等效后采用文獻[10]提出的混凝土受壓與受拉應力-應變關系模型,鋼材模型采用二次塑流模型[11]。
(2) 有限元分析模型。OECFST構件(端板、鋼管及核心混凝土)均采用C3D8R六面體單元,以優先保證網格為正方形的原則進行合理網格劃分,鋼管壁較厚時,可先對其進行分層,有限元分析模型如圖5所示。核心混凝土損傷塑性模型的膨脹角設置為32°。鋼管與核心混凝土之間的接觸存在法向接觸和切向接觸,法向接觸設置為“硬接觸”,使用罰函數定義切向接觸,摩擦系數設為0.6。端板與鋼管之間采用綁定約束。
荷載施加:先施加一定軸壓比的軸力N,然后保持N恒定不變,再逐步施加扭矩T。
2 試驗驗證
由于目前尚缺乏開展OECFST柱壓扭試驗的數據,本文基于對文獻[8-9]的軸壓試驗驗證結果,繼而用文獻[12-13]中圓鋼管混凝土柱壓扭試驗數據來驗證數值分析模型的合理性。計算結果與試驗結果對比見表1所列,如圖6所示。
表1 圓鋼管混凝土柱壓扭計算結果與試驗結果對比
圖6 圓鋼管混凝土柱壓扭試驗曲線與計算曲線對比
鋼管混凝土柱受扭表現出良好的塑性特征,扭矩(T)-轉角(θ)曲線在后期會保持緩慢上升,對于T-θ曲線中抗扭承載力,目前有多種評價方法。針對短柱,本文采用鋼管邊緣應變值達到0.01時對應的扭矩值作為鋼管混凝土抗扭承載力[11];針對中長柱,在θ較大時,鋼管邊緣應變值仍然較小,但對于整體結構,繼續扭轉已無實際意義,因此采用在達到最大試驗角度θ=0.15 rad時對應的扭矩值作為鋼管混凝土抗扭承載力[13]。由表1、圖6可知,計算結果與試驗結果總體吻合良好。
3 全過程非線性分析
3.1 荷載-轉角曲線
為了研究OECFST柱的壓扭性能,采用傳統圓形及矩形鋼管混凝土柱性能進行對比分析,fy=345 MPa,fcu=50 MPa,構件長度L=1 200 mm,在保證三者截面積相同的情況下,OECFST柱尺寸取為400 mm×200 mm×5 mm,圓形鋼管混凝土柱尺寸取為 282 mm×282 mm×5 mm,矩形鋼管混凝土柱尺寸取為354 mm×172 mm×5 mm。
3.1.1 軸壓比為0.6時T/Tu-θ曲線
在軸壓比為0.6時,圓形、尖端形橢圓及矩形鋼管混凝土柱T/Tu-θ曲線如圖7所示。圖7中:T為抗扭承載力;θ為轉角;Tu為極限抗扭承載力。
從圖7可以看出,T/Tu-θ曲線大致可分為3個階段,即彈性階段(OA)、彈塑性階段(AB)及塑性階段(BC)。3種截面在前2個階段(OB)的特征較為近似。
圖7 軸壓比0.6時3種截面形式短柱的T/Tu-θ曲線
在彈性階段,θ值較小,T/Tu-θ曲線近似線性發展,鋼管及混凝土都處于彈性階段,且相互作用力較小,在A點時,鋼管進入彈塑性階段起點。
在彈塑性階段,隨著θ繼續增大,T/Tu-θ曲線增長率逐漸下降,鋼管逐漸進入塑性階段,由于核心混凝土的支撐,鋼管不會出現屈曲和鼓曲,仍然可以發揮其較好的抗扭性能,同時混凝土開始產生微裂縫,此時鋼管和混凝土分別處于雙向受剪和三向受力的復雜狀態,在B點時,鋼管進入屈服階段。
在塑性階段,不同截面的T/Tu-θ曲線出現了不同情況:
(1) 圓形截面構件。該截面構件在此階段表現出良好的塑性性能,T/Tu-θ曲線仍然有較小幅度的提升。隨著θ增加,壓力更多由核心混凝土承擔,扭矩更多由鋼管承擔,鋼管在屈服狀態下,由于核心混凝土的支撐,依然能夠保持其抗扭承載力,同時核心混凝土在三向壓力與扭矩共同作用下發生斜拉斷裂,螺旋效應使混凝土繞柱沿螺旋破壞面上升,混凝土軸向壓力提高,壓扭狀態下核心混凝土的抗扭能力得以進一步提高。
(2) 矩形截面構件。在保持軸力不變、θ繼續增大時,各高度水平截面在垂直方向出現錯位,有效承壓截面面積輕微減少,同時構件邊緣突出部分鋼管和混凝土的受拉與受剪應力急劇上升,進入塑性狀態,矩形柱實際軸心抗壓承載極限值有所下降,由于軸壓力N保持不變,致使N/Nu(Nu為構件極限軸壓承載力)有所提高,進而使得矩形柱抗扭性能下降,曲線出現下降段。只有在初始軸壓比較高時,抗扭性能下降較快。
(3) 尖端形橢圓截面構件。該截面形式介于圓形及矩形之間,在相同軸壓比的情況下,T/Tu-θ曲線處于兩者之間。不同軸壓比狀態下OECFST柱的T/Tu0-θ曲線如圖8所示(Tu0為純扭狀態下的極限抗扭承載力)。
圖8 不同軸壓比下OECFST柱截面 T/Tu0-θ曲線
核心混凝土螺旋效應及構件軸向抗壓承載力下降對Tu分別有提高和降低的作用,并且隨著軸壓比增大,后者對其影響會越來越大。壓扭構件Tu隨著軸壓比增大先小幅度提高后降低,界限值大約在軸壓比為0.7時;軸壓比小于界限值時,軸壓比對Tu有一定的加強,但總體Tu與純扭試件區別不大;軸壓比大于界限值時,Tu持續下降,且下降速率會不斷增加。
3.1.2 不同軸壓比下T/Tu0的變化
根據不同軸壓比下OECFST柱T-θ關系,提取柱在純扭狀態和不同軸壓比狀態下剪應變為0.01時對應的T值,結果顯示構件在剪應變達到0.01前即出現下降段,因此取最高值作為OECFST柱壓扭狀態下Tu,并繪制N/Nu-Tu/Tu0曲線圖,如圖9所示。
從圖9可以看出,在N/Nu和Tu/Tu0處于較低值時,軸力與扭矩的相互影響力不大,隨著N/Nu和Tu/Tu0值不斷增大,其相互影響力呈指數形式上升。
圖9 OECFST短柱N/Nu-Tu/Tu0曲線
在軸壓比N/Nu較低時,軸壓力與扭矩間的相互影響力較小,原因是核心混凝土螺旋效應使得鋼管混凝土柱Tu有微弱提升。
3.2 破壞模式
核心混凝土與鋼管破壞模式分別如圖10、圖11所示。
(1) 核心混凝土。在僅考慮扭矩對核心混凝土的作用時,核心混凝土單位表面相鄰側會出現與圖10a所示值相同、方向相反的剪應力(τ),使單位本體的主拉應力(σt)方向傾斜45°;同時考慮軸向壓力時,最終主拉應力σt沿水平方向移動。關于混凝土的應變分析,在軸向壓力和扭轉力的作用下,混凝土表面線單元的壓縮和拉伸方向如圖11b所示,最終拉伸狀態如l2所示,與應力分析和微裂紋出現的位置相符合。
圖10 核心混凝土破壞模式
(2) 鋼管。由于核心混凝土對鋼管的支撐,從圖11a可以看出,整體鋼管在軸向壓力和扭轉力的作用下同時進入屈服狀態,沒有出現局部集中力,整體協調性好,承載力保持在較高水平。當軸壓比或扭轉角較大時,鋼管最終會沿圖11b所示的方向撕裂。
圖11 鋼管破壞模式
4 參數分析
為研究OECFST柱在壓扭復合受力下的受力性能,探究了不同鋼材強度(fy)、混凝土強度(fcu)、含鋼率(α)、長短軸比(β)以及截面面積對其受力性能的影響,并提取0～0.9軸壓比下構件抗扭承載力極限值(Tu)進行分析。標準試件信息如下:試件編號OS-PT-12,尺寸為400 mm×200 mm×5.0 mm×1 200 mm,fy=345 MPa,fcu=50 MPa,α=7.96%,該構件在軸壓比為0.4時達到最大承載力,相比于純扭構件提升約9.6%。有限元分析參數見表2所列,分析計算結果見表3所列,如圖12所示。
表2 有限元分析參數
表3 不同軸壓比試件的抗扭極限承載力 kN·m
(1) 鋼材強度。分別選取fy為235、345、420 MPa,研究其對構件壓扭承載力的影響。從圖12a可以看出:不同fy下N/Nu-Tu/Tu0曲線都呈現先增大后減小的形式,Q235構件在軸壓比為0.5時達到最大承載力,相比于純扭構件提升13.4%,比標準試件提高4.8%,曲線向外擴展;Q420構件在軸壓比為0.4時達到最大承載力,相比于純扭構件提升8.1%,比標準試件降低1.5%,曲線向內收縮;隨著fy提高,構件的N/Nu值與Tu/Tu0值相關性有所提升,軸壓與純扭的相互影響力增強。
(2) 混凝土強度。分別選取fcu為30、50、80 MPa,研究其對構件壓扭承載力的影響。從圖12b可以看出:不同fcu下N/Nu-Tu/Tu0曲線都呈現先增大后減小的形式,C30構件在軸壓比為0.3時達到最大承載力,相比于純扭構件提升6.1%,比標準試件降低3.5%,曲線向內收縮;C80構件在軸壓比為0.4時達到最大承載力,相比于純扭構件提升12.0%,比標準試件提高2.4%,曲線向外擴展;隨著fcu提高,構件的N/Nu值與Tu/Tu0值相關性有所降低,軸壓與純扭的相互影響力減弱。
圖12 OECFST柱不同參數下壓扭復合受力N/Nu-Tu/Tu0曲線
(3) 含鋼率。分別選取鋼管厚度為3、5、8 mm,研究其對構件壓扭承載力的影響,對應α分別為4.66%、7.96%、13.22%。從圖12c可以看出:不同α下N/Nu-Tu/Tu0曲線都呈現先增大后減小的形式,α=4.66%的構件在軸壓比為0.5時達到最大承載力,相比于純扭構件提升12.1%,比標準試件提高2.5%,曲線向外擴展;α=13.22%的構件在軸壓比為0.3時達到最大承載力,相比于純扭構件提升5.2%,比標準試件降低4.4%,曲線向內收縮;隨著α提高,構件的N/Nu值與Tu/Tu0值相關性有所提升,軸壓與純扭的相互影響力增強。
(4) 長短軸比。分別選取β值為1、2、3,研究其對構件壓扭承載力的影響。從圖12d可以看出:不同β下N/Nu-Tu/Tu0曲線都呈現先增大后減小的形式,β=1的構件在軸壓比為0.4時達到最大承載力,相比于純扭構件提升約14.5%,比標準試件提高4.9%;β=3的構件在軸壓比為0.5時達到最大承載力,相比于純扭構件提升11.7%,比標準試件提高約2.1%;總體曲線較為接近,由于截面形式的變化,相比于其他參數,β的改變對N/Nu-Tu/Tu0曲線形式有一定影響,相互之間差異性較大。
(5) 截面面積。分別將標準試件進行同比例放大與縮小,從圖12e可以看出:縮小尺寸的構件在軸壓比為0.4時達到最大承載力,相比于純扭構件提升11.2%,比標準試件提高1.6%;擴大尺寸的構件在軸壓比為0.4時達到最大承載力,相比于純扭構件提升9.5%,比標準試件降低0.1%;不論是在數值上還是在整體曲線上,尺寸效應對N/Nu-Tu/Tu0曲線的影響甚微。
(6) 軸壓比。從圖12可以看出,在不同參數變化下,隨著軸壓比增大,N/Nu-Tu/Tu0曲線均呈現先增大后減小的變化形式,在軸壓比增大初期,Tu會有略微增強,大約在軸壓比為0.4時達到最大值,隨著軸壓比不斷增加,Tu不斷下降,大約在軸壓比為0.7時接近純扭構件。
5 結 論
(1) 本文基于等效本構模型建立了OECFST構件在壓扭復合受力下的有限元分析模型,可用于評價OECFST柱的壓扭復合受力性能。
(2) 由于鋼管和核心混凝土的相互作用,在壓扭復合受力下,尖端形橢圓鋼管表面應力分布較為均勻,構件在壓扭狀態下表現出較好的塑性性能。
(3) 隨著軸壓比增大,OECFST構件抗扭承載力先小幅度提高后降低,在軸壓比約為0.4時達到最大值,軸壓比約為0.7時抗扭承載力接近純扭試件,軸壓比大于0.7時,抗扭承載力持續下降,且下降速率會不斷增加。
(4) 本文研究了鋼材強度、混凝土強度、截面含鋼率、長短軸比及截面面積對OECFST柱壓扭復合受力下承載力的影響。鋼材強度越高、含鋼率越大、截面面積越大以及長短軸比越小,承載力越大;在一定軸壓比下,混凝土強度越高,承載力越大;構件約束效應增大時,其軸壓比值與扭矩比值的相關系數提高,曲線呈現內縮的狀態,尺寸效應對N/Nu-Tu/Tu0曲線影響不大。
