方钢管再生混凝土短柱轴压力学性能有限元分析

吴胜，申兴月，李迪　(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

杨君　(武昌理工学院城市建设学院 ，湖北 武汉 430074)

方钢管再生混凝土短柱轴压力学性能有限元分析

吴胜，申兴月，李迪(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

杨君(武昌理工学院城市建设学院 ，湖北 武汉 430074)

[摘要]为进一步探讨方钢管再生混凝土轴压短柱的力学性能,在试验研究的基础上,采用非线性有限元软件ABAQUS对试验短柱的荷载-位移曲线进行了数值模拟,验证了有限元分析模型的正确性。将钢材强度、再生骨料取代率和钢管壁厚度作为变化参数,用该模型对方钢管再生混凝土短柱轴压力学性能进行了非线性分析。研究表明,钢材强度对试件荷载-位移曲线幅值与形状均有影响,提高钢材强度会增大试件极限承载力,而曲线下降段更平缓;再生骨料取代率主要影响试件极限承载力,随着再生骨料取代率的增大,极限承载力略有减小;钢管壁厚度对试件荷载-位移曲线的影响较大,随着钢管壁厚度的增大,试件极限承载力和加载初期刚度均有所增大,但试件延性变化不大。

[关键词]方钢管再生混凝土短柱;轴压;力学性能;ABAQUS;有限元分析

随着我国经济的不断发展，建筑物的不断拆迁和翻新，在建造和拆除的施工过程中会产生大量的废弃混凝土，而这些废弃混凝土对环境的危害极大，且处理时需要耗费巨大资金。为减小废弃混凝土对环境污染，循环利用资源，了解再生混凝土的力学性能尤为重要。

目前国内外学者已对钢管再生混凝土进行了相关研究，并取得了丰硕成果[1~9]。Konno等[1,2]共对10个钢管约束再生混凝土构件进行了试验，研究了钢管再生混凝土柱的强度和变形能力，研究表明，钢管再生混凝土柱的刚度及承载力较钢管混凝土柱略有降低，但两者力学性能相似；杨有福[3,4]在试验的基础上研究了钢管再生混凝土柱的承载力与位移的关系，结果表明，再生骨料取代率大的构件荷载-位移曲线下降段较陡，构件延性差；陈梦成等[5]对6根圆钢管再生混凝土短柱的力学性能进行了试验研究和有限元模拟，结果表明，圆钢管混凝土短柱中是否添加再生骨料对试件破坏形态没有影响；李军涛等[6]研究了再生骨料取代率对方、圆钢管再生混凝土短柱承载力的影响，试验结果表明，再生骨料取代率超过50%后，随着取代率的增大，短柱极限承载力反而降低。

为进一步了解方钢管再生混凝土轴压短柱力学性能影响因素，给工程提供参考，笔者在试验的基础上提出了适用于方钢管再生混凝土的ABAQUS非线性有限元模型，并用该模型分析了钢材强度、再生骨料取代率和钢管厚度对方钢管再生混凝土短柱轴压承载力的影响。

1试验概况

笔者共设计了3个方钢管再生混凝土轴压短柱，各试件的基本参数及材料力学性能指标见表1，其中混凝土抗压强度由与试件同条件养护的棱长为150mm的再生混凝土立方体标准试块测得，钢材的屈服强度和弹性模量由钢板做成的标准试件按《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T 228-2002)规定的方法确定。

表1　试件基本参数及材料力学性能指标

试件使用的钢管为Q235的无缝方钢管，混凝土在实验室自拌，混凝土中原材料包括：强度等级32.5普通硅酸盐水泥、河砂、天然碎石、水、再生骨料及高效减水剂FDN-5，其中再生骨料是荆州某质检站的废弃混凝土标准试块由破碎机和人工锤击而成，最后经筛分后得到，粒径在10~30mm。混凝土的配合比为：水泥∶砂∶骨料∶水=491∶627∶1134∶147，减水剂用量取水泥用量的1%。

采用分级控制加载制度，具体为当施加总轴压荷载小于0.6倍的计算极限荷载前，每次施加计算极限荷载的1/15；当施加的总轴压荷载超过计算极限荷载的0.6倍以后，每次施加计算极限荷载的1/30，每级荷载持续2min后开始采集数据并进行下一级加载。当柱的压缩量发生突变，表示柱屈服，此时连续加载，并不断采集数据，直到试件承载力下降至极限承载力的85%以下，终止加载。

2有限元模型建立

2.1　材料本构关系模型

1)钢材的本构模型目前建筑工程中常用钢材有Q235钢、Q345钢和Q390钢等，这些都是低碳软钢，其本构关系比较清楚。钢材本构关系选用文献[10]中二次流塑模型，其应力-应变关系曲线分别为5段，即弹性段、弹塑性段、塑性段、强化段和二次束流段。该模型的的数学表达式为：

(1)

2)混凝土的本构模型混凝土作为一种应用最广泛的建筑材料，由于不均匀性较大，导致其受力性能有很大的差异，因此，目前存在的混凝土本构关系模型较多，主要有线弹性均质本构模型、非线性弹性模型、弹塑性本构模型、塑性-断裂理论模型、内时理论模型和连续损伤理论模型等，但由于钢管混凝土结构中核心混凝土受力性能的特殊性，混凝土的受压应力-应变关系模型是参考文献[11～13]后提出，它既能考虑钢管的约束作用，同时也考虑了再生骨料取代率的影响，因此该本构模型更加合理，其具体数学表达式为：

(2)

图1　试件有限元模型

图2　有限元计算曲线与试验曲线对比

2.2　单元选取与网格划分

为同时提高结果精度和计算效率，钢管采用四节点的减缩积分壳单元S4R，在计算过程中，该单元类型可根据壳的剪切变形大小自动选择厚壳理论或薄壳理论进行计算。核心混凝土采用8节点的三维线性实体单元C3D8R；将上下端板设置成弹性模量Es为2.0×109MPa，泊松比ν为0.001的弹性材料；使用结构化分网格技术对试件进行网格划分，如图1所示。

2.3　界面模型处理与加载

该模型的界面模型包括钢管与端板之间约束、核心混凝土与端板及钢管与核心混凝土之间的接触3部分。钢管与端板之间采用Shell to Solid Coupling的方式进行耦合约束；钢管与核心混凝土之间相互作用通过界面方向的硬接触和切线方向的粘结滑移来实现，采用库伦摩擦模型，通过罚函数Penalty来定义，摩擦系数取0.6，考虑小滑移作用；核心混凝土与端板之间只设置硬接触，考虑有限滑移，直接通过位移边界条件施加位移荷载。

3有限元模型验证

按试验短柱的实际尺寸，采用ABAQUS软件建立了非线性有限元模型，并进行了计算分析。图2为有限元计算的荷载-位移曲线与试验曲线。由图2可以看出，计算曲线与试验曲线变化趋势一致，吻合较好，说明采用该方法建立的非线性有限元模型能较真实反映方钢管再生混凝土轴压短柱的受力性能。

4影响因素分析

进行方钢管再生混凝土轴压短柱承载力影响因素分析的基本算例参数为：柱截面宽度200mm，钢管壁厚度3mm，构件高度为600mm，钢材屈服强度fy=345MPa，核心混凝土轴心抗压强度标准值fck=32.4MPa，再生骨料取代率为30%。

4.1　钢材强度影响

图3是钢材强度fy为420、345、235MPa的构件荷载-位移曲线。由图3可以看出，试件的极限承载力随钢材强度的增大而增大，但增大幅度越来越小；钢材强度对试件弹性阶段的刚度基本没有影响，进入弹塑性阶段后，试件刚度随钢材强度的增大而略有增大，而钢材强度较大的试件，其荷载-位移曲线的下降段下降趋势逐渐变缓，说明延性增大。

4.2　再生骨料取代率影响

图4是再生骨料取代率r为0%、30%、60%的构件荷载-位移曲线。整体来说，再生骨料取代率对荷载-位移曲线形状影响不大，随着再生骨料取代率的增大，试件加载初期刚度基本不变，而极限承载力略有减小，后期曲线下降段基本重合。

图3　不同钢材强度的荷载-位移曲线　　　　　　　　　　图4　不同再生骨料取代率的荷载-位移曲线图

图5　不同钢管壁厚度的荷载-位移曲线

4.3　钢管壁厚度影响

图5给出了钢管壁厚度t为3、4、5mm的构件荷载-位移曲线。由图5可以看出，随着钢管壁厚度的增大，加载初期的刚度略有增大，试件的极限承载力增大幅度明显，曲线下降段的下降趋势变化不大，但后期曲线又表现出上升。出现这种现象的主要原因是，在加载初期，核心混凝土与钢管各自承受荷载，钢管壁厚度较大的试件含钢率大，变形小；随着进一步加载，混凝土与钢管之间产生相互作用，钢管壁厚度越大，钢管的约束作用越强，混凝土强度提高幅度也越大，但由于再生混凝土内部存在较多的微裂缝，在较大的轴压力作用下，微裂缝极易发展，导致曲线下降段的下降趋势并未减小。

5结论

1)建立的方钢管再生混凝土轴压短柱非线性有限元模型能很好反映试件的实际受力情况，用该模型对方钢管再生混凝土短柱轴压力学性能影响因素分析是可行的。

2)随着钢材强度的提高，方钢管再生混凝土试件的极限承载力会提高，但试件弹性阶段的刚度基本不变，曲线下降段略微平缓，说明试件延性越好。

3)再生骨料取代率对荷载-位移曲线形状影响不大，但随着再生骨料取代率的增大，试件的极限承载力会减小，后期曲线下降段基本重合。

4)随着钢管壁厚度的增大，试件的极限承载力增大幅度明显，加载初期弹性刚度略有增大，在破坏阶段承载力降低较快，曲线下降趋势变化不大。

[参考文献]

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[编辑]计飞翔

[引著格式]吴胜，申兴月，李迪，等.方钢管再生混凝土短柱轴压力学性能有限元分析[J].长江大学学报(自科版)，2015,12(28)：26~29,37.

[中图分类号]TU398.9

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2015)28-0026-04

通信作者：

[作者简介]吴胜(1988-)，男，硕士生，现主要从事钢管混凝土结构方面的研究工作；申兴月，swu668@163.com。

[基金项目]湖北省教育厅科学技术研究项目(D20151304),湖北省大学生创新训练计划项 目(104892014001)。

[收稿日期]2015-06-01