薄壁波紋鋼管混凝土柱局部屈曲性能研究

朱哲清， 高劍平， 羅 民

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，南昌330013）

0 引 言

薄壁鋼管柱因?yàn)槠涓邚?qiáng)度和高剛度的特點(diǎn)，常被用作城市高架橋的橋墩.然而，在歷史上多次地震中，這類柱子遭受局部屈曲破壞嚴(yán)重，給災(zāi)后搜救工作帶來了極大的阻力[1].已有試驗(yàn)研究[2]的結(jié)果表明，方鋼管混凝土柱中鋼管發(fā)生局部屈曲現(xiàn)象比空鋼管混凝土柱滯后.通過鋼結(jié)構(gòu)方法確定的鋼管寬厚比對于鋼管混凝土柱來說是偏低的.對于某些采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的中低層建筑以及城市高架橋的墩身而言，對構(gòu)件的整體承載力要求相對偏低，所以外用鋼管可以適當(dāng)?shù)牟捎酶虞p薄的鋼管，此舉可以較為有效地節(jié)約鋼材的用量，在保證構(gòu)件承載力的要求下，達(dá)到降低總體工程項(xiàng)目造價(jià)的目的[3].試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[4-5]均表明：因受壓翼緣發(fā)生局部屈曲，這類薄壁鋼管柱在軸力和彎矩的組合作用下，在柱端部塑性鉸區(qū)一定范圍內(nèi)往往發(fā)生集中破壞，而板的局部屈曲會削弱構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和耗能能力.

因此，為了提高薄壁鋼管的抗屈曲能力和屈曲后的抗震性能，提出了一種新型的薄壁波紋鋼管混凝土柱，其截面如圖1所示 （其中D為波紋管邊長，b1、b2分別為波紋折線段邊長，t為鋼板厚度）.在薄壁波紋鋼管混凝土柱滯回性能試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上[6]，利用有限元軟件ABAQUS模擬了薄壁波紋鋼管混凝土柱在低周往復(fù)荷載作用下滯回性能和局部屈曲性能，并分析了鋼板的強(qiáng)度、寬厚比、長細(xì)比及混凝土強(qiáng)度對薄壁波紋鋼管柱局部屈曲臨界承載力的影響規(guī)律.

圖1 薄壁波紋鋼管混凝土柱截面示意圖

1 試驗(yàn)研究

擬靜力試驗(yàn)在湖南大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵愿呒軜蛑鶠檠芯繉ο螅捎脩冶壑Ｐ?試件制作分為3部分：底座、柱身和柱頭.為了確保鋼筋混凝土管柱底部為沒有轉(zhuǎn)動和滑移的固定端，在試件柱身的底部設(shè)計(jì)了一個(gè)相對剛度很大的基座.

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，柱腳（柱身靠近底座部位）部位各面局部屈曲區(qū)域的屈曲波基本連結(jié)成凸凹的一個(gè)環(huán)狀；敲擊各面鼓曲部位可以聽到空洞的聲音，剖開鋼板后發(fā)現(xiàn)柱腳處局部屈曲破壞比較嚴(yán)重，壓碎后混凝土呈片狀脫落，說明了薄壁波紋鋼板在柱腳處約束較弱，容易發(fā)生局部屈曲.

各試件的屈曲破壞狀況均為距柱腳處2～3 cm左右區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀外凸屈曲部分.觀察到各試件在1～3倍屈服位移處發(fā)生受壓側(cè)鋼筒鼓曲.經(jīng)過卸載并反向加載后，鼓曲的部分基本復(fù)原，但卻引起另一側(cè)受壓區(qū)鋼管鼓曲.隨著繼續(xù)加載，鼓曲向兩側(cè)延伸，變得越來越顯著.當(dāng)鼓曲較明顯后，卸載并反向加載后鼓曲將不再被拉平，但仍然看到，存在明顯的受拉側(cè)向鼓曲.最后破壞呈三種狀態(tài)：①直縫管開裂且發(fā)生橫向拉伸開裂；②鋼管直焊縫開裂；③鋼管只發(fā)生鼓曲而不發(fā)生斷裂.

2 薄壁波紋鋼管混凝土柱局部屈曲有限元模擬

2.1 有限元計(jì)算模型

鋼材采用四節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的殼單元(S4R)，考慮到計(jì)算的精度和時(shí)間，在殼單元厚度方向采用9個(gè)積分點(diǎn)的辛普森積分[6]；核心混凝土和剛性底板均采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元(C3D8R)，該單元可用于模擬較大的網(wǎng)格屈曲，進(jìn)行大應(yīng)變分析[7-10].為了便于施加邊界條件及荷載作用，引入兩個(gè)剛片.加載裝置中的底部基座等效為一個(gè)剛片，另一個(gè)剛片作為蓋板，均與鋼管混凝土柱固接.在分析的過程中采用多個(gè)分析步進(jìn)行模擬[11-12]，在第一個(gè)分析步中對構(gòu)件底部蓋板施加軸向面荷載，后面的多個(gè)分析步中均保持軸力恒定，將每個(gè)循環(huán)中的正向、反向加載各自定義成一個(gè)分析步，依次對柱端的蓋板進(jìn)行位移加載.

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較

骨架曲線綜合反映了試件受力和變形的關(guān)系，它能較為直觀的反映出試件在水平荷載作用下的屈服荷載、最大荷載、極限位移和延性等主要特征，文中所要研究的局部屈曲荷載即為骨架曲線中的最大荷載.如圖2，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果大致吻合，說明可以用文中所建立的有限元模型去模擬薄壁波紋鋼管混凝土柱發(fā)生局部屈曲時(shí)的影響參數(shù).

圖2 試件B2的骨架曲線圖

圖3表示薄壁波紋鋼管混凝土柱在柱腳處應(yīng)力最大，這也是最可能首先發(fā)生局部屈曲的部位，與試驗(yàn)結(jié)果是相符的.

圖3 薄壁波紋鋼管混凝土柱應(yīng)力分布

2.3 局部屈曲影響因素分析

2.3.1 寬厚比的影響

把波紋鋼板的厚度分為9個(gè)等級，試件的截面尺寸和材料特性為：波紋管邊長D=276mm，波紋折線段邊長b1=42 mm，b2=40 mm，鋼材強(qiáng)度fy=246MPa，混凝土強(qiáng)度fcu=48.8MPa，試件長度b=1500mm，軸向壓力No=450 kN.鋼板厚度和寬厚比取值見表1.

表1 寬厚比對屈曲荷載的影響

如表1和圖4所示，隨寬厚比的增加，鋼管對混凝土的強(qiáng)度提高系數(shù)逐漸降低，導(dǎo)致局部屈曲荷載逐漸減小.

圖4 寬厚比對屈曲荷載的影響

2.3.2 鋼材強(qiáng)度的影響

選取了規(guī)范中規(guī)定的4種鋼材，其截面尺寸和材料特性為：D=276mm，b1=42mm，b2=40mm，混凝土強(qiáng)度fcu=48.8MPa，試件長度b=1500mm，軸向壓力No=450 kN，寬厚比=276，鋼板厚度t=1mm，當(dāng)鋼材強(qiáng)度 fy分別取 235、345、390、420 MPa 時(shí)，屈曲荷載 Nuo分別為 35.2、44.5、47.6、49.6 kN.

圖5為鋼材強(qiáng)度對屈曲強(qiáng)度的影響規(guī)律.鋼管起到約束混凝土的作用，提高鋼材強(qiáng)度能提高薄壁鋼管混凝土整體的抗壓強(qiáng)度.從圖5可以看出，薄壁鋼管混凝土的屈曲荷載會隨著鋼材強(qiáng)度的增加而增大.

圖5 鋼材強(qiáng)度對屈曲荷載的影響

2.3.3 混凝土強(qiáng)度的影響

選取了規(guī)范中規(guī)定的C25～C70的混凝土，共模擬了6種混凝土，其截面尺寸和材料特性為： D=276 mm，b1=42 mm，b2=40 mm，試件長度b=1500 mm，軸向壓力No=450 kN，寬厚比=276，鋼板厚度t=1 mm，鋼材強(qiáng)度fy=246 MPa，當(dāng)混凝土強(qiáng)度 fcu分別取 C25、C30、C40、C50、C60、C70 時(shí)，屈曲荷載 Nuo分別為：31、31.6、33.9、34、34.3、34.9 kN.

圖6為混凝土強(qiáng)度對屈曲荷載的影響規(guī)律.對同一種截面形狀、內(nèi)填不同強(qiáng)度混凝土的薄壁鋼管混凝土，混凝土強(qiáng)度越低，鋼管的約束作用越強(qiáng)，混凝土強(qiáng)度提高越多.從圖6可以看出，混凝土強(qiáng)度對薄壁波紋鋼管混凝土柱的屈曲荷載影響不大.

圖6 混凝土強(qiáng)度對屈曲荷載的影響

2.3.4 長細(xì)比的影響

選取了5種不同長細(xì)比的混凝土構(gòu)件，其截面尺寸和材料特性為：D=276 mm，b1=42 mm，b2=40mm，軸向壓力 Nɑ=450 kN，寬厚比=276，鋼板厚度t=1mm，混凝土強(qiáng)度48.8 MPa，鋼材強(qiáng)度fy=246 MPa，當(dāng)試件長度 b 分別?。?500、2070、2760、3588、4140 mm 時(shí)，屈曲荷載 Nuo結(jié)果為：33.9、26.1、15.5、11、8.7 kN.

圖7為長細(xì)比對屈曲荷載對的影響規(guī)律.長細(xì)比越大的構(gòu)件越容易發(fā)生彎曲失穩(wěn)破壞，通過圖7可以分析出薄壁波紋鋼管混凝土柱的屈曲荷載隨著長細(xì)比的增加而逐漸減小.

圖7 長細(xì)比對屈曲荷載的影響

3 結(jié) 論

文中運(yùn)用有限元軟件ABAQUS對影響薄壁波紋鋼管混凝土柱屈曲的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析，影響規(guī)律如下：

（1）隨著寬厚比的增大屈曲荷載基本上逐漸遞減.（2）隨著鋼板強(qiáng)度的增加，屈曲荷載逐漸增大.（3）當(dāng)混凝土強(qiáng)度增加時(shí)，屈曲荷載變化不是很大.

（4）隨著長細(xì)比的增加，屈曲荷載呈逐漸遞減的趨勢.

因此，工程實(shí)踐中，可采用增大柱截面尺寸，同時(shí)適當(dāng)降低寬厚比等措施提高薄壁波紋鋼管混凝土柱的抗局部屈曲能力.

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