椭圆形钢管再生混凝土组合柱轴压力学性能分析_刘军.pdf
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1、收稿日期:2022-11-22基金项目:北京市自然基金-北京市教委联合资助重点项目(KZ201810016021);北京未来城市设计高精尖创新中心资助(UDC2019032824)作者简介:刘军,男,教授,博士,主要从事岩土与地下工程的教学与研究工作。通讯作者:郑辉,男,在读硕士研究生,主要研究方向为岩土与地下工程结构。引文格式:刘军,郑辉,申精.椭圆形钢管再生混凝土组合柱轴压力学性能分析 J.市政技术,2023,41(3):129-139.(LIU J,ZHENG H,SHEN J.Axial compressive performance of composite columns of R
2、AC-filled elliptical steel tubeJ.Journal of municipal technology,2023,41(3):129-139.)文章编号:1009-7767(2023)03-0129-11第41卷第3期2023年3月Vol.41,No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.129Journal of Municipal Technology椭圆形钢管再生混凝土组合柱轴压力学性能分析刘军,郑辉*,申精(北京建筑大学 土木与交通工程学院,北京 100044)摘要:为研究椭圆形钢管再生混凝土(RACFEST)组合
3、柱轴压力学性能,共设计了 24 根 RACFEST 轴压短柱进行试验;基于钢材的双折线本构模型以及引入椭圆形钢管修正系数的约束再生混凝土本构模型,对 4 根 RACFEST 组合柱以及 2 根钢管再生混凝土组合柱进行模型验证,证明了边界条件以及材料本构模型的合理性。基于此,对 24 根 RACFEST 组合柱进行拓展参数分析,并对 RACFEST 组合柱在轴心荷载作用下的破坏模式进行了深入剖析。研究结果表明,100%取代率的 RACFEST 组合柱的轴压极限承载力对比 0%取代率的 RACFEST 组合柱的轴压极限承载力仅下降了 17.5%。在所取参数范围内,24 根 RACFEST组合柱在轴
4、心荷载作用下的破坏形式类似,表现为混凝土向外膨胀,钢管向外鼓曲。通过引入再生混凝土取代率影响系数,统计回归出 RACFEST 组合柱的轴压极限承载力公式,计算出的极限承载力值与模拟承载力极限值最大误差为 7.09%,满足工程精度要求。该研究成果为 RACFEST 组合柱在实际工程中的应用奠定了理论基础。关键词:椭圆形钢管;再生混凝土;轴压力学性能;承载力公式中图分类号:TU 398.9文献标志码:AAxial Compressive Performance of Composite Columns ofRAC-filled Elliptical Steel TubeLiu Jun,Zheng
5、Hu*,Shen Jing(School of Civil and Transportation Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China)Abstract:24 RACFEST axially compressed stub columns were designed to study the axial pressure behavior of thecomposite column of recycled aggregate concrete-fill
6、ed elliptical steel tube(RACFEST).Based on the double fold-ed line constitutive model of steel and the restrained recycled concrete constitutive model with elliptical steel tubecorrection factor,4 RACFEST composite columns and 2 steel tube recycled concrete composite columns are verifiedto prove the
7、 rationality of the boundary conditions and material constitutive model.Based on this,extended parame-ters of 24 RACFEST composite columns were analyzed and failure modes of RACFEST composite columns under ax-ial load were analyzed in depth.The results show that the ultimate bearing capacity of RACF
8、EST composite columnswith 100%replacement ratio is only 17.5%lower than that of one with 0%replacement ratio.Within the range of thetaken parameters,the failure modes of 24 RACFEST composite columns under axial load are similar,showing thatconcrete expanded outwards and steel pipes buckleed outwards
9、.By introducing the influence coefficient of replace-ment rate of recycled concrete,the formula of ultimate bearing capacity of RACFEST composite column under axialcompression is statistically regressed.The maximum error between the calculated ultimate bearing capacity and thesimulated one is 7.09%,
10、which meets the requirements of engineering accuracy.The research results lay a theoreti-cal foundation for the application of RACFEST composite column in practical engineering.Key words:elliptical steel pipe;recycled concrete;axial compressive performance;bearing capacity formulaJournal of Municipa
11、l Technology第41卷随着生态环境的不断恶化,如何有效利用资源,避免浪费成为了目前建筑行业中的一个新型课题,因此再生混凝土(RAC)这一概念随着人类可持续发展观念的出现应运而生1-2,而且RAC的出现使每年数百万吨的建筑废料得以利用3。但由于RAC的抗压强度通常小于普通混凝土,所以将RAC与钢结构结合使用,成为了目前国内外学者重点关注的课题。同时,椭圆形钢管混凝土作为一种可以为结构提供有利的强轴和弱轴的新型截面钢管混凝土组合结构,开始被广泛应用在实际工程当中4-5。目前国内外学者6-11对再生混凝土已有较为充分的科学研究,并开展了不同来源的再生粗骨料填充的RAC基本力学试验6,给出了
12、不同RAC取代率(再生粗集料质量占粗集料质量总和的百分比)的强度折减规律。尽管目前对于RAC以及椭圆形钢管混凝土的研究较多,但是RACFEST组合柱在轴心荷载作用下的力学性能研究却鲜有报道。因此,笔者基于ABAQUS有限元分析软件,开展了不同参数下RACFEST组合柱在轴心荷载作用下的有限元分析,探讨不同参数变化对RACFEST组合柱轴压极限承载力的影响规律,分析RACFEST组合柱在轴心荷载作用下的破坏模式,再通过引入RAC取代率折减系数,统计回归出RACFEST组合柱的轴压极限承载力计算公式,为RACFEST组合柱在实际工程中的应用奠定基础。1试件设计为研究RACFEST组合柱轴压力学性能
13、,以钢管强度fy、钢管厚度t、RAC取代率r、长短轴比a/b、RAC抗压强度fck,RC以及长细比为主要参数,共设计24根RACFEST组合柱试件,其具体参数如表1所示,截面示意图如图1所示,其中L为组合柱高度。表124根RACFEST组合柱试件具体参数Tab.1 Parameters of 24 recycled aggregate concrete-filled elliptical steel tube(RACFEST)composite columns试件编号2a/mm2b/mmt/mmfy/MPafck,RC/MPar/%L/mmRCST-1RCST-2RCST-3RCST-4RCS
14、T-5RCST-6RCST-7RCST-8RCST-9RCST-10RCST-11RCST-12RCST-13RCST-14RCST-15RCST-16RCST-17RCST-18RCST-19RCST-20RCST-21RCST-22RCST-23RCST-24200200200200200200200200200200200200200200200200200200200200200250300400100100100100100100100100100100100100100100100608012014010010012515020055555555555237105555555552
15、353354353353353353353353353353353353353353353353353353353353353353353353030304050303030303030303030303030303030303030305050505050010256580100505050505050505050505050502.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.02.53.02.02.02.04004004004004004004004004004004004004004004004004004004005006
16、00500600800130第3期2模型建立2.1材料本构关系模型2.1.1钢材本构模型钢材采用简化的双折线本构模型,表达式为:=ESykfyk+E1(-yk)yk。(1)式中:E1取0;ES为钢材的弹性模量;fyk为钢材的抗拉强度标准值;yk为钢材的峰值应变;为钢材应变值。2.1.2RAC本构模型由于椭圆形钢管约束不同于常规圆钢管约束,因此RAC本构模型在马辉等12提出的适用于圆钢管约束RAC的本构模型的基础上,引入长短轴比修正系数13,其表达式为:1)RAC受压应力应变关系式:y=2x-x2(x1)x0(x-1)2+x(x1|)。(2)式中:x=/0;y=/0,0=fc;0=(1 300+
17、12.5fc)10-6+8000.210-6;为长短轴比修正系数,=2+1.5,为RAC取代率;为椭圆形钢管修正系数,=(b/a)5,a为长轴半径,b为短轴半径;0为含钢率影响系数,0=(2.3610-5)0.25+(-0.5)7f0.5c0.5。2)RAC受拉应力应变关系式:y=1.2x-0.2x6(x1)x0.312p(x-1)1.7+x(x1|)。(3)式中:x=c/p,p为混凝土极限拉应变,p=43.1p;y=c/p,p=0.26(1.25fc)2/3,c为混凝土拉应力值。混凝土弹性模量取4 700(fc)0.5MPa。2.2有限元模型建立基于ABAQUS有限元分析软件,建立RACFE
18、ST组合柱的有限元模型。其中,钢管和混凝土均采用八节点三维实体单元(C3D8R),钢管与RAC的界面接触由法线方向的“硬”接触与切线方向的考虑相对滑移的摩擦接触构成,摩擦系数取0.5。在试件上、下两端分别设置参考点RP-1、RP-2。两参考点分别与试件上、下2个端面耦合。在RP-1点设置位移荷载,令Ux=Uy=URx=URy=URz=0约束RP-1点的自由度,同时令Ux=Uy=Uz=URx=URy=URz=0约束RP-2点的自由度。边界条件如图2a)所示。笔者以六面体单元划分网格,网格尺寸通过选取文献13中的试验试件进行荷载位移曲线对比,其中选取的试件具体参数为2a=169 mm,2b=112
19、 mm,高度为338 mm,t=2.6mm。曲线对比如图2b)所示。b)纵截面示意图图1RACFEST组合柱截面示意图Fig.1 Sectional diagram of the RACFEST composite columnsa)横截面示意图b)网格尺寸对比图2边界条件示意与网格尺寸对比Fig.2 Boundary condition diagram and grid sizes comparisona)边界条件示意图刘军等:椭圆形钢管再生混凝土组合柱轴压力学性能分析131Journal of Municipal Technology第41卷可以看出,当网格尺寸选取25 mm和30 mm时
20、曲线吻合程度较低,且误差较大。考虑到网格尺寸较小时虽然计算精度得到提升,但是计算时间较长,且网格尺寸为20 mm和15 mm时有限元分析结果十分接近,模拟荷载位移曲线与试验曲线均吻合较好,因此最后选取网格尺寸为20 mm。3模型验证选取文献14中的2组钢管RAC轴压短柱(R1、R2)和文献13中的2组椭圆形钢管混凝土轴压短柱(E1、E2)和2组椭圆形钢管混凝土偏压短柱(E3、E4)进行有限元模拟。具体试件参数与极限承载力对比如表2所示,试验和有限元之间的N-曲线对比如图3所示。由表2、图3可以看出,N-曲线趋势吻合,试验与有限元极限承载力最大误差为5.26%,满足工程精度需求。该结果表明,边界
21、条件以及材料本构模型选取较为合理。表2具体试件参数与极限承载力对比Tab.2 Comparison of specific test parameters and ultimate bearing capacity试件来源试件编号a/bt/mmfy/MPafck/MPar/%Na/kNNt/kNNt-NaNt100%文献14文献13R1R2E1E2E3E41.001.001.981.961.512.056.576.572.601.602.602.50402202235235235235352734343434305000002 788.732 213.23953.60765.221 286.4
22、52 530.022 889.462 335.51944.95763.811 249.672 403.523.49%5.24%0.92%0.18%2.94%5.26%d)E2e)E3f)E4图3试验和有限元之间的N-曲线对比Fig.3 Comparison of N-curves between experiment and finite elementa)R1b)R2c)E14拓展参数分析通过ABAQUS有限元分析软件对RACFEST组合柱在轴心荷载作用下的力学性能进行分析,其中主要参数为钢管强度fy,钢管厚度t,RAC取代率r,长短轴比/b,RAC抗压强度fck,RC以及长细比。132第3
23、期RACFEST组合柱在轴心荷载作用下的N-曲线变化规律如图4所示。g)试件尺寸图4不同参数下组合柱N-曲线Fig.4 N-curves of composite column under different parametersa)外钢管强度b)外钢管厚度c)RAC取代率d)长细比e)长短轴比f)RAC抗压强度采用等效弹塑性能量法15(P.PARK法)计算RACFEST组合柱的延性指数,计算式为:=uy。(4)式中:u为组合柱降低到90%峰值荷载所对应的竖向位移;y=80%/0.8,其中80%是组合柱达到80%峰值荷载时所对应的竖向位移。不同参数下组合柱延性系数变化曲线如图5所示。4.1钢管
24、强度由图4a)、图5a)可以看出,随着钢管强度的不断增加,其轴压极限承载力逐渐提高,当钢管强度从235MPa增加至335MPa和435MPa时,RACFEST组合柱的极限承载力从1101.00 kN上升至1 252.57 kN和1 534.79 kN,分别提高了19.3%和32.3%;同时RACFEST组合柱的延性系数从15.12上升至15.40和15.77。并且随着钢管强度的不断增加,N-曲线在峰值荷载后的下降趋势开始减缓,RACFEST组合柱含钢率逐渐提升,变形能力逐渐增加,因此RACFEST组合柱的延性系数逐渐提升,同时RACFEST组合柱表现出较好的持续承载能力。由此可见,钢管强度在提
25、高RACFEST组合柱极限承载力的同时,也对核心混凝土提供了更强的约束作用,使得RACFEST组合刘军等:椭圆形钢管再生混凝土组合柱轴压力学性能分析133Journal of Municipal Technology第41卷g)试件尺寸图5不同参数下组合柱延性系数变化曲线Fig.5 Variation curves of ductility coefficient of composite column under different parameters柱持续承载能力不断增加。4.2钢管厚度由图4 b)、图5 b)可以看出,提升钢管厚度可有效提高RACFEST组合柱的极限承载力,当钢管厚度从
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