摘要:以BASE試件為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)3個(gè)具有不同長(zhǎng)細(xì)比的ZG試件并進(jìn)行了非線性有限元分析，采用了在鋼管和混凝土之間加入粘接單元的方法。柱長(zhǎng)細(xì)比是方鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)的主要影響因素，長(zhǎng)細(xì)比可適當(dāng)減小，柱長(zhǎng)細(xì)比越大，柱承載力越低。在方鋼管的底部和底角部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中區(qū)域大約在柱高1/3范圍內(nèi)，對(duì)方鋼管的底部應(yīng)加大剛度，柱底角部應(yīng)加強(qiáng)施焊�；炷翂核槠茐陌l(fā)生在柱底部，在管內(nèi)混凝土的施工過(guò)程中，要保證混凝土柱底澆注密實(shí)。本文的研究結(jié)論對(duì)今后方鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)和施工具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：方鋼管混凝土柱,長(zhǎng)細(xì)比,有限元
1 引言
方鋼管混凝土的研究開(kāi)展的較晚，各方面的理論還不夠成熟和完善，以往的研究主要集中在試驗(yàn)研究上，本文采用有限元分析對(duì)方鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)和施工提出合理建議，克服試驗(yàn)的不足�？紤]到鋼管混凝土是由鋼管和混凝土兩種不同材料所組成，混凝土和鋼管之間有相對(duì)滑移，引入一種能反映鋼管和混凝土兩者間界面性能的單元----粘結(jié)單元，它能比較真實(shí)地反映方鋼管混凝土柱的受力性能。
2 有限元模型的建立
本文模擬框架結(jié)構(gòu)中間層的中柱，截取了方鋼管混凝土柱從梁頂面到柱反彎點(diǎn)處的部分為研究對(duì)象。為了深入分析鋼管混凝土柱的受力性能，充分考慮我國(guó)有關(guān)規(guī)范的規(guī)定，依據(jù)常見(jiàn)的工程實(shí)例設(shè)計(jì)了4個(gè)試件，采用大型商用有限元軟件ANSYS對(duì)其受力性能進(jìn)行了非線性有限元模擬。
2.1模型的幾何尺寸
為了研究長(zhǎng)細(xì)比對(duì)方鋼管混凝土柱的受力性能影響，以BASE試件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了ZG系列試件，詳細(xì)尺寸見(jiàn)表1。
表1 試件尺寸明細(xì)表
注：ZG-1（2、 3）：Z代表柱子，G代表高度，1、2、3分別代表柱高度為1650mm、1950mm、2100mm。
2.2單元的選取
在ANSYS中用solid65單元[1-3]來(lái)模擬混凝土的材料性質(zhì)，該單元為三維鋼筋混凝土實(shí)體。鋼管壁采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid45。
2.3 材料模型的確定
混凝土等級(jí)C50，彈性模量Ec=3.45×104N/mm2，泊松比μc=0.2；鋼材認(rèn)為是理想的各向同性的彈性材料，選用Q345，彈性模量Es=2.06 ×105N/mm2，泊松比μc=0.3。鋼的應(yīng)力---應(yīng)變關(guān)系的計(jì)算模型取雙折線彈性強(qiáng)化模型。
2.4 加載制度、約束情況
柱底固定，柱頂不加約束，先加柱頂豎向荷載N，再加柱頂水平荷載P。荷載的施加方式：柱頂軸力N以面荷載的形式施加在柱頂面S上；柱頂水平力P以位移形式施加，加載前先將S面上是所有節(jié)點(diǎn)的X向位移耦合在一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上(見(jiàn)圖1)，施加的位移只需加在此藕合點(diǎn)的X向上。
3. ZY系列試件有限元計(jì)算結(jié)果及分析
方鋼管混凝土柱的長(zhǎng)細(xì)比為：
L—方鋼管混凝土柱的計(jì)算長(zhǎng)度；B—方鋼管橫截面外邊長(zhǎng)。
方鋼管混凝土柱的長(zhǎng)細(xì)比值見(jiàn)表2。
表2 柱長(zhǎng)細(xì)比值
3.1荷載-位移曲線分析
柱長(zhǎng)細(xì)比對(duì)荷載-位移曲線影響比較顯著。隨著柱長(zhǎng)細(xì)比的增加,構(gòu)件無(wú)論在彈性階段還是在非線性強(qiáng)化階段,其剛度均有所降低,承載能力也有所下降，而且下降的幅度較大。因?yàn)榉戒摴芑炷林拈L(zhǎng)細(xì)比越大，柱越容易發(fā)生失穩(wěn)，使柱承載力降低。
3.2混凝土裂縫分析
有限元計(jì)算ZG系列試件破壞時(shí)混凝土裂縫如圖3所示：
3.1 ZG-1混凝土裂縫圖 3.2 BASE混凝土裂縫圖 3.3 ZG-2混凝土裂縫圖 3.4 ZG-3混凝土裂縫圖
ZG系列試件破壞時(shí)混凝土的裂縫集中在柱底部，特別在柱底角部混凝土的裂縫更加嚴(yán)重，并且都出現(xiàn)了貫通裂縫，導(dǎo)致混凝土被壓碎。
隨著柱長(zhǎng)細(xì)比的增加，柱底混凝土的裂縫增多，特別柱底角部裂縫開(kāi)始增多，裂縫逐漸連接并貫通，出現(xiàn)了貫通裂縫，貫通的裂縫將試件分裂成若干小柱，造成混凝土過(guò)早被壓碎，柱的承載力降低。因此在管內(nèi)混凝土的施工過(guò)程中，要注意柱底部和柱底角部的混凝土澆筑質(zhì)量，保證混凝土振搗密實(shí)，確保工程質(zhì)量。
3.3管內(nèi)混凝土軸向應(yīng)力云圖分布分析
有限元計(jì)算ZG系列試件破壞時(shí)混凝土軸向應(yīng)力云圖如圖4所示:
4.1 ZG-1混凝土應(yīng)力云圖 4.2 BASE混凝土應(yīng)力云圖 4.3 ZG-2混凝土應(yīng)力云圖 4.4 ZG-3混凝土應(yīng)力云圖
ZG系列試件破壞時(shí)，混凝土外表面的底部和中上部局部區(qū)域軸向壓應(yīng)力較大，最大軸向壓應(yīng)力超過(guò)了混凝土的抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土被壓碎。由于鋼管和混凝土是由兩種力學(xué)性質(zhì)很不同的材料組成的，而且尺度相差很大，鋼管和混凝土的彈性模量又不同，它們?cè)谳S向荷載和水平荷載作用下，出現(xiàn)相對(duì)滑移，它們之間產(chǎn)生的摩擦力和粘結(jié)力使得混凝土外表面大部分區(qū)域出現(xiàn)了軸向拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力值較小，而混凝土內(nèi)部則出現(xiàn)軸向壓應(yīng)力。
隨著柱長(zhǎng)細(xì)比的增加，混凝土柱底角部和柱中上部局部區(qū)域的最大壓應(yīng)力范圍增大，混凝土內(nèi)部的軸向壓應(yīng)力值隨著柱長(zhǎng)細(xì)比的增加而增大，使混凝土過(guò)早開(kāi)裂，柱的承載力降低。
在管內(nèi)混凝土的施工過(guò)程中，要注意柱底部和柱底角部、柱中上部的混凝土澆筑質(zhì)量，保證混凝土振搗密實(shí)，確保工程質(zhì)量。
3.4鋼管的Mises應(yīng)力分析
有限元計(jì)算ZG系列試件破壞時(shí)鋼管的Mises應(yīng)力圖如圖5所示:
5.1 ZG-1鋼管Mises應(yīng)力 5.2 BASE鋼管Mises應(yīng)力 5.3 ZG-2鋼管Mises應(yīng)力 5.4 ZG-3鋼管Mises應(yīng)力
ZG系列試件破壞時(shí)，鋼管的高應(yīng)力區(qū)域集中在鋼管的柱底部，特別在鋼管底角部應(yīng)力集中現(xiàn)象更為嚴(yán)重，柱的反彎點(diǎn)附近應(yīng)力最小，鋼管的柱底部和底角部應(yīng)力最大，超過(guò)了鋼材的屈服強(qiáng)度，進(jìn)入塑性變形階段，而鋼管中間大部分區(qū)域應(yīng)力較小。
隨著柱長(zhǎng)細(xì)比的增加，鋼管柱底部、柱底角部的高應(yīng)力區(qū)域范圍增大，但最大應(yīng)力值稍有減小，減小的幅度很小。在方鋼管混凝土柱底部和角部會(huì)造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此對(duì)方鋼管混凝土柱的底部應(yīng)加大剛度，角部應(yīng)加強(qiáng)施焊。
3.5測(cè)點(diǎn)和路徑分析
在各試件中取4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn) 1、2位于鋼管外表面底部角點(diǎn)處，測(cè)點(diǎn) 3位于鋼管外表面頂部角點(diǎn)處，測(cè)點(diǎn) 4 位于測(cè)點(diǎn) 1、3連線的中點(diǎn)處。連接測(cè)點(diǎn)1、2形成路徑1，連接測(cè)點(diǎn)1、3形成路徑2，連接點(diǎn)3、5形成路徑3，如圖6所示：
有限元計(jì)算ZG系列試件破壞時(shí)測(cè)點(diǎn)Mises應(yīng)力值對(duì)比如圖7所示:
圖7看出：測(cè)點(diǎn) 1、2 的應(yīng)力值最大，測(cè)點(diǎn)3的應(yīng)力值最小。
從測(cè)點(diǎn) 1、2 Mises應(yīng)力值對(duì)比圖看出：改變柱長(zhǎng)細(xì)比對(duì)測(cè)點(diǎn) 1、2的Mises應(yīng)力值影響較小，在彈性階段隨著柱長(zhǎng)細(xì)比的增加，Mises應(yīng)力值減小，但減小的幅度較小，對(duì)ZG-3試件Mises應(yīng)力值減小的幅度較大，進(jìn)入塑性階段四條曲線幾乎重合，鋼管均達(dá)到了屈服強(qiáng)度。隨著時(shí)間的推移，應(yīng)力曲線在彈性階段上升較快，進(jìn)入塑性階段后變化趨勢(shì)較為平緩。
從測(cè)點(diǎn) 3 Mises應(yīng)力值對(duì)比圖看出：改變柱長(zhǎng)細(xì)比對(duì)測(cè)點(diǎn) 3的Mises應(yīng)力值影響較小。隨著柱長(zhǎng)細(xì)比的增加，測(cè)點(diǎn) 3 的應(yīng)力值減小，但減小的幅度很小，對(duì)ZG-1、BASE試件幾乎沒(méi)有影響，兩條曲線幾乎重合。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，測(cè)點(diǎn) 3 的應(yīng)力曲線呈上升的趨勢(shì)，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均遠(yuǎn)未達(dá)到屈服強(qiáng)度。
有限元計(jì)算方鋼管混凝土柱ZG系列試件破壞時(shí)路徑Mises應(yīng)力值對(duì)比如圖8所示:
圖8看出：路徑1、2上應(yīng)力集中區(qū)域鋼管達(dá)到了屈服，而路徑3上鋼管均未達(dá)到屈服。
從路徑1Mises 應(yīng)力值對(duì)比圖看出：隨著柱長(zhǎng)細(xì)比的增加，應(yīng)力曲線的突變點(diǎn)值大小和位置幾乎沒(méi)有變化。在上升和下降階段，隨著柱長(zhǎng)細(xì)比的增加，應(yīng)力值減小。應(yīng)力曲線先變化趨勢(shì)較為平緩，后來(lái)下降，再上升，最后又變化趨勢(shì)較為平緩。
從路徑2 Mises 應(yīng)力值對(duì)比圖看出：在柱高度660mm內(nèi)，應(yīng)力值差別很小，四條曲線幾乎重合，當(dāng)柱高度超過(guò)660mm以后，應(yīng)力值隨著柱長(zhǎng)細(xì)比的增加而增大。但應(yīng)力曲線總體呈下降趨勢(shì)，應(yīng)力集中區(qū)域大約在柱高1/3范圍內(nèi)。
從路徑3 Mises 應(yīng)力值對(duì)比圖看出：隨著柱長(zhǎng)細(xì)比的增加，Mises 應(yīng)力值減小，到了長(zhǎng)度425mm以后，Mises 應(yīng)力值減小的幅度降低。
4 結(jié)論
長(zhǎng)細(xì)比可適當(dāng)減小，柱長(zhǎng)細(xì)比越大，柱承載力越低。在方鋼管的底部和柱底角部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中區(qū)域大約在柱高1/3范圍內(nèi)，因此對(duì)方鋼管的底部應(yīng)加大剛度，柱底角部應(yīng)加強(qiáng)施焊。混凝土壓碎破壞發(fā)生在柱底部，在管內(nèi)混凝土的施工過(guò)程中，要保證混凝土柱底澆注密實(shí)，確保工程質(zhì)量。本文的研究結(jié)論對(duì)今后方鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)和施工具有一定的指導(dǎo)意義。
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