内置约束拉杆横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱轴压力学性能研究.pdf

为探究约束拉杆对横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱轴压力学性能的影响,采用有限元软件 ABAQUS 数值仿真模拟和轴压试验分析了内置横向拉杆的横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱的轴压性能,通过对比分析了内置横向拉杆的数量对横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱的荷载-轴向应变曲线、延性、屈服荷载以及核心混凝土约束效应的影响规律。研究表明,内置横向拉杆能够增强对核心混凝土的约束效应,提高横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱的轴压承载力和延性。关键词:约束拉杆;横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱;轴压试验;有限元分析;约束效应 中图分类号:TU398 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)16-0038-06引用本文 王城泉,夏雨,邹昀,等.内置约束拉杆横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱轴压力学性能研究J.建筑结构,2023,53(16):38-43.WANG Chengquan,XIA Yu,ZOU Yun,et al.Study on axial compression properties of concrete-filled horizontal corrugated square steel tubular composite columns with restraint barsJ.Building Structure,2023,53(16):38-43.Study on axial compression properties of concrete-filled horizontal corrugated square steel tubular composite columns with restraint bars WANG Chengquan1,2,XIA Yu3,ZOU Yun3,QU Zheng3,CHEN Ming4,WU Yichao4(1 Department of Civil Engineering,Hangzhou City University,Hangzhou 310015,China;2 Zhejiang Engineering Research Center of Intelligent Urban Infrastructure,Hangzhou 310015,China;3 School of Environmental and Civil Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;4 Shanghai Open Steel Structure Co.,Ltd.,Shanghai 200127,China)Abstract:In order to investigate the influence of restraint bars on the axial compressive mechanical properties of the concrete-filled horizontal corrugated square steel tubular composite columns with restraint bars,the finite element numerical simulation and axial compression test of the axial compression performance of the composite columns were carried out.The influences of the number of setting restraint bars on load-longitudinal strain curve,ductility,yield load and the core concrete constraint effect of concrete-filled horizontal corrugated square steel tubular composite column were analyzed.The study indicated that setting restraint bars can enhance the constraint effect on the core concrete and improve the axial bearing capacity and ductility of the composite column.Keywords:restraint bar;concrete-filled horizontal corrugated square steel tubular composite column;axial compression test;finite element analysis;confinement effect 0概述 钢管混凝土结构由于其较高的承载力和良好的延性,已被广泛应用到工业厂房、高层建筑、桥梁等工程结构中1。方钢管混凝土结构具有制作、施工方便、节点形式灵活、易满足建筑要求、截面相对展开、惯性矩大、稳定性好、适合做压弯构件等优势2。然而研究表明,方钢管混凝土柱中钢管对核心混凝土的约束作用主要集中在角部,周边约束较第 53 卷 第 16 期 王城泉,等.内置约束拉杆横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱轴压力学性能研究弱,容易发生局部屈曲,钢材的材料强度不能得到充分发挥,导致柱的承载力和延性下降3。为了提高方钢管混凝土柱中核心混凝土的套箍效应,国内外学者进行了大量的研究,提出了多种构造形式。Zuo 等4提出带约束拉杆钢管混凝土,沿钢管壁一定纵向间隔的横截面上设置具有约束钢板外凸变形作用的水平约束拉杆,能够避免或延缓钢管壁的局部屈曲,改善钢管对核心混凝土的约束作用,从而提高钢管混凝土柱的承载能力和延性;黄宏等5研究了方钢管的宽厚比和加劲肋的高厚比变化对带肋方钢管混凝土柱力学性能的影响;Petrus 等6研究了加劲肋的设置对钢管混凝土构件抗轴压、抗弯的影响作用;何振强等7研究了约束拉杆直径和间距、钢管厚度、钢材强度的变化对带约束拉杆方钢管混凝土短柱的力学性能影响。郑新志等8对穿孔肋拉杆约束方钢管混凝土短柱轴压力学性能进行了试验和有限元分析,结果表明,穿孔肋拉杆的设置能增强对核心混凝土的约束作用,提高极限轴压承载力和延性,缓解钢管管壁的屈曲。基于此,图 1 为本文针对前期研究提出的横肋波纹钢板-钢管混凝土组合柱9-10,通过在其横肋波纹钢主腔内设置对向约束拉杆以增强对核心混凝土的约束作用。通过开展轴心受压试验和有限元数值仿真模拟,从破坏模态、荷载-轴向应变曲线、承载力提高系数、延性等指标出发,探讨内置约束拉杆横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱在轴压作用下的受力特性,为其在工程中应用提供依据与参考。1轴压承载力试验1.1 试件设计 横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱(CFHCSST)是由四角方钢管和横肋波纹钢板焊接形成的多腔体并浇筑混凝土而成的新型钢管混凝土柱11,如图 1所示。图 1 横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱前期研究发现,横肋波纹钢和方钢管所组成的腔体内混凝土所占面积较大,其内部约束力分布与方钢管混凝土柱类似,呈现约束作用主要集中在角部。为进一步提高核心混凝土所受到的约束效应同时提高核心混凝土与四角方钢管的协同工作性能,提出了一种内置约束拉杆的横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱,约束拉杆为2mm20mm185mm 钢片,沿高度均匀布置,与方钢管通过焊接相连,拉杆处于弹性受力状态,其构造如图 2 所示。图 2 内置约束拉杆横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱构造本文设计了 2 组 CFHCSST 试验柱,其中不带内置约束拉杆的试验柱编号为 CH-1,带内置约束拉杆的试验柱编号为 CH-2。试验柱柱高为 700mm,截面宽为 230mm,柱的长宽比为 3,方钢管截面尺寸为50502,横肋波纹板波形和短柱试件尺寸如图 3所示。图 3 试验柱构造图1.2 加载方式及测点布置 试验在江南大学结构实验室 800t 压力试验机上进行,在柱端的对顶角布置两个位移计,来测定柱的纵向位移,同时在柱中截面布置纵向及93建 筑 结 构2023 年横向应变片,以测量波纹钢板波峰及钢管的纵向和横向应变值,试验测点布置及加载装置如图 4所示。图 4 试验测点布置及加载装置图试验采用分级加载,弹性范围内采用荷载控制加载,每级荷载预计峰值荷载的 1/10,每级荷载持续 2min 左右。当构件进入弹塑性阶段时改用位移加载,每级加载 2mm,接近峰值荷载时采用慢速位移控制连续加载方式,直至试验构件发生严重局部屈曲或出现撕裂时,则认为构件破坏停止加载。1.3 试验现象 试件在轴压试验中的破坏过程及形态具有相似性。当荷载较小时,试件处于弹性工作节点,检测到的截面应变和轴向位移均随荷载的增大呈线性增长,伴随轻微混凝土开裂;钢管、波纹板均未发生屈曲;到达极限荷载时,钢管出现轻微屈曲,此时荷载不再增加而位移持续增大。位移继续增加,荷载开始缓慢下降,柱中钢管有明显鼓曲,波纹板出现局部鼓曲,内部核心混凝土向外膨胀并出现压碎现象,由于钢骨架及拉杆的约束作用,核心混凝土仍保持较好的整体性;荷载降到极限承载力的75%,钢管鼓曲严重,波纹板屈曲明显,停止加载。破坏形态见图 5。图 5 试件破坏形态2有限元数值模拟2.1 有限元建模 采用 ABAQUS 软件建立试验有限元模型,如图6 所示。混凝土、方钢管、约束拉杆以及端部加载板采用 八 节 点 线 性 减 缩 积 分 六 面 体 实 体 单 元(C3D8R)模拟,波纹钢板采用壳单元 S4R 模拟,并考虑壳厚度方向 9 个 Simpson 积分点12;网络划分采用 Structured 网格划分技术,网格最小尺寸为0.005 m,其他位置网格尺寸为 0.01m。由于有限元模型中方钢管形状较为规则,因而本文采用扫掠网格进行划分。在对钢管网格划分单元数目时,需要确保钢管与缀条接触面处的节点重合,然后再将这些重合节点合并,从而可以保证方钢管和拉杆在这些节点处(即焊接处)变形协调。以三层约束拉杆的 CFHCCST 柱模型为例,有限元模型共 252 220 个节点、182 349 个实体单元、17 784 个壳单元。图 6 内置约束拉杆的 CFHCCST 短柱有限元模型钢材本构采用理想弹塑性模型来模拟,弹性模量与屈服强度均采用实测值,泊松比取为 0.3。混凝土采用塑性损伤模型来模拟。混凝土本构采用混凝土结构设计规范(GB 500102010)13推荐的模型,其中混凝土轴心抗压强度采用圆柱体抗压强度 fc;混凝土弹性模量 Ec=4 730 fc14,混凝土的峰值压应变参考文献15推荐的换算关系计算;混凝土抗拉强度 ft=0.26fcu2/316,泊松比取为 0.2。波纹钢、钢管和混凝土界面法线方向设置硬接触,切线方向设置摩擦接触关系,摩擦系数取为0.617;钢管、加载板与波纹钢板之间采用壳-实体耦合“shell-to-solid-coupling”;柱与上下端部加载板间采用面与面的绑定约束(Tie)。之后,对其施加边界条件,即将柱底端所有节点进行约束,并对柱顶端所有节点的水平自由度进行约束,在上端板上方设置参考点并与端板表面进行耦合,在参考点上施加位移荷载。2.2 计算结果分析2.2.1 荷载-轴向应变曲线图 7 为内置约束拉杆的 CFHCCST 试验柱的荷04第 53 卷 第 16 期 王城泉,等.内置约束拉杆横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱轴压力学性能研究载-轴向应变曲线。由图可见,各试件曲线大致可分为三个阶段,即弹性阶段、弹塑性阶段和承载力下降阶段。弹性阶段曲线起初趋于一条直线,此时试件 CH-1 和 CH-2 均处于弹性工作状态,荷载-轴向应变曲线在此阶段斜率基本相同,说明拉杆约束拉杆对 CFHCCST 柱的初始刚度影响不大;第二阶段为弹塑性工作状态,曲线增长逐渐平缓;弹塑性阶段试件 CH-2 曲线斜率大于 CH-1,说明增加拉杆约束拉杆能够提高此阶段柱的刚度;达到极限承载力后,曲线进入下降阶段,此时,试件 CH-1 柱的极限承载力为 2 500kN,试件 CH-2 的极限承载力为2 804kN,相比于试件 CH-1 提高了 12.16%,说明增加内置约束拉杆能够提高 CFHCCST 柱的极限承载力。图 7 试验柱荷载-轴向应变曲线2.2.2 有限元数值计算结果对比验证为了验证上述有限元建模的准确性,选取试验结果与有限元计算结果进行对比,如图 8 所示。对比可知,有限元分析结果与试验结果获得的荷载-轴向应变曲线基本趋于一致,有限元得到的曲线弹性刚度大于试验结果,这是由于有限元分析过程中未考虑试件加工初始缺陷、残余应力等因素的影响,但误差在可接受范围内。对于试件 CH-1,极限承载力试验值和有限元值分别 为 2 500kN 和 2 613.4kN,差 值 百 分 率 为4.5%;试件 CH-2 极限承载力试验值和有限元值分别为 2 804.33kN 和 2 866.46kN,差 值 百 分 率为 2.5%。由此可见,有限元模型的各项力学指标计算值与试验值误差率均保持在 5%以内,表明本文建模方法其模拟结果能够准确反映内置约束拉杆CFHCCST 柱的实际受力和变形。因此,本文采用的有限元分析方法具有一定的准确性,可为后续分析研究提供基础。2.2.3 有限元参数分析本文通过有限元建立了 10 个试件模型,研究拉图 8 试验与有限元荷载-轴向应变结果对比曲线杆层数、拉杆间距及拉杆截面尺寸对 CFHCCST 柱轴压承载力的影响。各模型的截面尺寸均和试验的试件一致,表 1 为详细参数及承载力结果。表 1 各试件模型的主要参数及承载力结果试件编号拉杆层数拉杆间距/mm拉杆截面尺寸/mm峰值荷载/kNFC-002 613.40FC-112202 644.87FC-223502202 765.36FC-331752202 866.46FC-441402202 870.85FC-521752202 874.59FC-621402202 869.78FC-723501202 736.03FC-823503202 773.67FC-923506102 754.37为了进一步分析内置约束拉杆对 CFHCCST 柱极限承载力、延性和屈服强度的影响规律,将有限元模型结果进行计算统计并列于表 2 中。其中,延性系数 定义为:=u/y(1)式中:u为极限荷载对应位移;y为等效屈服位移,可通过几何作图法、等能量法和 R.Park 法三种方法确定18。同时,为评价钢管、波纹钢板以及混凝土三者之间的组合作用,本文引用承载力提高系数 Is19,并将结果列于表 2,其表达式如下:Is=Nu/(fcAcc+fysAs)(2)14建 筑 结 构2023 年式中:Nu为试件轴压承载力;Acc为波纹钢板内混凝土净截面积;As为钢管截面积;fc、fys分别为混凝土圆柱体抗压强度和方钢管屈服强度。由表 2 可知,与试件 FC-0 相比,FC-1 轴压极限承载力提高了 1.2%,延性提高了 3.8%;试件 FC-2轴压极限承载力提高了 5.8%,延性提高了 38.8%;试件 FC-3 轴压极限承载力提高了 9.7%,延性提高了 39.4%;试 件 FC-4 轴 压 极 限 承 载 力 提 高 了9.8%,延性提高了 39.4%。而 5 个试件的承载力提高系数分别为 1.15、1.16、1.22、1.26 和 1.26。这说明内置约束拉杆对核心混凝土的约束效应提高了柱的承载力和延性,增强了 CFHCCST 短柱的力学性能。表 2 有限元计算结果试件编号FC-0FC-1FC-2FC-3FC-4FC-5FC-6FC-7FC-8FC-9峰值荷载fp/kN2 613.40 2 644.87 2 765.36 2 866.46 2 870.58 2 874.59 2 869.78 2 736.03 2 773.672 754.37极限荷载0.85fp/kN2 221.39 2 248.14 2 350.56 2 436.49 2 439.99 2 443.40 2 439.31 2 325.63 2 357.62 2 341.21 对应位移u/mm0.013 70.017 50.025 40.025 60.026 9 0.026 2 0.026 1 0.025 1 0.025 6 0.025 0 几何作图法fy/kN2 387.62 2 413.87 2 536.17 2 630.24 2 636.22 2 636.77 2 634.57 2 507.72 2 545.10 2 525.07 y/mm0.010 9 0.011 0 0.011 9 0.012 0 0.012 1 0.012 0 0.012 0 0.011 9 0.012 0 0.011 9 11.53 1.59 2.13 2.14 2.23 2.18 2.17 2.11 2.14 2.10 等能量法fy/kN2 303.44 2 329.46 2 448.71 2 539.18 2 544.91 2 545.64 2 543.05 2 421.97 2 456.99 2 438.65 y/mm0.010 3 0.010 4 0.011 3 0.011 3 0.011 5 0.011 4 0.011 4 0.011 3 0.011 3 0.011 3 21.62 1.68 2.24 2.26 2.35 2.30 2.29 2.22 2.26 2.21 R.Park 法fy/kN2 369.32 2 396.54 2 509.26 2 602.22 2 609.38 2 610.05 2 607.56 2 480.73 2 517.99 2 498.33 y/mm0.010 8 0.010 9 0.011 8 0.011 8 0.011 9 0.011 8 0.011 8 0.011 7 0.011 8 0.011 7 31.55 1.61 2.16 2.18 2.26 2.21 2.20 2.14 2.18 2.13 平均值fy/kN2 353.46 2 379.96 2 498.05 2 590.54 2 596.84 2 597.48 2 595.06 2 470.14 2 506.69 2 487.35 y/mm0.010 7 0.010 8 0.011 7 0.011 7 0.011 8 0.011 8 0.011 7 0.011 6 0.011 7 0.011 6 1.57 1.63 2.18 2.19 2.28 2.23 2.22 2.16 2.19 2.15 承载力提高系数Is1.15 1.16 1.22 1.26 1.26 1.27 1.26 1.20 1.22 1.21 图 9 拉杆层数的影响图 10 拉杆间距的影响图 11 拉杆截面尺寸的影响(1)拉杆层数图 9 给出了不同约束拉杆层数对 CFHCCST 柱轴压力学性能的影响。由图可知,5 组试件的荷载-轴向应变曲线弹性阶段斜率基本相同,说明拉杆纵向间距对 CFHCCST 柱初始刚度影响不大;在弹塑性阶段 4 个试件曲线开始逐渐发生分离,其中设置4 层约束拉杆的 CFHCCST 柱刚度和承载力最大;在极限荷载阶段时,设置4 层约束拉杆的 CFHCCST 柱极限承载力最大为2870.58kN;此外,随着约束拉杆设置数量的增加,曲线下降段趋势更加平缓,这说明约束拉杆在试件进入塑性变形阶段时可延缓试件塑性变形。其次,根据表 2 中的数据,对比试件 FC-3 和FC-4 可知,约束拉杆的数量存在最佳值,等间距布置的拉杆应选择 24 层,超过后随着约束拉杆数量的增大,CFHCCST 短柱承载力、延性和约束效应的提升幅度将减小。(2)拉杆间距为研究拉杆间距对 CFHCCST 短柱轴压性能的影响,在两组拉杆试件的基础上,增加拉杆间距分别为175mm(试件 FC-5)和140mm(试件 FC-6)的组合柱模型,其荷载-位移曲线如图 10 所示,其中,在拉杆层数不变的情况下,组合柱承载力及延性均随拉杆间距减小先上升后降低;由表 2 可知,与试件FC-2 相比,试 件 FC-5 轴 压 极 限 承 载 力 提 高 了3.9%,延性提高了 2.3%;试件 FC-6 轴压极限承载力提高了 3.7%,延性提高了 1.8%;说明约束拉杆沿柱中对称布置的存在最佳间距,短柱布置最佳间距约为柱高 1/41/2。24第 53 卷 第 16 期 王城泉,等.内置约束拉杆横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱轴压力学性能研究(3)拉杆截面尺寸图 11 给出了不同约束拉杆截面尺寸对组合柱轴压力学性能影响,结合表 2 可知,拉杆截面尺寸对组合柱的承载力影响较小。在拉杆高度一定时,组合柱承载力随拉杆宽度增大而提高,但对比截面尺寸相同的试件 FC-8 和FC-9,宽度与高度比值较小的试件 FC-8 承载力较高。3结论 本文通过对内置约束拉杆横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱进行轴压试验和有限元数值仿真研究,从破坏过程系统地揭示了约束拉杆对柱力学性能的影响规律,得到以下结论:(1)通过内置约束拉杆的构造措施能提高核心混凝土的约束效应,从而提高了柱的承载力和延性,可用于实际工程结构中。(2)约束拉杆的数量存在最佳值,超过后随着约束拉杆数量的增多,CFHCCST 短柱承载力、延性和约束效应的提升幅度将减小,本文推荐等间距布置的拉杆 24 组。(3)本文所提出的有限元建模方法可较为准确模拟内置约束拉杆横肋波纹钢-钢管混凝土组合柱的变形和承载力。参考文献 1 韩林海.钢管混凝土结构:理论与实践M.2 版.北京:科学出版社,2007.2 杨秀荣,姜谙男.带约束拉杆 L 形方钢管混凝土组合柱轴压性能J.沈阳工业大学学报,2019,41(5):594-600.3 CAI J,HE Z Q.Axial load behavior of square CFT stub column with binding barsJ.Journal of Constructional Steel Research,2006,62(5):472-483.4 ZUO Z L,LIU D X,CAI J,et al.Experiment on T-shaped CFT stub columns with binding bars subjected to axial compression J.Advanced Materials Research,2013,838/839/840/841:439-443.5 黄宏,张安哥,李毅,等.带肋方钢管混凝土轴压短柱试验研究及有限元分析J.建筑结构学报,2011,32(2):75-82.6 PETRUS C,ABDUL HAMID H,IBRAHIM A,et al.Experimental behaviour of concrete filled thin walled steel tubes with tab stiffeners J.Journal of Constructional Steel Research,2010,66(7):915-922.7 何振强,蔡健,陈星.带约束拉杆方钢管混凝土短柱轴压性能试验研究J.建筑结构,2006,36(8):49-53.8 郑新志,郭好振,孙玉涛.穿孔肋拉杆约束方形钢管混凝土短柱轴压性能数值模拟J.河南理工大学学报(自然科学版),2021,40(3):149-155.9 邹昀,高传超,王城泉,等.高轴压比下波纹侧板-方钢管混凝土柱抗震性能试验研究J.地震工程与工程振动,2020,40(4):35-41.10 康金鑫,邹昀,王城泉,等.波纹侧板-方钢管混凝土柱轴压性能研究 J.建筑结构学报,2020,41(7):146-153.11 WANG C Q,YUN Z,KANG J X,et al.Behavior of an innovative square composite column made of four steel tubes at the corners and corrugated steel batten plates on all sidesJ.Advances in Civil Engineering,2019(5):1-14.12 张建周,郭旺,安泽宇.型钢-PBL 加劲型方不锈钢管混凝土轴压短柱非线性分析J.建筑结构,2017,47(S2):249-254.13 混凝土结构设计规范:GB 500102010S.北京:中国建筑工业出版社,2011.14 Building code requirements for structural concrete and commentary:ACI 318-14SFarmington Hills:American Concrete Institute 2014.15 DE NICOLO B,PANI L,POZZO E.Strain of concrete at peak compressive stress for a wide range of compressive strengthsJ.Materials and Structures,1994,27(4):206-210.16 王宣鼎.钢管约束型钢混凝土短柱轴压及偏压力学性能研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.17 ZHONG T,WANG Z B,YU Q.Finite element modelling of concrete-filled steel stub columns under axial compression J.Journal of Constructional Steel Research,2013,89:121-131.18 徐兵,吴发红,徐桂中,等.直肋和开孔肋对方钢管混凝土短柱轴压性能影响研究J.建筑结构,2020,50(13):71-75.19 江枣,钱稼茹.钢管混凝土短柱轴心受压承载力与钢管作用研究J.建筑结构,2010,40(8):94-98.(上接第 14 页)18 Design of buildings to resist progressive collapse:UFC 4-023-03 S.Washington,D.C.:Department of Defense,2010.19 ALASHKER Y,EL-TAWIL S.A design-oriented model for the collapse resistance of composite floors subjected to column loss J.Journal of Constructional Steel Research,2011,67(1):84-92.20 JIAN H,ZHENG Y.Simplified models of progressive collapse response and progressive collapse-resisting capacity curve of RC beam-column substructures J.Journal of Performance of Constructed Facilities,2014,28(4):04014008.34