組合l形鋼管再生混凝土短柱軸壓性能研究

組合l形鋼管再生混凝土短柱軸壓性能研究

軸壓性能有限元分析用再生混凝土作為綠色混凝土，其骨架材料為再生骨材料或天然骨材料的混合制備。再生骨料是將城市建設(shè)等過程產(chǎn)生的廢棄混凝土通過破碎、清洗等一系列加工而成,但由于其在破碎過程會出現(xiàn)損傷,因此導(dǎo)致再生混凝土的抗壓、抗拉等性能比普通混凝土低本研究采用ABAQUS軟件對L形鋼管再生混凝土柱的軸壓性能進(jìn)行有限元分析,建立了13個組合L形截面柱與1個普通L形截面柱,分析組合L形截面柱的破壞形態(tài)與極限承載力,并與普通L形鋼管再生混凝土柱的軸壓性能進(jìn)行對比分析,同時與已有文獻(xiàn)的試驗結(jié)果進(jìn)行對比,計算分析了再生骨料取代率、截面長寬比、核心再生混凝土強(qiáng)度等級以及鋼管厚度對組合L形鋼管再生混凝土短柱的軸壓承載力的影響規(guī)律,為此類構(gòu)件的設(shè)計與應(yīng)用提供相關(guān)參考。1三元模型的構(gòu)建1.1普通l形鋼管再生混凝土柱截面本研究采用組合L形鋼管再生混凝土短柱,其鋼管是由1根矩形鋼管和1根U形鋼管焊接而成,柱高為600mm,截面尺寸如圖3a,為等肢截面。圖3b是普通L形鋼管再生混凝土柱截面。長邊邊長D=200mm,短邊邊長B=100mm。試件長寬比D/B=2,截面長寬比為肢長與肢寬之比(D/B)。制作鋼管的鋼材均采用Q235鋼,內(nèi)填的再生混凝土等級采用C30,再生混凝土材料性質(zhì)采用文獻(xiàn)主要研究再生骨料取代率、鋼管厚度、再生混凝土強(qiáng)度等級以及截面長寬比對試件軸壓承載力的影響,各試件的材料參數(shù)見表1。1.2材料之間的應(yīng)力關(guān)系的選擇1.2.1鋼管約束作用系數(shù)核心再生混凝土模型采用ABAQUS中的塑性損傷模型。考慮再生骨料取代率與鋼管對核心混凝土的約束作用對再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響,選取文獻(xiàn)本文的組合L形鋼管是由矩形鋼管與U形鋼管焊接而成,將鋼管對混凝土的約束作用分為兩部分:一是將U形鋼管對混凝土的約束作用看成方形鋼管對混凝土的約束作用,方形鋼管的約束作用系數(shù)見式(1);二是矩形鋼管對混凝土的約束作用,矩形鋼管的約束作用系數(shù)采用等效約束作用系數(shù),計算如式(2)。其中:α為含鋼率;ξ本文的混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系考慮了再生骨料取代率對其影響,采用文獻(xiàn)1.2.2木材的應(yīng)力-適應(yīng)性鋼材采用符合VonMises準(zhǔn)則的等效塑性模型,考慮到鋼材的彈塑性,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用文獻(xiàn)1.3數(shù)值模型的建立1)單元選取:ABAQUS數(shù)據(jù)庫中包含了眾多不同的單元類型,在不同情況下對應(yīng)著不同的類型,為更貼近實際情況,本文的再生混凝土單元選擇C3D8R實體單元;鋼管采用S4R殼體單元;對于上下蓋板,由于其要承擔(dān)實際荷載且要作為傳遞荷載的中介,故采用離散剛體單元。這幾類單元可以較好反映構(gòu)件的實際情況,使得模擬結(jié)果更貼合實際,更加準(zhǔn)確。2)網(wǎng)格劃分:由于網(wǎng)格劃分直接決定了有限元分析的精確度以及計算時間的長短,因此要合理選擇網(wǎng)格劃分大小以及網(wǎng)格劃分技術(shù)。由于鋼管與混凝土的尺寸不同,為保證網(wǎng)格的均勻性,故將鋼管和混凝土分開劃分。由于混凝土塊為規(guī)則的長方體,故采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)對其劃分使其形成規(guī)則的單元,尺寸大小為30mm,劃分成540個單元;對于鋼管與上下蓋板,采用掃掠網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格,尺寸大小為25mm,劃分成2168個單元。1.4焊接連接約束1)界面模型:為保證變形的一致性,矩形鋼管與U形鋼管的焊接連接、上下蓋板與試件的焊接連接均采用“tie”約束。根據(jù)文獻(xiàn)2)邊界條件與加載:為更貼近試件的實際受力情況,本章試件的邊界條件模擬文獻(xiàn)1.5有限模型的演示為了驗證本文所建立有限元模型的合理性,將取代率為0%(內(nèi)填普通混凝土)時模擬得出的荷載-位移曲線與文獻(xiàn)2有限域分析2.1再生混凝土力學(xué)性能組合L形截面與普通L形截面對比試件選取的是試件RACFST-LA4和RACFST-NLA,兩個試件的再生骨料取代率均為70%,鋼管厚度均為4mm,再生混凝土強(qiáng)度等級均為C30,截面長寬比均為2。圖7～圖10均為試件達(dá)到極限承載力時的應(yīng)力云圖。圖7、圖8是組合L形截面試件各部件應(yīng)力云圖以及核心混凝土截面應(yīng)力云圖,圖9、圖10是普通L形截面試件各部件應(yīng)力云圖以及核心混凝土截面應(yīng)力云圖。2.1.1混凝土應(yīng)力分析圖7a為組合L形截面試件的鋼管應(yīng)力云圖,鋼管中部區(qū)域應(yīng)力最大,鋼管表現(xiàn)出中部鼓曲,表明鋼管中部出現(xiàn)局部屈曲;圖7b為組合L形截面試件的混凝土應(yīng)力云圖,混凝土應(yīng)力分布較為均勻,只是在柱端角部出現(xiàn)了應(yīng)力集中,這是由于端部加載時應(yīng)力集中現(xiàn)象不可避免;圖7c為組合L形截面試件混凝土受壓損傷云圖,損傷最大處在柱中部區(qū)域,往柱端遞減,表明混凝土是柱中壓潰破壞。圖8a為組合L形截面試件中部截面混凝土應(yīng)力云圖。方形混凝土區(qū)域的應(yīng)力分布較為均勻,應(yīng)力較大值出現(xiàn)在截面角部以及靠近矩形混凝土區(qū)域處,應(yīng)力最大值為17.2MPa,最小值為11.66MPa,矩形混凝土區(qū)域的應(yīng)力較大值主要分布在截面角部區(qū)域,應(yīng)力較小值則分布在截面中部區(qū)域,其最大值為15.35MPa,最小值為7.96MPa,說明方形鋼管對混凝土的約束作用強(qiáng)于矩形鋼管。圖8b為組合L形截面試件端部截面混凝土應(yīng)力云圖。在截面角部區(qū)域以及方形混凝土與矩形混凝土靠近的區(qū)域出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中,應(yīng)力較小值主要出現(xiàn)在矩形混凝土中部與方形混凝土中部,應(yīng)力最大值為24.59MPa,最小值為2.42MPa。相比中部截面混凝土應(yīng)力分布,端部截面的混凝土應(yīng)力分布出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中,這是由于鋼管對端部區(qū)域混凝土的約束作用不強(qiáng)。對比圖7a、圖9a的鋼管應(yīng)力云圖,組合L形截面試件鋼管應(yīng)力較大值主要分布在柱子中部區(qū)域,鋼管局部屈曲,應(yīng)力最大值為1.06fy,應(yīng)力較小值分布在柱子端部區(qū)域,其最小值為0.79fy;而普通L形截面試件鋼管應(yīng)力較大值基本覆蓋了整個柱子,鋼管出現(xiàn)大面積屈曲,應(yīng)力最大值為1.04fy,最小值為0.76fy。相比同條件下,普通L形截面試件的鋼管更容易屈曲。對比圖7b、圖9b的混凝土應(yīng)力云圖,2個試件的混凝土都在柱端角部區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中,縱觀柱子整體應(yīng)力分布,組合L形截面試件混凝土的應(yīng)力分布較普通L形截面試件更加均勻。對比圖7c、圖9c混凝土受壓損傷云圖,2個試件的混凝土受壓損傷均集中在柱子中部區(qū)域,說明均是柱子中部混凝土壓碎破壞。對比圖8a和圖10a的柱子中部截面混凝土應(yīng)力云圖,組合L形截面試件混凝土應(yīng)力分布較為均勻,沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,應(yīng)力最大值為17.2MPa,而普通L形截面試件混凝土應(yīng)力分布在陰角處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中,應(yīng)力最大值為17MPa。對比圖8b和圖10b的柱子端部截面混凝土應(yīng)力云圖,2個試件都在角部區(qū)域出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中,組合L形截面試件應(yīng)力最大值為24.59MPa,普通L截面試件應(yīng)力最大值為22.17MPa。相比同條件下,組合L形截面試件核心混凝土應(yīng)力相對較大,說明組合L形鋼管對混凝土有更好的約束作用。2.1.2組合l形截面試件圖11是組合L形截面試件與普通L形截面試件的荷載位移曲線對比圖。2個試件的荷載-位移曲線整體趨勢是一致的;在彈性階段兩條曲線基本重合;進(jìn)入塑性階段時,組合L形截面試件的曲線斜率略大于普通L形截面試件;在破壞階段時,兩條曲線的斜率基本一致。組合L形截面試件組合L形截面試件的極限承載力為1752kN,普通L形截面試件的極限承載力為1622kN,相比普通L形截面試件,組合L形截面試件的承載力提高了8%。因此,組合L形截面試件的軸壓性能優(yōu)于普通L形截面試件。3影響因素對一族式鋼筋再生混凝土短柱軸壓極限軸承的影響分析3.1再生骨料取代率和極限承載力的關(guān)系圖12為混凝土強(qiáng)度等級為C30、長寬比為2、鋼管厚度為4mm的試件在不同再生骨料取代率(0%、30%、50%、70%、100%)下的荷載-位移曲線對比圖。5條曲線的變化趨勢基本是一致的;在彈性階段,5條曲線基本重合;當(dāng)進(jìn)入到塑性階段,再生骨料取代率從0%增大到50%時,試件的承載力有較明顯的下降,但當(dāng)再生骨料取代率從50%增加到100%,荷載-位移曲線基本重合;在破壞階段,隨著再生骨料取代率的增大,曲線的斜率略有減小。當(dāng)取代率為0%(即內(nèi)填普通混凝土)時其極限承載力為1740kN,當(dāng)取代率為100%(即完全內(nèi)填再生混凝土)時其極限承載力為1600kN,下降幅值8%,下降幅度不大。從定量與定性分析來看,再生骨料取代率對組合L形鋼管再生混凝土短柱的極限承載力影響較小。3.2載-位移曲線圖13是取代率為70%、鋼管厚度為4mm、長寬比為2的試件在不同混凝土等級(C30、C40、C50)下的荷載-位移曲線對比圖。在彈性階段,試件的荷載-位移曲線基本重合;當(dāng)進(jìn)入塑性階段時,混凝土強(qiáng)度等級越高,曲線斜率越大,這是由于混凝土強(qiáng)度等級越高其剛度越大;在破壞階段,隨著混凝土強(qiáng)度等級的增大,曲線的斜率越大,這是由于混凝土等級越高,鋼管對混凝土的約束作用越弱?；炷翉?qiáng)度等級為C30時,試件的極限承載力為1740kN,混凝土強(qiáng)度等級為C50,試件的極限承載力為2289kN,增大幅度為31.5%。從定量與定性來看,核心再生混凝土強(qiáng)度等級對組合L形鋼管再生混凝土柱的極限承載力有較大的影響。3.3塑性階段的-位移曲線圖14是取代率為70%、混凝土等級為C30、長寬比為2的試件在不同鋼管厚度(3、4、5、6mm)下的荷載-位移曲線對比圖。在彈性階段,4條荷載-位移曲線基本重合;進(jìn)入塑性階段后,曲線開始出現(xiàn)了分化,鋼管厚度越大,曲線斜率越大,承載力也越高;在破壞階段,鋼管厚度越大,曲線斜率越小,這是由于鋼管厚度越大,鋼管對混凝土的約束作用越強(qiáng)。隨著鋼管厚度的增加,試件的極限承載力不斷增大,鋼管厚度3mm時,試件的極限承載力為1508kN,鋼管厚度為6mm時,試件極限承載力為2298kN,試件的極限承載力提升了52%。因此鋼管厚度對組合L形鋼管再生混凝土柱的極限承載力影響較為顯著。3.4截面寬度比的影響截面長寬比為肢長與肢寬之比(D/B)。保持組合L形柱短邊尺寸b不變的基礎(chǔ)上改變長寬比的試件截面。圖15是取代率為70%、混凝土強(qiáng)度等級為C30、鋼管厚度為4mm的試件在不同長寬比(2.0、2.5、3.0)下的荷載-位移曲線對比圖。在彈性階段,3條曲線基本重合;在塑性階段,隨著截面長寬比的增大,曲線斜率增大,這是由于截面長寬比越大,試件的剛度越大;在破壞階段,隨著長寬比的增大,曲線斜率增大,承載力下降速度加快,這是由于長寬比越大,鋼管對混凝土的約束作用越小。隨著截面長寬比的增大,試件的極限承載力增大,當(dāng)截面長寬比為2時,試件的極限承載力為1740kN,截面長寬比為2.5時,試件的極限承載力為2186kN,截面長寬比為3時,試件的極限承載力為2528kN,截面長寬比從2.0增大到2.5,試件的極限承載力提升了25.6%,長寬比從2.5增大到3.0,極限承載力提高了15.6%,極限承載力的提高幅度減小。說明這是由于隨著長寬比的增大,鋼管對混凝土的約束作用在減弱。4材料參數(shù)、鋼管厚度對極限承載力的影響1)相比于普通L形鋼管再生混凝土柱,組合L形鋼管再生混凝土柱有更好的軸壓性能。2)再生骨料取代率對試件的極限承載力影響較小,當(dāng)取代率小于50%時,隨著取代率的增大,構(gòu)件的極限承載力有所下降,