不銹鋼管再生混凝土短柱軸壓力學性能研究

馬海兵, 胡永勝, 張文浩, 趙 暉*, 沈玲華

(1. 山西平榆高速公路有限責任公司,山西 太原 030000; 2. 太原理工大學 土木工程學院, 山西 太原 030024)

不銹鋼因其外表美觀、耐久性好、耐火性好且維護費用低等優點,在高標準的結構耐久性建筑中具有廣泛應用前景.而廢棄混凝土破碎形成的粗骨料拌和得到再生粗骨料混凝土作為建筑廢棄混凝土高效再利用的有效途徑,但再生混凝土因其劣化的力學性能導致應用受限.因此,在不銹鋼管中填充再生混凝土組合而成的不銹鋼管再生混凝土(RA-CFSST)可有效改善管內再生混凝土的脆性并提高再生骨料的利用效率.

目前,國內外學者[1-6]對不銹鋼管混凝土構件(CFSST)的軸壓力學性能進行了相關試驗和有限元研究,在與碳素鋼管混凝土構件相比下,CFSST構件在軸向應變較大時表現出更好的延性.Yang等[7]通過圓形和方形不銹鋼管再生混凝土短柱的軸壓力學性能試驗,考慮不同再生粗骨料取代率(0%、25%、50%與75%)影響,研究認為RAC-FSST的剛度與承載能力隨著取代率的增加而下降,相較于CFSST構件,其承載力降低約6.1%～18.0%.Tam等[8]、Zhang等[9]基于軸壓試驗,認為100%取代率的不銹鋼管再生混凝土構件剛度明顯降低,峰值應變增大.然而,由于再生粗骨料較低的彈性模量和表面殘余砂漿的存在,再生混凝土受不銹鋼管約束作用機理尚不明確,軸壓過程中鋼與混凝土的應力狀態發展需要進一步明確.因此有必要對不銹鋼管再生混凝土軸壓力學性能進行機理與擴大影響參數分析,給出相關設計建議.表1為已有不銹鋼管再生混凝土短柱軸壓力學性能研究相關參數.

表1 相關研究試驗參數

為此,基于前期試驗,本文采用有限元ABAQUS軟件對不銹鋼管再生混凝土短柱軸壓力學性能進行分析.重點研究該類構件在軸壓作用下各部件的應力狀態發展、鋼-混凝土之間的接觸應力等機理,并分析再生混凝土強度、粗骨料取代率、不銹鋼類型以及含鋼率對其軸壓承載力的影響.采用國內外現有鋼管混凝土結構設計規范進行適用性對比,為該類構件的工程應用推廣提供參考.

1 有限元模型建立與驗證

1.1 材料模型

不銹鋼泊松比μs和彈性模量E0分別根據文獻試驗實測值確定.當缺乏實測值時,μs取為0.3,E0取為200 GPa.應力-應變關系采用Rasmussen[10]建議的模型,如式(1～3)所示:

(1)

式中:σ0.2為殘余應變0.2%對應的應力;E0和E0.2分別為不銹鋼彈性模量和殘余應變0.2%處的割線模量;n和m為應變硬化指數;其余各參數的含義見文獻[11～12].

(4)

(5)

y=σ/σ0

(6)

σ0=f′c

(7)

(13)

1.2 單元類型、網格劃分與界面模型

外包不銹鋼管采用S4R縮減積分殼單元,核心再生混凝土和端板均采用C3D8R線性縮減積分實體單元.不銹鋼管與混凝土接觸面法向采用“Hard Contact”,切向采用庫倫摩擦模型來表征界面切向力的傳遞性能,摩擦系數取為0.25[16-17].端板與不銹鋼管采用“Tie”接觸模擬實際焊接.建立的軸壓短柱構件的有限元模型通過施加整體坐標系下U3方向的平動實現軸向壓力的加載,同時限制端板在整體坐標系中U1、U2方向平動自由度與繞x、y、z軸(UR1、UR2和UR3)的轉動自由度.將端板外側耦合至各面中心參考點,通過對該參考點的自由度限制與施加位移實現軸向加載.經過網格敏感性分析,當網格尺寸取為20 mm時,計算結果達到較好的精度與計算效率.圖1為有限元模型示意圖.

圖1 有限元模型示意圖Fig.1 Finite element model

1.3 模型驗證

為驗證有限元模型的準確性,對Yang等[7]、Tam等[8]和Zhang等[9]進行的32個不銹鋼管再生混凝土短柱軸壓試驗進行驗證.典型試件模型計算與前期試驗試件荷載(N)-應變(εv)曲線對比如圖2所示.由圖可知,本文有限元模型可以較好的預測RA-CFSST構件荷載-應變曲線的發展.圖3為所驗證試件極限承載力模擬值Nu,FE與試驗值Nue的對比,Nu,FE/Nue的平均值和方差分別為0.951和0.025.圖4進一步給出了典型試件H-114-100-1試驗破壞模態與有限元模擬結果的對比,可見有限元模擬結果與試驗結果吻合較好.

圖2 有限元計算結果與試驗荷載-應變曲線對比

圖3 有限元計算極限承載力與試驗值對比Fig.3 Comparisons from FE and tested ultimate strengths

圖4 破壞模態對比Fig.4 Comparisons from FE and tested failure pattern

2 受力全過程機理分析

為研究不銹鋼管再生混凝土軸壓短柱的受力全過程機理,以RA-CFSST典型構件(D=400 mm,t=7.1 mm,L=1 200 mm,r=50%,α=7.5%,fcu=50 MPa,σ0.2=220 MPa)為例,對各部件應力狀態發展、應力分布、鋼-混凝土接觸應力變化規律進行分析.

2.1 應力狀態發展

圖5給出了RA-CFSST典型構件截面平均應力(σm)、再生混凝土縱向應力(σc,v)、不銹鋼管縱向應力(σs,v)與環向應力(σs,c)隨軸向應變(εv)變化的關系曲線.根據曲線發展可分為4個階段:

1) OA段:此階段各曲線均線性增長,再生混凝土與不銹鋼管均處于彈性階段,不銹鋼環向應力較小,表明鋼材正處于單向軸壓狀態.從A點起,試件開始進入彈塑性階段,此時不銹鋼管縱向應力約為其名義屈服強度的50%～60%[18].

2) AB段:此時構件處于彈塑性階段,再生混凝土應力-應變曲線呈現非線性增長趨勢;不銹鋼管縱向應力先增后減,環向應力顯著增加,鋼材在此階段達到其名義屈服強度,不銹鋼管開始對核心混凝土產生約束作用.當達到極限承載力時(B點),核心再生混凝土的縱向應力大于單軸壓縮狀態下的峰值應力(f′c),表明外鋼管的約束作用能夠有效提高核心再生混凝土的強度.

3) BC段:鋼材進入強化階段,其縱向應力逐漸減小至較為穩定水平,環向應力持續增加.在外包不銹鋼管的約束作用下,核心再生混凝土縱向應力緩慢增加,但隨著外鋼管發生局部屈曲,約束效應減弱,呈現延性特征.

4) CD段:不銹鋼管縱向應力、再生混凝土縱向應力與截面平均應力穩定發展,不銹鋼管的環向應力緩慢增加,構件進入后強化階段.

圖5 典型構件各部件應力-應變發展Fig.5 Stress-strain relationships of each component part

2.2 應力分布

典型算例1/2高度處核心再生混凝土縱向應力(S33)分布情況如圖6所示.考慮到荷載與構件幾何對稱性,僅給出了1/4截面的應力云圖,各特征點處再生混凝土應力分布特征如下:

圖6 1/2高度處核心再生混凝土縱向應力云圖

1) 在A點處,再生混凝土處于彈性階段,其縱向應力分布均勻且數值較小;

2) 在B點處,再生混凝土縱向應力較大且分布不均勻,由核心至邊緣逐漸減小,這是由于再生混凝土截面中心處受到的約束效應較強,此時核心處縱向應力是其自身抗壓強度的1.76倍;

3) 在C點時,再生混凝土縱向應力較B點有所下降,應力分布規律仍表現為截面中心至邊緣逐漸減小,與B點處應力分布規律一致;

4) 在D點處,應力分布規律整體不變,再生混凝土縱向應力進一步減小.

2.3 接觸分析

圖7為典型算例中不銹鋼管與再生混凝土接觸應力(p)沿柱高的變化規律.如圖所示,在初始加載階段,沿柱高各點不銹鋼管與再生混凝土接觸應力均為零,表明此階段不銹鋼管與核心再生混凝土之間無接觸作用,這主要是由于此階段再生混凝土處于彈性階段,混凝土泊松比小于鋼材泊松比;隨著再生混凝土橫向變形增大,其泊松比開始增大并超過鋼材泊松比,兩者開始產生接觸作用,并且隨著構件縱向應變增加持續增長;當鋼材進入塑性階段后,B點與C點接觸應力增長緩慢.

圖7 不銹鋼-再生混凝土接觸應力Fig.7 Contact stress between steel tube and core concrete

3 參數分析

根據實際工程要求,在驗證有限元模型可靠性的基礎上,對102個RA-CFSST軸壓短柱進行參數分析,其中設計變量考慮了取代率(r)、含鋼率(α)、再生混凝土強度(fcu)、不銹鋼管屈服強度(σ0.2)與截面尺寸(D)的影響.各參數取值如表2所示.

表2 參數分析算例

3.1 再生混凝土強度

圖8a為在不同再生混凝土強度對構件荷載-位移(N-Δ)曲線與彈性剛度(EA)的影響規律.由圖可知,隨再生混凝土強度的增加,RAC-FSST構件極限承載能力Nu逐漸增加.盡管套箍系數ξ隨著混凝土強度增大有所降低,但再生混凝土強度的增大仍有效提升了構件承載能力.這主要是由于混凝土強度的提高增大了核心再生混凝土部分的承載能力,抵消了套箍系數減弱對Nu的不利影響,導致構件的極限承載力在強度增大、套箍系數減小的情況下依然有所增加.本文有限元分析中,對于荷載-位移曲線沒有明顯下降段的試件,極限承載力Nu取為構件軸向應變1%對應的荷載[9],0.4Nu處的割線模量作為試件的軸壓剛度EA[9,18].

圖8b為不同再生混凝土強度對構件剛度的影響.可知,構件剛度隨著核心再生混凝土強度的增加而增加,當再生混凝土強度從30 MPa增加至50 MPa時,構件剛度增加了12.9%.

3.2 再生粗骨料取代率

圖8 再生混凝土強度的影響Fig.8 Effect of RAC strength

圖9 再生粗骨料取代率的影響Fig.9 Effect of coarse recycled aggregate replacement ratio

3.3 不銹鋼類型

不同不銹鋼類型(包括奧氏體(X2CrNi19-11、X2CrNiMoN17-11-2與X2CrNiN23-4)、雙相型(X2CrNiN23-4與X2CrNiMo22-5-3)以及鐵素體(X8Cr17))力學性能如表3所列.

表3 各類型不銹鋼的力學性能

圖10為不同不銹鋼類型對RA-CFSST短柱軸壓性能的影響.有限元模型中,不銹鋼類型通過改變屈服強度、極限強度與硬化指數實現.由圖10a可知,不銹鋼類型對構件N-Δ曲線影響顯著.不同牌號的奧氏體不銹鋼管再生混凝土N-Δ曲線發展趨勢一致,承載力在塑性強化階段穩定發展,隨后緩慢增加.σ0.2=300 MPa對應的奧氏體不銹鋼極限承載力為σ0.2=220 MPa的1.12倍;雙相型不銹鋼管再生混凝土N-Δ曲線發展趨勢在彈性階段與奧氏體不銹鋼一致,塑性階段荷載增長率大于奧氏體不銹鋼,從彈塑性階段開始曲線持續上升;鐵素體不銹鋼σ0.2=260 MPa,其N-Δ曲線發展趨勢與奧氏體相似,極限承載力較奧氏體不銹鋼σ0.2=220 MPa提高6.2%,較奧氏體不銹鋼σ0.2=300 MPa降低4.9%;雙相型不銹鋼σ0.2=480 MPa極限承載力為奧氏體不銹鋼σ0.2=220 MPa的1.4倍.從圖10b中可知,構件剛度隨著不銹鋼屈服強度的增大而增大.

圖10 不銹鋼類型的影響Fig.10 Effect of stainless steel types

3.4 含鋼率

工程中鋼管混凝土的常用含鋼率為4%～20%,本文通過改變不銹鋼管厚度實現含鋼率的變化.圖11給出了不同含鋼率下不銹鋼管再生混凝土柱的極限承載力和剛度的變化.構件的極限承載力與含鋼率成正比.當再生混凝土強度為30 MPa時,含鋼率從7.5%增大到12.0%,其極限承載力增加幅度為11.5%;由圖11b可知,構件剛度隨著含鋼率的增大而增大.可見,通過改變鋼管厚度增加含鋼率,可以增大構件的極限承載力和剛度.這是由于含鋼率較大的試件,外包不銹鋼管對核心再生混凝土的約束效應較強,核心再生混凝土強度提升幅度增加,進而增大了構件的極限承載力和剛度.

3.5 截面尺寸

為研究截面尺寸對不銹鋼管再生混凝土短柱軸壓力學性能的影響,本文設計了400、800、1 200、1 600 mm四種直徑的試件.圖12給出了不同截面尺寸下不銹鋼管再生混凝土柱的極限承載力和剛度的變化規律.由圖可知,隨著截面直徑的增大,試件的極限承載力和剛度均逐漸增大.

圖11 含鋼率的影響Fig.11 Effect of steel ratio

圖12 截面尺寸的影響

4 軸壓極限承載力計算

由于暫未出臺RA-CFSST構件的相關設計規范,因此本節采用鋼管混凝土結構設計相關設計規范EN1994-1-1:2004[19]、AIJ 2008[20]、GB 50936-2014[21]、ANSI/AISC 360-16[22]以及T/CECS 625-2019[23]預測RAC-FSST構件的極限承載力.為進一步驗證現有規范對RA-CFSST構件極限承載力預測的適用性,本文將有限元模擬結果及相關文獻試驗結果[2,3,5,7-9]Nue&FE與規范預測結果Nuc進行對比分析.

在本文研究參數范圍內,圖13給出各設計規范預測值Nuc與有限元模擬結果、試驗結果Nue&FE的對比.算例參數范圍為:再生粗骨料取代率r=0%～100%、含鋼率α=5%～15%、混凝土強度fcu=30～60 MPa、不銹鋼屈服強度σ0.2=220～480 MPa和截面直徑D=400～1 600 mm.可以發現,5種設計規范對RA-CFSST柱的軸壓承載力預測均較為保守.歐洲規范EN1994-1-1:2004[19]和中國鋼管混凝土結構技術規范GB 50936—2014[21]預測相對合理,計算結果與試驗結果相比分別低估了8.8%和17.0%.而日本規范AIJ 2008[20]和美國規范ANSI/AISC 360-16[22]由于未考慮約束作用影響,對RAC-FSST極限承載力的預測偏于保守,極限承載力分別被低估了21.9%和26.0%.

圖13 現有設計規范適用性對比Fig.13 Comparison of test and FE results with available design codes

5 結論

基于相關試驗研究,本文對不銹鋼管再生混凝土短柱軸壓作用下的工作機理與影響參數進行了分析,在研究參數范圍內得到以下結論:

1) RA-CFSST構件截面應力發展可分為4個階段.構件在彈性階段處于單向受壓狀態,不銹鋼管與再生混凝土無相互作用;彈塑性階段后不銹鋼管環向應力持續增加,對再生混凝土的約束作用不斷增強,再生混凝土縱向應力逐漸增大并趨于穩定發展,不銹鋼管與再生混凝土接觸應力持續增加.

2) RA-CFSST短柱極限承載力受再生粗骨料取代率的影響較小,取代率從0%增加到100%僅降低構件極限承載力6.2%;受含鋼率和材料強度的影響較大;再生混凝土強度對構件剛度的影響不明顯.含鋼率從7.5%增大到12.0%,再生混凝土強度為30 MPa的構件極限承載力增加了11.5%,這主要與鋼管對核心混凝土的約束效應增強有關.

3) 國內外現有鋼管混凝土結構設計規范普遍對RAC-FSST構件極限承載力預測較為保守.其中,歐洲規范EN1994-1-1:2004和中國鋼管混凝土結構技術規范GB 50936—2014可較好預測RA-CFSST構件的極限承載力.