

表2 钢材力学性能

表3 高强混凝土配合比设计

1.3 试验装置

试验在液压试验机上进行，为防止牛腿提前破坏，在柱顶200 mm范围内进行碳纤维布加固处理，具体加载装置如图2所示。在正式加载前，对组合柱预加载以检验试验仪器是否正常工作，组合柱承载力下降至极限承载力70%后，试验结束。

1.4 破坏形态对比

由图3a)，图3b)对比可以看出，大偏心受压试件PZ1在破坏时，试件侧向变形不明显，受拉侧混凝土表面有数条较宽的水平裂缝，混凝土压溃区高度约为40 cm。清除被压溃混凝土后可以看到箍筋约束部分混凝土较为完好，未见明显破坏；小偏心受压试件PZ2在破坏前预兆不明显，试件达到极限承载力时，加载点远端混凝土无裂缝产生，试件未见明显侧向变形，受压侧混凝土压溃现象更为严重，混凝土压溃高度约为55 cm，清除压溃混凝土可以看出，混凝土破坏程度大于PZ1，箍筋内部混凝土已被压碎。

2 SRC柱有限元模型分析

2.1 有限元模型的建立

根据型钢高强混凝土偏心受压试验结果，采用ABAQUS有限元分析软件对组合柱进行建模。其中钢筋选用T3D2桁架单元，型钢与混凝土采用C3D8R实体单元。由于钢筋与混凝土可较好的协同工作，因此钢筋采用嵌入式相互作用；而型钢与混凝土之间粘结应力较小，因此接触面法线方向为硬接触，切线方向摩擦系数选取为0.25[4]。钢筋材料本构根据表2中材料实测值确定；混凝土根据所受约束不同划分为型钢约束混凝土、箍筋约束混凝土与无约束混凝土[5]三个部分，如图4所示。

2.2 混凝土约束本构的选择

组合柱中混凝土由于受到约束效应的不同，其应力—应变关系有明显区别。对于箍筋约束混凝土，根据Mander等[4]的研究，以有混凝土强度提升系数kg表示有效约束应力fl对混凝土的约束作用，本文箍筋约束kg取值为1.06，具体计算方法见式(1)；型钢约束混凝土则选用赵宪忠等[5]所提出简化的混凝土约束本构。本文型钢约束混凝土强度提高系数ks取值为1.11，具体计算方法见式(2)。

(1)

(2)

式中：fl——混凝土受到的侧向约束应力；

fc——无约束混凝土抗压强度；

fl1,fl2——两个水平方向上的有效约束应力；

kh——型钢约束混凝土强度提高系数ks的上限解；

kl——型钢约束混凝土强度提高系数ks的下限解。

2.3 有限元分析结果验证

图5为有限元模拟出荷载—位移曲线与试验结果的对比，可以看出，模拟曲线与试验曲线承载力发展趋势较为一致，由于实际试验存在初始缺陷等不可控因素，导致试验曲线上升段斜率略低于有限元模拟曲线。但因两者整体上较为吻合，考虑混凝土约束效应的有限元模型可较为准确地模拟高强型钢混凝土柱偏心受压试验的全过程，可用于进一步参数分析。

3 SRC柱有限元扩参数分析

在现有模型的基础上，进行了6根不同钢材强度的高强混凝土组合柱偏心受压模拟，分析不同钢材强度对组合柱力学性能的影响，具体模拟结果见表4。

表4 有限元模拟结果对比

3.1 小偏心受压影响分析

图6为在不同钢材强度下的小偏心受压构件荷载—位移曲线，可以看出，钢材强度由380 MPa提升至524 MPa与703 MPa后，试件承载力仅提高3.7%与4.9%，提升极小。由受压型钢的受力情况可以看出，达到极限承载力时，Q460型钢接近屈服，而Q690型钢远未达到屈服应力，材料并没有完全发挥作用。但观察曲线承载力下降段可以看出，高强度钢材试件的曲线下降更为平缓，且试件XP3的承载力可再次上升。受压型钢应力云图如图7所示。

3.2 大偏心受压影响分析

图8为在不同钢材强度下的大偏心受压构件荷载—位移曲线，可以看出，钢材强度由380 MPa提升至524 MPa与703 MPa后，试件承载力可提高4.9%与7.9%，提升幅度略大于小偏心受压试件。试件达到极限承载力时，Q460受拉型钢已经屈服，但Q690型钢受拉翼缘应力仅为536 MPa，材料并没有完全发挥作用。但由于DP3型钢强度较大，承载力达峰值后下降极小，试件延性较好。受拉型钢应力云图见图9。

4 结论

本文通过型钢高强混凝土偏心受压柱试验与有限元分析，得出以下结论：

1)型钢高强混凝土偏心受压柱在不同偏心距下破坏形式有较明显区别，大偏压试件受拉侧混凝土存在横向裂缝，小偏压试件破坏前无明显预兆。且小偏压试件受压侧混凝土压溃程度远大于大偏压试件。2)采用ABAQUS建立了考虑混凝土约束作用的偏心受压柱模型，对比于试件荷载位移曲线，二者拟合较好，可用于进一步扩参数分析。3)利用有限元模型分析钢材强度对型钢高强混凝土柱偏心受压力学性能的影响，发现钢材强度的提高对试件承载力影响较小，但可有效提高组合柱的延性。