带加强筋的双钢管高强混凝土柱轴压性能研究.pdf

试试试试试试试试试试试试试试试试试试验验验验验验验验验验验验验验验验验验研研研研研研研研研研研研研研研研研研究究究究究究究究究究究究究究究究究究文章编号:1009-9441(2023)04-0026-04带加强筋的双钢管高强混凝土柱轴压性能研究 蒋江迪1,段圣允2(1.浙江鸿翔建设集团股份有限公司,浙江 嘉兴 314000;2.广东旭峰建筑工程有限公司,广东 惠州 516000)摘 要:将普通螺纹钢置于内外钢管间的空隙制成带加强筋的双钢管高强混凝土柱,借助数值模拟研究该柱与普通双钢管混凝土柱在轴向荷载下的受力差异,以及加强筋平面角度、竖向间距和强度等级等参数对其轴向荷载下力学性能的影响。结果发现:带加强筋的双钢管混凝土柱前期力学性能略高于普通双钢管混凝土柱,后期延性显著高于普通双钢管混凝土柱;不同参数对其轴压性能的影响程度不同,加强筋平面角度显著,竖向间距次之,加强筋强度影响极小。关键词:加强筋;双钢管混凝土柱;高强混凝土;数值模拟中图分类号:TU 398.9 文献标识码:A引言随着现代社会经济的发展和科技的进步,建筑外部造型越发复杂、高度不断增大,对建筑结构提出了更严格的要求。超高层结构因对风荷载和地震作用敏感,且下部受力较大,若采用常规的钢筋混凝土,则需要较大的结构尺寸并配置较多的钢筋,不仅施工困难、耗费成本、影响进度,且对建筑空间也有影响。双钢管构件的出现解决了这类问题,内外配置钢管,在内外钢管空隙间浇筑高强混凝土,不但承载力高,延性也大。国内外众多学者,也对该种结构和构件的受力性能进行了大量研究1-5。钢管与混凝土接触面由于滑移的存在,经常无法使内外钢管同时受力,为了改善双钢管混凝土柱的受力性能,尝试将普通螺纹钢置于内外钢管的空隙,一方面防止钢管和混凝土粘结滑移动;另一方面可以加强内外钢管的连接,最大限度地使其在外荷载下同步受力。为研究该带加强筋的双钢管现浇混凝土柱的轴压性能拟借助科研通用的有限元软件 ABAQUS进行分析。1 构件设计与有限元模型1.1 构件设计带加强筋的双钢管混凝土柱构件(以下简称构件)参数设计参考相关工程及文献6-7。该构件净高为 3 800 mm,两 端 为 方 便 加 载 设 置 直 径 为1 400 mm,厚度为 50 mm 的高强钢圆盘;内外钢管采用 6 mm 厚 的 Q235 钢,其 中 外 管 直 径 为1 000 mm,内管直径为 600 mm;内外钢管间的连接加强筋采用直径为 20 mm 的 HRB400E 钢筋,两端焊接于内外钢管表面;混凝土采用强度等级为 C60的高强混凝土(普通双钢管混凝土柱除了未设置连接的加强筋,其余参数均相同)。为了研究加强筋的平面角度、竖向间距和强度等参数对构件轴向荷载下的性能影响,拟采用单一控制变量的方法进行对比分析,详细设计参数见表 1。表 1 构件参数构件编号平面角度/竖向间距/mm强度等级/MPa1603004002330300400460200400560100400660300500760300600 注:1.为加筋的双钢管混凝土标准构件;2.为不带加强筋的双钢管混凝土构件1.2 建立有限元模型混凝土采用弹塑性损伤模型8,钢管和钢筋均采用钢材的双折线随动硬化模型9。钢柱上下端的加载板因不是此次的研究重点,仅作为加载使用,故可将其设置成刚体。加载板下端固定,通过耦合点,限制其 6 个方向上的自由度;上端位移62Research&Application of Building Materials基金项目:浙江省建筑业技术创新协会项目(2022B74)。加载板为防止加载过程中的偶然偏心影响,限制其 5 个方向上的自由度,仅释放轴向的平动自由度。内钢管与加强筋嵌固在混凝土内部,外钢管与混凝土外表面设置切向的滑移系数。内外钢板采用壳单元,混凝土采用实体单元,钢筋采用杆件单元10。带加强筋的双钢管现浇混凝土柱有限元模型如图 1 所示。图 1 加强筋双钢管混凝土柱有限元模型2 结果分析2.1 普通双钢管混凝土柱与构件的对比2.1.1 荷荷载载位位移移曲曲线线对对比比 两者的荷载位移曲线如图 2 所示。由图可知,两者具有相似的受力过程,弹性阶段、弹塑性阶段、承载力明显下降段及破坏后期的缓和段。在受力前期两者的弹性阶段、弹塑性阶段荷载位移曲线几乎重合,但带加强筋的双钢管柱前期刚度上略优于普通双钢管柱。在到达极限承载力 473.9102 kN(与之对应的构件压缩变形为 7.8 mm)后,两者随着加载的进行承载力都急剧下降,在竖向位移为 7.8 17.0 mm,承载力下降了 202.2102 kN,下降幅度约为 42.8%,但带加强筋的双钢管柱下降速度明显缓于普通双钢管柱,且同样位移下的承载力较高,这主要是因为加强筋的存在使得其后期延性和承载力明显得到改善。图 2 普通双钢管柱与加强筋柱荷载位移曲线加强筋的应力与轴向位移曲线如图 3 所示。不难发现,随着外荷载的施加,不同位置的加强筋同时受力产生应变,端部的加强筋应力发展比其余位置慢,而柱身 1/3 和柱身中部的应力发展速度逐渐加快;当位移增加至 8.0 mm 时,端部的加强筋应力达到最大,仅为 21.3 MPa,远低于屈服强度,随后应力下降,随着外荷载的增加一直维持在一个较低的应力水平;当外载增加至 8.00 mm 时,柱身 1/3 位置的加强筋,应力经历一个小的下降段,然后继续增长,一直到 17.0 mm 左右达到屈服;当外载增加至8.00 mm 左右时,柱身中部应力经过一个稍缓的过度平台,随后几乎呈直线增加;当位移达到 9.0 mm左右时,达到屈服。从应力层面表明,带加强筋的双钢管混凝土柱受力更加均匀,鼓曲发生在柱身中部位置。图 3 加强筋应力位移曲线2.1.2 受受力力破破坏坏过过程程对对比比 两者受力破坏过程如图 4 所示。由图 4(a)可知,在竖向加载的过程中,外部钢管首先在上下支座位置出现较高的应力水平,随着加载的进行,应力开始向柱身中部发展,且内部钢管的应力发展水平高于外部钢管;随着加载的进一步进行,应力开始集中柱身中下部的内外钢管上,并逐渐达到屈服应力235 MPa,最后出现沿柱身四周的鼓曲破坏。由图4(b)可看出,应力的发展较为均匀和分散,应力较高水平出现在外钢管的柱上端支座、下端支座以及柱身中上部靠近支座的位置。随着外荷载的增加,应力值不断增大和范围不断扩大,然后在柱身中部位置急剧发展,并达到屈服强度,构件最终在柱身中部产生明显的单个鼓曲变形。由图 4(a)和图 4(b)对比可知,加强筋的存在使得内外钢管更具有整体性,构件均匀受力,变形也更加的饱满。2.2 不同参数下构件的轴压性能2.2.1 加加强强筋筋平平面面角角度度的的影影响响 在不同平面角度下的构件轴压荷载位移曲线如72建材技术与应用 4/2023图 4 钢管受力破坏过程图 5 所示。由图 5 发现,平面角度对构件荷载位移曲线的影响极大,在加载的弹性阶段,平面角度 30的构件表现出比平面角度 60的良好力学性能(前期承载力稍高、刚度也稍大);当加载进入到弹塑性阶段,两者的荷载位移曲线出现较为明显的分离,平面角度 30的承载力增长较快,且较迟于 60的钢管柱达到极限承载力;当加载达到极限承载力以后,随着外载的继续增加,两者的承载力都出现明显下降,但 30角的构件在下降的速度和幅度上都比 60角的迟缓,其在加载后期表现出良好的延性和较高的承载力。这主要是因为钢管出现较大的变形后,众多的加强筋开始沿其轴向受力,使得其发挥出良好的后期延性。图 5 不同角度下构件荷载位移曲线2.2.2 加加强强筋筋竖竖向向间间距距的的影影响响 加强筋不同竖向间距对构件轴压性能的影响如图 6 所示。可以发现,不同加强筋间距下的构件荷载位移曲线几乎重合,这表明在宏观层面上,构件前期的力学性能相同;在达到极限承载力后,三者的承载力都呈现明显的下降趋势,而下降的速度明显不同,间距为 300 mm 的构件承载力下降最为快速、间距为 200 mm 的次之、间距为 100 mm 的最为缓和,这表明随着竖向间距的减小,构件的后期延性不断增大。随着加强筋竖向间距的减小,同样位移下构件的承载力也在增大,但增长幅度并不相同,当位移增加到 8.5 mm 时,间距为 200 mm 的构件承载力为306.4102 kN(相比间距为 300 mm 的构件承载力提升了 36.7102 kN,增幅为 13.6%);当竖向间距加密至 100 mm 时,构件竖向抗压承载力达到325.6102 kN(相比间距为 200 mm 的构件承载力提升了 19.2102 kN,增幅为 6.3%)。图 6 不同间距下构件荷载位移曲线2.2.3 加加强强筋筋强强度度等等级级的的影影响响 不同强度等级下的加强筋构件荷载位移曲线如图 7 所示。不难看出,不同强度下的轴压荷载位移曲线几乎重合,这表明,在此次研究的强度等级范围内(400 MPa、500 MPa 和 600 MPa),加强筋强度的变化对轴压性能几乎无影响,小范围的低强度变化对承载力的提升有限。图 7 不同强度等级下的构件荷载位移曲线3 结论借助科研软件 ABAQUS 对带加强筋的双钢管高强混凝土柱进行了数值模拟,通过施加轴向荷载82Research&Application of Building Materials分析了带加强筋的双钢管混凝土柱与普通钢管混凝土柱的区别,并分析了不同参数对带加强筋柱子的受力性能的影响,得出如下结论:3.1 带加强筋的双钢管混凝土柱与普通的双钢管柱受力过程相似,但前期的受力性能略优于普通双钢管混凝土柱,后期的承载力和延性明显高于普通双钢管混凝土柱。3.2 加强筋平面角度对构件轴压承载力的影响显著,后期的承载力和延性都明显提高;加强筋竖向间距对后期的承载力和延性也有很大影响,当间距为200 mm 时,其构件承载力和延性都处于较高水平;在加强筋强度等级为 400 MPa、500 MPa 和 600 MPa时,加强筋强度等级的变化对构件轴压性能的影响可以忽略。参考文献:1 史艳莉,李校孝,王文达,等.双钢管混凝土轴压短柱受力性能研究J.建筑结构学报,2023,44(7):129-141.2 白盼盼.圆形空心夹层双钢管混凝土短柱受压承载力研究J.江苏工程职业技术学院学报,2020,20(2):9-11.3 吴波,叶文杰.内置高强钢管的圆钢管混凝土柱轴压性能试验研究J.华南理工大学学报:自然科学版,2020,48(4):1-8.4 计静,于殿友,姜良芹,等.实腹式双钢管异强混凝土组合短柱轴压承载力研究J.建筑结构,2020,50(5):120-129.5 卢炜.钢管约束的钢管混凝土短柱轴压性能研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2018.6 舒可.内置加劲肋加劲板双钢管约束屈曲支撑性能研究D.杭州:浙江大学,2018.7 周洁.复合钢管混凝土柱抗震性能研究D.长沙:湖南大学,2017.8 孙庆昭.ABAQUS 混凝土塑性损伤模型概述J.重庆建筑,2014,13(11):70-72.9 江丙云,孔祥宏,罗元元.ABAQUS 工程实例详解M.北京:人民邮电出版社,2014.10 武晓东,童乐为,薛伟辰.双钢板-混凝土组合剪力墙变形特性的有限元分析J.建筑钢结构进展,2017,19(1):17-25,84.Study on Axial Compression Performance of Double Steel Tube High Strength Concrete Column with Reinforcing BarsJIANG Jiang-di1,DUAN Sheng-yun2(1.Zhejiang Hongxiang Construction Group Co.,Ltd.,Jiaxing,Zhejiang,314000,China;2.Guangdong Xufeng Construction Engineering Co.,Ltd.,Huizhou,Guangdong,516000,China)Abstract:In this paper,the common rebar was placed in the gap between the inner and outer steel tubes to make a double steel tube high-strength concrete column with reinforced bars.By means of numerical simulation,the force difference between the column and the common double steel tube column under axial load was studied,and the effects of the parameters such as the plane angle of the reinforcing bars,the vertical spacing and the strength grade on the mechanical properties under axial load were studied.It is found that the mechanical properties of double-steel tube concrete columns with stiffeners are slightly higher than those of conventional double-steel tube concrete columns in the early stage,and the ductility in the later stage is significantly higher than that of ordinary columns.Different parameters have different degrees of influence on its axial compression performance,the plane angle of the stiffener is significant,the vertical spacing is second,and the stiffener strength grade has almost no effect.Key words:stiffeners;double steel tube concrete columns;high strength concrete;numerical simulation作者简介:蒋江迪(1996-),男,浙江东阳人,2018 年本科毕业于宁波工程学院土木工程专业,现从事建筑工程施工与管理方面的工作。收稿日期:2023-02-25(编辑 李江华)沟通信息的窗口 传播技术的桥梁 建材技术与应用邮发代号:224992建材技术与应用 4/2023