方钢管再生混凝土轴压短柱受力性能分析

方钢管再生混凝土轴压短柱受力性能分析

许伟，周晓凤，张婷，翁瑞，陈杨

沈阳建筑大学，土木工程学院，沈阳 110168

摘 要：利用ABAQUS有限元软件建立方钢管再生混凝土短柱力学模型，与试验进行对比分析，通过模型分析构件在各阶段的受力变形特点。结果表明：该模型能够较好的模拟构件的力学性能，其受力过程大致分为：弹性阶段、弹塑性阶段、下降阶段、平缓阶段。

关键词：方钢管再生混凝土短柱；有限元软件；合理性。

目前，随着我国经济快速发展，被拆除、重建的建筑物也随之增加，就此产生了大量的建筑垃圾。因此，我们应该合理利用建筑垃圾，将建筑垃圾配制成再生混凝土应用于建筑工程当中，不但解决建筑垃圾给人们生活环境带来的困扰，而且也使建筑垃圾得到了循环利用。

再生混凝土组分复杂，脆性大，因而早期易开裂[1]。为了改善再生混凝土的特性，学者们提出了“钢管再生混凝土”。

钢管对混凝土的约束使混凝土的抗压强度大大提高，同时，混凝土对钢管起到支撑作用，提高了钢管的局部稳定^[2]，二者巧妙结合实现了“1+1>2”。

1模型建立

本文采用文献[3]中的试验数据，建立方钢管再生混凝土短柱力学模型。

1.1单元选取

本文核心再生混凝土、端板和钢管均采用八节点线性减缩积分的三维实体单元。

1.2界面接触

核心再生混凝土和端板只有法向接触作用，设置为“硬”接触。钢管和核心再生混凝土的法向作用方向设置为“硬”接触，切向作用方向采用库伦摩擦模型，根据参考文献[4]，本文摩擦系数取0.6。

1.3加载荷载

本文采用的是位移加载，即在U3方向施加位移大小为20mm。

2模型验证及模拟结果分析

2.1有限元分析结果与试验结果的对比

如图1可知，试件模拟荷载-位移曲线和试验荷载-位移曲线走势相吻合。

（a）S-A1（b）S-A2（c）S-A3

图 1位移-荷载曲线对比图

经计算可知：S-A3限承载力的模拟值与试验值相差最小值为60kN，S-A2承载力的模拟值与试验值相差最大值为61N。各试件的试验值和模拟值之比介于0.91-0.92之间，平均值为0.91，标准值为0.0058

综上所述，通过将模拟结果与试验结果进行对比分析，验证模型的合理性。

2.2构件荷载分担比例分析

如图2可知，构件的受力过程分为弹性阶段、弹塑性阶段、下降阶段和平缓阶段。

弹性阶段（曲线OA）。随位移增加再生混凝土和钢管承载力呈线性增长趋势。

弹塑性阶段（曲线AB）。再生混凝土承载力逐渐到达B点，其大小占极限荷载72%左右。钢管承载力逐渐到达B点，其大小占极限荷载23%左右。

下降阶段（曲线BC）。随着再生混凝土外部荷载增大，承载力呈下降趋势。钢管随着荷载增大，承载力几乎保持不变，呈直线状态。

平缓阶段（曲线CD）。随着荷载继续增加，试件各组成部分承载力逐渐趋于平缓。

图2构件中各组成部分承担荷载对比

2.3构件受力全过程分析

如图3可知，加载至A点时，钢管处于弹性阶段，最大应力值为214MPa，钢管水平方向和竖向方向都没有明显变形。

加载至B点时，钢管处于塑性阶段，其极限承载力为236MPa，竖直方向略有压扁。

加载至C点时，钢管处于下降阶段，中部有明显凸出，竖直方向被压扁。

加载至D点时，钢管处于平缓阶段，构件抵抗水平方向和竖向方向的变形能力减弱。

（a）A点（b）B点（c）C点（d）D点

图3钢管在各特征点应力云图

如图4可知，加载至A点时，最大应力值为24MPa。

加载至B点时，柱子达到极限承载力，柱子中部发生鼓曲，最大轴向应力分布在柱子的四条直边处，值为85MPa。

加载至C点，随着荷载继续增大，构件中部发生明显鼓曲现象，竖直方向整体被压扁。

加载至D点时，轴向应力最小值由柱子中部逐渐向两边分布，应力值为40MPa。

（a）A点（b）B点（c）C点（d）D点

图4再生混凝土在各特征点应力云图

3结论

（1）本文通过文献3数据建立方钢管再生混凝土短柱力学模型，并与试验结果进行对比，验证模型的合理性。

（2）弹性阶段构件随着位移增加，构件荷载呈线性增长趋势；弹塑性阶段构件水平方向没有明显变形，竖直方向略有压扁；下降阶段构件中部有明显凸出，竖直方向整体被压扁；平缓阶段构件破坏。

参考文献：

[1] 肖建庄.再生混凝土[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2] 韩林海,陶忠,刘威.钢管混凝土结构——理论与实践[J].福州大学学报(自然科学版),2001(06):24-34.

[3] 黄翔宇.矩形钢管再生混凝土短柱轴压性能研究[D].大连理工大学,2017.

作者简介：许伟，女，汉族，辽宁省沈阳市。教授，博士学历，沈阳建筑大学，研究方向：组合结构