角钢约束混凝土轴压短柱力学性能研究.pdf

建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 4 期 2012 年 4 月 Vol. 33No. 4Apr． 2012 015 文章编号 1000-6869 2012 04-0121-07 角钢约束混凝土轴压短柱力学性能研究 张文福 1，计 静 2，鲁华伟3，隋海燕2 1． 东北石油大学 黑龙江省防灾减灾与防护工程重点实验室，黑龙江大庆 163318; 2． 东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江大庆 163318; 3． 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451 摘要 对 10 个高宽比为 3 的角钢约束混凝土短柱进行轴心受压试验， 观察试件的破坏过程， 得到了试件的荷载- 轴向位移关 系曲线， 根据试验结果， 分析了构件截面尺寸、 缀板间距以及混凝土强度对角钢约束混凝土柱承载力的影响; 利用有限元软 件 ANSYS 对试验过程进行数值仿真分析。结果表明 试件最终破坏时在试件中部附近位置角钢和缀板出现凸鼓变形; 随 着缀板间距的增大， 试件的承载力逐渐减小， 荷载- 位移曲线下降越明显， 可见在相同条件下， 缀板间距是影响角钢约束混凝 土短柱承载力的主要因素。在试验和仿真分析的基础上提出角钢约束混凝土轴压短柱承载力的简化计算式。 关键词 角钢约束混凝土短柱;轴压试验;有限元分析;承载力 中图分类号 TU398. 2TU528. 57TU317. 1 文献标志码 A Behavior of angle reinforced concrete stub column under axial compression ZHANG Wenfu1，JI Jing2，LU Huawei3，SUI Haiyan2 1． Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention，Mitigation and Protection Engineering， Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China; 2． College of Civil and Architecture Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China; 3． Offshore Oil Engineering Co．，Ltd，Tianjin 300451，China AbstractExperimental research on 10 angle reinforced concrete ARCstub columns with a height to width ratio of 3. 0 subjected to axial compressive load was carried out． The failure process of the specimen was observed and the load- axial displacement curves of the specimens were obtained． According to the experimental results， the influences of section size of specimens，battens spacing and concrete strength on the bearing capacity of the ARC stub columns were analyzed． The experimental process was simulated by finite element software ANSYS． The results show that the convex bulging deation occurs in angle and batten of specimens near the middle position of columns when the specimens fail． With the increase of the distance between the battens，the bearing capacity of specimens becomes smaller and the load- displacement curve decreases more obviously． So battens spacing is the important factor influencing the bearing capacity of the ARC stub columns under the same condition． Based on the experimental data and simulation analysis， a simple calculation ula for the bearing capacity of the ARC stub columns under axial compression is proposed． Keywordsangle reinforced concrete stub column;axial compression test;finite element analysis;bearing capacity 基金项目 国家自然科学基金面上项目 51178087 ， 黑龙江省教育厅科学技术研究项目 12511022 ， 黑龙江省自然科学基金项目 E200811 。 作者简介 张文福 1965 ， 男， 山东招远人， 工学博士， 教授。E- mail zwfdqpi126. com 收稿日期 2010 年 3 月 121 0引言 钢- 混凝土组合结构利用了钢材和混凝土在受力 过程中的相互作用， 充分发挥两种材料的性能， 具有 承载力高， 抗震性能好， 施工方便， 节约材料等特点。 随着我国经济建设的迅猛发展， 钢- 混凝土组合结构 在高层、 超高层建筑和桥梁中得到了越来越广泛的 应用 ［1- 3 ］。 角钢约束混凝土结构是一种介于钢结构与钢筋 混凝土结构之间的新型组合结构形式， 骨架可以在 工厂预制， 从而简化施工程序， 加快施工进度， 在实 际工程中可取得良好的经济效益和社会效益。国外 对配置角钢的混凝土构件力学性能开展了一些研 究， 早在 1980 年加拿大的 Sheikh 等对配角钢空间桁 架的型钢混凝土柱进行了静力试验， 获得试件的承 载力及变形 ［4 ］。1982 年 Sheikh 等对空腹式配钢的型 钢混凝土柱进行静载试验， 考察了柱的破坏过程， 得 到荷载- 跨中变形关系曲线， 建议了该类柱的截面承 载力计算方法 ［5 ］。国内对配置角钢混凝土构件的研 究主要集中在将角钢设置在梁或柱四角以加固混凝 土构件为目的的外包钢混凝土结构 ［6-8 ］。西安建筑 科技大学的赵鸿铁 ［1 ］完成了 9 根剪跨比为 2、 采用角 钢箍或钢板箍的角钢混凝土柱在水平低周反复荷载 作用下的试验， 建立了为工程界所接受的斜截面承 载力计算公式。西安建筑科技大学石晶等 ［9 ］完成了 6 根剪跨比为 2 ～3. 3、 采用焊接于纵向角钢上的钢筋 作箍筋的空腹式角钢混凝土柱在低周反复荷载作用 下的试验， 研究了这类柱的破坏形态和滞回性能。 同济大学周颖等 ［10 ］完成了 5 根空腹式劲性钢筋混凝 土柱的低周反复加载试验， 建立了该类柱的斜截面 受剪承载力计算式。 外包角钢混凝土柱受力可靠、 施工简便， 同时对 核心混凝土有较好的约束， 因此能大幅度提高柱的 承载力 ［11 ］。从国内外的研究现状不难看出， 对新建 外包角钢混凝土构件的研究亟待深入， 为此， 本文对 高宽比为 3 的 10 个角钢约束混凝土短柱进行了轴压 试验研究， 旨在为该类柱的工程设计提供参考依据。 1试验概况 1. 1试件设计 试验设计制作了 10 个角钢约束混凝土短柱试 件。考虑到实际工程的应用、 试验的可行性， 试件主 要参数有 试件高度、 截面尺寸、 缀板间距、 混凝土强 度等。试件的具体参数见表 1， 为了使试件受力均 匀， 在每个试件的上下两端都制作了厚度为 4 mm 的 钢盖板， 试件加工时， 试件一端盖板先预留直径为 100 mm的预留孔， 用于浇筑混凝土， 待浇筑完混凝土 后， 孔口混凝土抹平， 保持表面平齐。图 1 为成型的 角钢骨架。 表 1试件参数 Table 1Details of specimens 试件 编号 截面边长 b /mm 高度 H /mm 高宽比 H/b 缀板间距 s /mm fcu/ MPa ARC1200600310040. 96 ARC220060035040. 96 ARC320060032040. 96 ARC4150450310040. 96 ARC515045032040. 96 ARC6200600310036. 30 ARC720060035036. 30 ARC8200600310030. 81 ARC920060035030. 81 ARC1015045035030. 81 图 1成型的角钢骨架 Fig． 1ed angle frame 1. 2试件制作及材性试验 本次试验设计混凝土强度等级为 C50， 钢材为 Q235， 角钢∟ 50 5， 缀板均取材于同一块钢板， 缀板 的宽度为 40 mm， 厚度为 4 mm， 缀板和角钢通过焊接 组成钢骨架。根据 GB 63791986金属拉伸试验试 样 ， 拉伸试验在大庆石油学院力学实验室 600 kN 全 能试验机上进行， 测得材料特性见表 2 和表 3。 表 2钢板的材料特性 Table 2Material properties of steel plates 钢材种类 屈服强度 fy/MPa 极限强度 fu/MPa 弹性模量 Es/MPa 纵向角钢256. 0315. 01. 98 105 横向缀板237. 0284. 42. 00 105 表 3混凝土立方体抗压强度平均值 Table 3Average cubic compressive strength of concrete 批次立方体抗压强度 fcu/MPa平均值 fcu/MPa 第一批36. 8940. 7145. 2741. 06 第二批33. 1135. 5640. 2236. 30 第三批29. 4428. 0035. 0030. 81 221 1. 3试验装置及加载制度 所有试件都在 5 000 kN 液压伺服试验机上进行 轴向加载。本试验采用荷载- 位移双控制加载制 度 ［12 ］， 首先采用力加载控制， 以 2. 00 kN/s 的速度匀 速连续加载; 待试件达到最大荷载时改用位移加载 控制 ［13 ］， 位移加载的速率为 0. 05 mm/s， 直到试件破 坏。仪器自动记录位移和荷载， 试验装置如图 2。 1. 4测点布置 研究轴心受压作用下， 角钢和缀板表面的应变 分布是十分重要的， 本次试验在 4 个角钢上各粘贴 1 个电阻应变片测量其纵向应变; 6 个电阻应变片测量 缀板中截面的横向应变。电阻应变片的具体布置如 图3 所示。试验时， 通过预先在试件上贴好的电阻应 变片由 DH3818 静态应变测试仪数据采集仪记录试 验过程中应变的变化情况。 图 2试验装置 图 3主要测点布置 Fig． 2Test setupFig． 3Main measurement points 1. 4试验结果及分析 10 个试件破坏过程相似， 以试件 ARC7 为例进 行描述， 图 4 为试件 ARC7 的荷载 N- 位移 Δ曲 线。从图4 看出， 加载初期， 试件处于弹性工作阶段， 整个试件外形没有变化， 从静态应变仪的数据看出， 角钢的应变协调， 物理对中好， 受力合理; 继续加载， 底部缀板间的混凝土表层有爆皮现象， 同时伴随有 轻微的噼啪声， 荷载加至 1 680 ～1 890 kN 之间， 爆皮 由下向上扩展， 并出现部分脱落， 混凝土压碎的噼啪 声加剧; 荷载加至 2 000 kN 时混凝土脱落进一步加 剧， 混凝土被进一步压碎， 但从外表观察， 角钢和缀 板还没有明显的变形现象， 荷载达到最大值， 荷载- 位 移曲线进入水平阶段。进入位移控制加载阶段， 位 移加至 13 mm 时， 底部缀板出现外鼓， 随后上部缀板 出现外鼓， 中下部混凝土大面积严重脱落; 位移增至 20. 6 mm 时， 缀板外鼓， 柱底部混凝土外鼓， 中下部角 钢出现弯曲现象， 中上部至顶部混凝土也出现大量 的脱落现象; 随着位移的继续增加， 中下部角钢弯曲 变形严重， 混凝土严重被压碎， 随着一侧缀板的断 裂， 试件宣告破坏。图 5 为试件 ARC7 破坏形态。 图 4试件 ARC7 荷载- 位移曲线 Fig． 4Load- displacement curve of specimen ARC7 图 5试件 ARC7 的破坏形态 Fig． 5Failure modes of specimen ARC7 从本次试验可以发现， 所有的试件在破坏前均 有明显的预兆， 表现出良好的延性; 从试件破坏情况 可以看出， 试件几乎均在中部附近出现角钢的弯曲 和缀板的凸鼓变形， 形成试件的薄弱区域， 从而导致 试件的破坏， 甚至有的试件在角钢和缀板的焊接处 造成撕裂。 缀板间距实际上反映的是试件的体积配箍率， 因此缀板间距直接影响试件的承载力。图 6 分析了 缀板间距对角钢约束混凝土短柱 N- Δ 曲线的影响， 从图中可以看出 在混凝土强度等级相同的情况下， 随着缀板间距的增大， 试件的承载力显著变小， 弹性 阶段和强化阶段的刚度基本保持一致; 当缀板间距 达到 100 mm 时， 荷载- 位移曲线出现了明显的下降 段， 说明随着缀板间距的增大， 试件的延性降低。总 之缀板间距对试件的承载力影响较大， 而对 N- Δ 曲 线的形状影响不大。 图7 比较了不同截面尺寸试件的 N- Δ 曲线， 从图 中可以看出， 随着试件截面尺寸的增大， 强化阶段的 刚度变化不明显， 试件的承载力得到显著的提高， 但 对弹性阶段的刚度基本无影响。 图8 比较了不同混凝土强度试件的 N- Δ 曲线， 从 图中可以看出， 缀板间距相同， 随着混凝土强度的提 高， 试件的承载力有所提高; 随着混凝土强度的提 高， 强化阶段的刚度变化不明显， 对弹性阶段的刚度 321 图 6不同缀板间距下试件荷载- 位移曲线比较 Fig． 6N- Δ curves influenced by battens spacing a b c 图 7不同截面尺寸下试件荷载- 位移曲线比较 Fig． 7N- Δ curves influenced by section size a b 图 8不同混凝土强度下试件荷载- 位移曲线比较 Fig． 8N- Δ curves influenced by concrete strength 影响较小。通过对比可知， 缀板间距对试件延性的 影响要比混凝土轴心抗压强度的影响明显。 2有限元数值模拟 利用 ANSYS 中实体建模法， 选用 SOLID 45 和 SOLID 65 两种单元， 通过输入实体各控制点的三维 坐标分别建立几何模型 首先建立混凝土实体， 然后 在混凝土实体的四角布置角钢， 角钢之间用缀板相 连， 形成角钢骨架。本文假定钢和混凝土之间完全 黏结， 故需将创建的混凝土实体和钢板采用“黏” GLUE ［14 ］命令将其黏结起来; 通过试算， 选取合理 的有限元网格尺寸控制， 利用扫略法 SWEEP 对角 钢约束混凝土短柱进行网格划分; 为了模拟试验加 载过程中顶面上的一致变形， 首先对角钢约束混凝 土短柱顶面上所有的结点施加 X、 Z 方向的位移约 束， 同时进行 Y 方向的位移加载， 然后对角钢约束混 凝土短柱的底面采用面上全约束方法模拟试验底部 为固端。以其中一个试件为例， 其混凝土实体、 钢骨 架和角钢混凝土整体的有限元模型如图 9 所示， 所 有试件荷载- 位移曲线的 ANSYS 分析结果与试验结 果对比如图 10 所示。 图 9有限元模型 Fig． 9Finite elements models 分析图 10 可知， 缀板间距对角钢约束混凝土短 柱的延性有较大的影响。所有的试件在达到破坏 时， 均表现出很好的延性， 其后期承载能力较强。对 于缀板间距不大于 50 mm 的试件在达到极限荷载 后， 其荷载- 位移曲线基本保持水平， 下降段不明显; 而对于缀板间距大于 50 mm 的试件， 表现出较明显 的下降段。总体上来说， 缀板间距越大， 承载力越 小， 试件的延性越差， 这与试验结果相吻合， 说明适 421 图 10试验与有限元分析的荷载- 位移曲线比较 Fig． 10Comparison of load- displacement curves between test and FEA results 当地减小缀板间距对提高角钢约束混凝土试件的延 性和承载力是有利的。 图 11 ～ 12 分别为试件 ARC2 在达到极限荷载 时混凝土和钢骨架 von Mises 应力云图。 从 von Mises 应力云图上看， 混凝土四角受到的 图 11试件 ARC2 混凝土 von Mises 应力分布 Fig． 11Distribution of von Mises stress in concrete of specimen ARC2 图 12试件 ARC2 钢骨架 von Mises 应力分布 Fig． 12Distribution of von Mises stress in steel frame of specimen ARC2 应力最大， 说明角钢和缀板组成的钢骨架对角部的 混凝土具有较强的约束作用， 这一点和实际情况相 符， 当试验加载至极限荷载时， 角钢已经完全达到屈 服强度， 而混凝土 除个别区域 却未达到抗压强度。 3轴压短柱承载力简化计算式 在试验和有限元数值模拟分析的基础上， 考虑 由于套箍作用对混凝土抗压强度的提高， 通过引入 Mander 的核心约束混凝土模型 ［15 ］， 建立角钢约束混 凝土轴压短柱的承载力计算式为 Nu fccAc α sfyAs 1 式中 Ac、 As分别为混凝土截面面积和角钢截面面 积; fy为角钢的屈服强度; αs 为缀板间距影响系数; fcc为约束混凝土抗压强度， 由 Mander 模型确定 fcc fco － 1. 254 2. 2541 7. 94f r f 槡 co － 2f r fco 2 式中 fco为核心混凝土的轴心抗压强度; f r为外部约 束对核心混凝土的有效约束应力 ［15 ］。 521 从试验过程中观察到的角钢破坏现象和试验数 据可以发现， 随着缀板间距的增大， 角钢约束混凝土 短柱试件的承载力显著下降， 破坏时角钢屈曲现象 更加显著， 说明缀板间距除对混凝土的约束作用有 影响外， 对构件的承载力影响也很明显。由式 1 可 知， 缀板间距影响系数 αs为 αs Nu－ fccAc / fyAs 3 角钢约束混凝土柱套箍系数 约束指标 为 λt μ t fyt fc 4 式中 μt为横向缀板的体积配箍率， 即缀板包围的约 束混凝土每单位体积中的缀板的体积;fyt为缀板的 屈服强度; fc为混凝土单轴抗压强度。 由于试件的数量不多， 因此通过参数 缀板间 距、 缀板宽度、 混凝土轴心抗压强度 的扩展， 对 10 根角钢约束混凝土轴压短柱进行了有限元仿真分 析， 并与试验所得的 10 根角钢约束混凝土短柱数据 回归得到了套箍系数 λt和缀板间距影响系数 αs之间 的关系。 根据试验与有限元所得数据， 通过回归得到套 箍系数 λt与缀板间距影响系数 αs的关系为 αs 3. 14λt 5 将式 5 代入到式 1 ， 可得角钢约束混凝土轴 压短柱承载力计算式为 Nu fccAc 3. 14λtfyAs 6 4结论 1 随着截面的增大、 混凝土抗压强度的提高和 缀板间距的减小， 角钢约束混凝土短柱的承载力增 高。其中缀板间距对承载力和延性的影响比较大， 缀板间距越大， 试件的承载力越小， 并且后期的荷载- 位移曲线下降越明显， 延性越差。 2 试件几乎都在中部附近位置出现角钢的变 形和缀板的凸鼓变形， 有的甚至在角钢与缀板的焊 缝处造成角钢的撕裂， 从而导致试件的破坏， 而试件 顶部的缀板和角钢变形不大， 这一点和有限元分析 的结果相符， 建议在实际工程中对中部加强， 同时提 高焊缝质量。 3 利用 ANSYS 对 10 根角钢约束混凝土短柱 进行了仿真分析， 得出了角钢约束混凝土短柱的荷 载- 位移曲线及受压承载力， 与试验结果吻合较好， 说 明本文的有限元分析模型、 材料参数选择和加载方 法是合理的。 4 根据角钢约束混凝土短柱的受力机理， 考虑 缀板的套箍作用和缀板间距影响系数， 建立角钢约 束混凝土轴压短柱承载力的简化计算式， 为该类柱 在实际工程中应用提供参考。 参考文献 ［ 1］ 赵鸿铁． 钢与混凝土组合结构［M］ ． 北京 科学出版 社，2001 121- 128．ZHAOHongtie．Steeland concrete composite structure［M］ ．BeijingScience Press， 2001 121- 128． in Chinese ［ 2］ 肖岩． 套管钢筋混凝土结构的发展与展望［ J］ ． 土木 工程 学 报，2004，37 4 8- 12． XIAO Yan． Developmentandprospectsoftubularreinforced concrete column structure［ J］ ． China Civil Engineering Journal， 2004， 37 4 8- 12． in Chinese ［ 3］ Mei H，Kiiousis P D，Ehsani M R，Saadatmanesh H． Confinement effects on high- strength concrete［ J］ ． ACI Structural Journal， 2001， 98 4 548- 553． ［ 4］ Sheikh S A，Usumeri S M． Strength and ductility of tied concrete columns［J］ ．Journal of the Structural Division， Proceeding of the American Society of Civil Engineering， 1980， 106 ST5 1079- 1102． ［ 5］ Sheikh S A， Uzumeri S M．Analytical model for concrete confinement in tied columns［J］ ． Journal of the Structural Division，Proceeding of the American Society of Civil Engineering， 1982， 108 ST12 2703- 2722． ［ 6］ 肖岩，郭玉荣，何文辉，吴徽． 局部加劲钢套管加固 钢筋混凝土柱的研究［ J］ ． 建筑结构学报，2003，24 6 79- 86． XIAO Yan，GUO Yurong，HE Wenhui， WU Hui． Retrofit of reinforced concrete columns using partially stiffened steel jackets［ J］ ． Journal of Building Structures， 2003， 24 6 79- 86． in Chinese ［ 7］ 张为民． 预制外包钢混凝土结构施工［J］ ． 建筑技 术，1995，22 5 265- 267．ZHANG Weimin． Prefabricated steel concrete structure construction［J］ ． Construction Technology， 1995，22 5 265- 267． in Chinese ［ 8］ 计静， 郑文忠． 角钢混凝土柱正截面受力性能试验 研究［ J］ ． 工业建筑， 2008，38 8 67- 72． JI Jing， ZHENG Wenzhong． Experimental research on flexural mechanical behavior of angle- steel concrete columns ［ J］ ． Industrial Construction，2008，38 8 67- 72． in Chinese ［ 9］ 石晶，白国良． 空腹式型钢混凝土框架柱的恢复力 特性［ J］ ． 西安公路交通大学学报， 2000，2 4 94- 97． SHI Jing，BAI Guoliang．The restoring force characteristics of lattice steel reinforced concrete frame column ［J］ ．JournalofXi’ anHighwayTraffic University， 2000， 2 4 94- 97． in Chinese ［ 10］ 周颖，吕西林． 空腹式劲性钢筋混凝土柱的恢复力 模型研究［J］ ． 结构工程师， 2004，20 6 59-65． ZHOU Ying，LU Xilin． The restoring force model of lattice steel reinforced concrete column［J］ ． Structural 621 Engineer， 2004， 20 6 59-65． in Chinese ［ 11］ 卢亦焱， 史健勇， 黄银燊． 外包角钢加固钢筋混凝土 柱轴心受压承载力计算方法研究［ J］ ． 应用力学学 报， 2008， 25 4 719- 723． LU Yiyan，SHI Jianyong， HUANG Yinshen． Bearing capacity calculation for axially compressed RC columns strengthened with angle steel［J］ ． Journal of Applied Mechanics，2008， 25 4 719- 723． in Chinese ［ 12］ 周绪红， 刘界鹏， 张素梅． 圆钢管约束钢筋混凝土短 柱的轴压力学性能［J］ ． 工程力学，2009， 26 11 53- 59． ZHOU Xuhong，LIU Jiepeng，ZHANG Sumei． Behavior of circular tubed reinforced concrete stub columns under axial compression ［J］ ．Engineering Mechanics， 2009， 26 11 53- 59． in Chinese ［ 13］ 张国军，吕西林． 高轴压比高强混凝土短柱力学性 能的试验研究［ J］ ． 工业建筑， 2005， 35 3 20- 23． ZHANG Guojun，LU Xilin．Experimental study on mechanical behavior of high concrete short columns with high axial load ratio ［J］ ．Industrial Construction， 2005， 35 3 20- 23． in Chinese ［ 14］ 刘涛，杨凤鹏． 精通 ANSYS［M］ ． 北京清华大学 出版 社，200276- 92． Liu Tao，Yang Fengpeng． Proficient ANSYS［M］ ． BeijingTsinghua University Press， 2002 76- 92． in Chinese ［ 15］ Mander J B，Priestley M J N，Park R． Theoretical stress- strain model for confined concrete［ J］ ． Journal of the Structural Engineering，ASCE，1988，114 8 1804- 1823． 721