超高层内拉筋钢管混凝土柱抗震性能试验研究

李 勇

(中铁城建集团有限公司,湖南 长沙 410208)

0 引言

对比内拉筋钢管混凝土柱及其结构体系抗震关键技术与国内外同类技术,各项技术指标表明,钢管混凝土柱及其结构体系抗震设计方法和“强构造”与“合理匹配”的抗震理念可解决高轴压比钢管混凝土柱和组合梁负弯矩区抗震不足的技术难题,使钢管混凝土柱轴压比限值由0.6提升至0.8,推动了该类结构体系抗震非线性分析技术的发展。内拉筋钢管混凝土柱及其结构体系抗震关键技术突破了现有罕遇地震设防水准下钢筋混凝土和纯钢框架“强柱弱梁”理念的局限,大幅提高了抗震能力,抗震能力相同时可大幅度降低用钢量,具有成本低、效率高、经济与社会效益显著的优点,是一种构造与设计相结合的高性能结构。

1 试验研究

1.1 试验概况

试验选取不同截面形式和不同拉筋约束方式的钢管混凝土柱,如图1～2所示。制作SCFT(方形)系列钢管混凝土试件与CFT(圆形)系列钢管混凝土试件。

图1 不同截面形式的钢管混凝土柱Fig.1 Steel tube concrete columns with different cross-sectional forms

图2 不同拉筋约束形式的钢管混凝土柱Fig.2 Steel tube concrete columns with different forms of reinforcement restraints

1.2 试验方案

为准确测量试件的纵向位移和应变,在每个试件钢板高度1/2处布置4个应变计和2个电测位移计。短柱试件加载、应变和位移计布置如图3所示。荷载-应变曲线由DH3818静态应变测量系统采集,荷载-位移曲线由电子位移计和综合数据采集仪采集。试件加载方案为:在试件达到最大承载力前进行分级加载。试件在弹性阶段,每级荷载相当于极限荷载的1/10左右;在弹塑性阶段,每级荷载相当于极限荷载的1/20左右。每级荷载间隔3～5min,近似于慢速连续加载,数据分级采集;试件接近极限荷载时,慢速连续加载至试件破坏,数据连续采集。

图3 不同拉筋约束各截面钢管混凝土短柱轴压实验装置Fig.3 Experimental setup for axial compression of steel tube concrete short columns with different reinforcement constraints

1.3 试验过程

试件荷载纵向应变曲线如图4所示,钢管混凝土轴压短柱试件受压全过程大致可分为3个阶段。

图4 拉筋内约束方钢管混凝土短柱轴压荷载-应变曲线(I)Fig.4 Axial compressive load strain curve of square steel tube concrete short columns with internal constraints in tie bars (I)

1)弹性阶段 试件初始受压时,试件处于弹性阶段,荷载纵向应变曲线与荷载钢管应变曲线基本呈线性变化,各试件的刚度较大且相差不多,试件的弹性位移、钢管的纵向应变、横向应变很小。

2)弹塑性阶段 当外加荷载达到试件极限荷载的60%～70%时,试件开始进入弹塑性阶段,荷载-应变(位移)曲线出现非线性变化,钢管外表面出现屈曲鼓起现象且荷载越大,屈曲越明显。受端部效应的影响,屈曲一般先发生在试件两端,然后试件中部开始发生屈曲且发展较快,当试件达到极限承载力时,试件屈曲较明显。对于拉筋内约束试件,钢筋表面受压屈曲现象不明显。

3)破坏阶段 当试件达到极限承载力时,普通钢管混凝土柱试件核心混凝土中的微裂缝急剧发展,钢管呈屈曲破坏,核心混凝土被压碎,此后试件承载力下降,轴向位移继续增加。拉筋内约束试件,内部拉筋超出变形极限发生破坏。

拉筋内约束钢管混凝土短柱轴压试验中,由于拉筋对混凝土的约束作用,推迟了钢管屈曲外鼓的时间,且屈曲破坏程度小于普通钢管混凝土柱和焊接栓钉的钢管混凝土柱,方钢管混凝土柱最终破坏时,钢板在拉筋间隔处均出现明显波浪状屈曲,表明拉筋约束可减缓钢管的局部屈曲。

2 试验结果分析

2.1 承载力

方形普通钢管混凝土轴压试件实测承载力如图5所示,承载力均随着钢管壁厚增加而增大。

图5 普通钢管混凝土轴压短柱承载力Fig.5 Bearing capacity of ordinary steel tube concrete short columns under axial compression

拉筋内约束方钢管混凝土短柱试件轴压承载力如图6所示。

图6 拉筋内约束方钢管混凝土短柱试件轴压承载力Fig.6 Axial compressive bearing capacity of square steel tube concrete short column specimens with internal reinforcement

1)对于A系列,方钢管截面含钢率相同的情况下,A2与A1试件相比,增加栓钉后的承载力几乎相同(平均提高了0.4%),A3与A4试件相比,增加栓钉后的承载力反而降低了8.6%,表明方钢管内壁焊接栓钉对混凝土短柱轴压承载力无明显效果。

2)对于B系列,方钢管含钢率相同的情况下,B2的承载力比B1平均提高了11.1%,B3的承载力比B1平均提高了11%,B4的承载力比B1平均提高了16.3%,表明增加内约束拉筋后,方钢管混凝土短柱轴压承载力有较大幅度提高。

3)对于B系列,B5增加了钢管壁厚度,承载力比B1高8.3%,这表明增加钢管壁厚度可提高方钢管混凝土短柱轴压承载力;总体用钢量相同的情况下,B2-b的承载力比B5高4.4%,B3-b的承载力比B5高4.3%,B4-b的承载力比B5高6.7%,这表明在总体用钢量相同的情况下,方钢管内约束混凝土短柱轴压承载力均比普通方钢管混凝土的承载力高,因此采用拉筋内约束方式可有效提高方钢管混凝土短柱的轴压承载力效率。

综上可知:拉筋内约束对提高钢管混凝土短柱的轴压承载力效果显著,且井字形拉筋的约束效率最高。

2.2 延性系数

钢管混凝土短柱轴压试件延性系数μs为:

(1)

式中:ε0.85为荷载-纵向应变曲线下降段荷载最大值的85%对应的应变;εb=ε0.75/0.75,ε0.75为荷载-纵向应变曲线上升段荷载最大值的75%对应的应变。由式(1)求得各试件的延性系数,如图7所示。

图7 各截面钢管混凝土短柱轴压试件延性系数Fig.7 Ductility coefficient of axial compression specimens of concrete filled steel tubular short columns with different sections

1)试件SCFT-4,SCFT-3,SCFT-2与试件SCFT-1相比,μs分别提高了43.6%,40.0%和20.8%,表明试件延性随含钢量的增大而增大。

2)RST试件和CFRT试件延性系数μs总体上随截面长厚比(B/D)和混凝土强度等级的增大而减小。

拉筋内约束圆钢管混凝土短柱轴压试件延性系数μs如图8所示。

图8 拉筋内约束圆钢管混凝土短柱试件延性系数Fig.8 Ductility coefficient of circular steel tube concrete short column specimens with internal reinforcement

1)当拉筋配筋率相同时,CMFST,CJFST和RSCFT1试件相比,CJFST试件的延性系数比CMFST试件平均提高7.8%,比RSCFT1试件平均提高62.4%,可见钢管内焊接井字形拉筋的约束效果最好。

2)当拉筋形式相同而配筋率不同时,与RSCFT1试件对比,RSCFT2试件体积配筋率提高了76%,延性提高了94.1%;与RSCFT2试件对比,RSCFT3试件体积配筋率提高了36%,延性提高了35%,表明增加配筋率可提高圆钢管拉筋内约束混凝土短柱的轴压延性,且二者提高幅度之比接近。各类约束钢管混凝土短柱试件轴压延性系数μs比较分析表明:井字形拉筋的约束效率最高。

双向对拉拉筋内约束不同截面形式钢管混凝土短柱轴压试件延性系数μs的比较如图9～10所示。

图9 各截面钢管混凝土短柱试件轴压延性系数Fig.9 Axial compression ductility coefficient of steel tube concrete short column specimens with different sections

图10 拉筋和普通耐候钢管混凝土短柱试件轴压延性系数Fig.10 Axial compression ductility coefficient of brace and ordinary weathering concrete filled steel tubular short column specimens

1)拉筋大幅度提高了试件的延性系数,如SST1,SST2,SST3和SST4试件与RST1,RST2,RST3和RST4试件相比,延性系数分别提高了93.4%,123%,137%和89%。

2)拉筋对大长厚比试件的延性系数提升更显著,如矩形拉筋RRFWST试件比矩形普通RFWST试件的平均延性提高了78%,方形拉筋RSFWST试件与方形普通SFWST试件相比,平均延性提高18.5%。

2.3 横向变形系数

各试件荷载-横向变形系数曲线如图11所示。

图11 钢管混凝土试件荷载-横向变形系数曲线Fig.11 Curve of lateral deformation coefficient with load of steel tube concrete specimens

1)极限荷载下,矩形钢管混凝土试件的钢管表面各测点的横向变形系数均超过0.5,表明矩形试件的钢管对混凝土起约束作用。

2)对于拉筋约束方钢管混凝土,极限荷载时,钢管表面各测点的横向变形系数超过0.5且大于普通方钢管混凝土,表明拉筋增加了方钢管对混凝土的约束作用;拉筋矩形钢管混凝土短柱的钢管各测点横向变形系数曲线差别不大,最大值均超过0.5,甚至达到0.9以上,表明拉筋约束效果好。

3)对于不同拉筋形式约束的圆钢管混凝土,弹塑性阶段的CJFST和CMFST短柱横向变形系数增长速度较快,而RSCFT1短柱增长速度较慢,表明钢管对核心混凝土具有更强的套箍约束作用。

4)对于配不同筋率的圆环拉筋约束圆钢管混凝土,加载初期,RSCFT3短柱轴压的横向变形系数大于RSCFT2和RSCFT1短柱,可见高配拉筋率加强钢管对核心混凝土的约束作用更明显。

5)随着荷载的增大,带拉筋试件的横向变形系数增加速度比普通试件快,普通试件的横向变形系数在0.6左右时达到承载力,而带拉筋试件的横向变形系数在0.8左右时达到承载力极限,之后横向变形系数继续增加至试件破坏。

3 有限元分析

3.1 模型建立

有限元模型中钢管和核心混凝土的相互作用类型为表面与表面接触,钢管的内表面为主表面,核心混凝土的外表面为从表面,滑移公式为有限滑移,离散化方法为表面-表面,删除从结点/表面过盈。接触作用属性采用法向行为和切向行为来模拟钢管和核心混凝土之间的黏结滑移作用,其中法向行为为“硬”接触,允许接触后分离;切向行为中摩擦公式采用罚函数,摩擦系数取0.5。

加载板与钢管和核心混凝土的约束形式为“绑定”约束,加载板是主表面,钢管和核心混凝土的端面为从表面,从而使位移加载从加载板传到钢管和核心混凝土,且钢管与核心混凝土能同时受荷。加载板采用刚性面模拟,加载板定义为100mm,弹性模量为1×1011MPa,泊松比为1×10-7。网格划分采用结构化网格划分技术,各截面钢管混凝土短柱轴压三维有限元模型如图12所示。

图12 有限元模型单元网格划分Fig.12 Finite element model element meshing

3.2 约束作用分析

3.2.1不同截面形式钢管混凝土

有限元模型所得典型试件破坏时的变形云图如图13所示,图14所示为ABAQUS有限元法所得的模型中截面钢管纵向应力(σL,S),钢管横向应力(σθ,S)和混凝土纵向平均应力(σL,C)与纵向应变(εL)关系曲线的比较。

图13 矩形试件有限元模型破坏时的变形云图Fig.13 Deformation cloud map of the finite element model of a rectangular specimen at failure

图14 矩形钢管混凝土中各应力与纵向应变关系Fig.14 Relationship between stress and longitudinal strain in rectangular steel tube concrete

1)由于钢管对核心混凝土的约束作用,混凝土纵向平均应力的最大值大于其立方体抗压强度,混凝土纵向应力提高,钢管屈服后纵向应力降低而横向应力增加。

2)矩形钢管混凝土中,随着截面长厚比的增加,其约束效应逐渐减弱,核心混凝土纵向应力随长厚比的增大而减小。

3.2.2拉筋内约束钢管混凝土

有限元计算得到的典型试件破坏时中部截面应力云图和试件整体变形云图如图15所示,可见钢管含钢率和不同拉筋内约束形式对短柱试件的应力和变形云图都有影响,约束效果好的试件钢管表面屈曲幅度较小。图16为有限元法计算得到的不同形式拉筋内约束试件的中部钢管截面中点和端点处纵向压应力(σL,S)、横向拉应力(σθ,S)和混凝土纵向压应力(σL,C)-纵向应变(εL)关系曲线的比较。

图15 系列典型试件截面应力和整体变形云图(单位:MPa)Fig.15 Typical specimen cross-section stress and overall deformation cloud diagram(unit:MPa)

1)两类试件的方钢管屈服后,钢管中部截面中点和角点的纵向压应力和横向应力先后相交,其中内焊接双向对拉筋约束形式的B2-b试件钢管纵向压应力和横向应力最早相交,接着内焊接栓钉棱形拉筋约束形式的B1-b试件,表明内焊接井字形拉筋约束试件中部截面中点处钢管对核心混凝土的约束作用最大,而内焊接螺旋拉筋约束形式试件次之,而内焊接栓钉棱形拉筋约束形式试件最小。

2)三类试件的圆钢管屈服后,钢管中部截面的纵向压应力和横向拉应力皆相交,且早于普通钢管混凝土,内焊接双向对拉筋等约束形式试件的纵向压应力降低速率和横向拉应力增加速率依次增加,对核心混凝土约束依次增强,核心混凝土纵向峰值应力依次略微提高。

4 结语

本文通过各类钢管混凝土轴压试验研究和有限元分析,得出以下结论。

1)拉筋内约束对提高钢管混凝土短柱的轴压承载力效果显著,井字形拉筋的约束效率最高。

2)揭示了不同截面钢管对混凝土的约束效果取决于形状约束系数。

3)阐明了拉筋直接约束并加强钢管约束混凝土而最终表现为增强钢材抗力的工作机理。

内拉筋钢管混凝土柱及其结构体系抗震技术具有成本低、效率高、经济社会效益显著的优点,可为发展工程结构抗震技术理论体系提供技术支撑,对引领工程结构抗震技术可持续发展具有重要意义。