基于有限元法的钢骨高强混凝土柱抗剪承载力研究

赵岩峰

(深圳市建筑设计研究总院有限公司第一分公司，广东深圳 518031)

赵岩峰

(深圳市建筑设计研究总院有限公司第一分公司，广东深圳 518031)

在合理选取参数的前提下，使用有限元软件marc建立了模型，对已有的钢骨高强混凝土柱抗剪承载力试验[1]进行了模拟，得出的结果与试验结果较为一致，指出在试验条件受限或者试验构件数量不足时，可以使用有限元计算数据作为试验数据的补充。

钢骨混凝土柱，有限元，抗剪承载力，位移

0 引言

钢骨混凝土构件有着以下特点：1)在荷载相同的情况下钢骨混凝土构件截面可以远小于普通钢筋混凝土构件，从而减少空间占用，增加建筑使用面积；2)型钢的存在大大提高了构件的延性，因此抗震性能优异；3)相对于纯钢构件，钢骨混凝土的耐火、耐腐蚀能力有着显著提高；4)近年来随着钢材价格的持续走低，采用钢骨混凝土结构相对于以往，经济性更加明显。

1 试验介绍[1]

柱截面尺寸为220 mm×160 mm，钢骨为Ⅰ14热工字钢。加载方式为悬臂梁式加载，竖向由100 t千斤顶施加轴向压力，水平荷载由50 t做动器施加。构件截面如图1所示。

试验中各材料的力学性能见文献[1]。

2 模型的建立与参数选取

本着有限元模型与试验边界以及荷载条件尽可能一致，且又有利于模型建立与计算的原则，对模型进行适当的简化。其中混凝土、钢骨部分采用六面体实体单元，纵向钢筋采用Truss单元。混凝土与钢筋、钢骨的粘结面简化为共用节点的方式不考虑粘结滑移。因采用的混凝土本构关系曲线[4]本身已经考虑了箍筋对混凝土材料的约束作用，故模型中没有建立箍筋。根据圣维南原理，可以近似认为柱加载端与约束端的荷载、边界条件仅影响局部区域的应力分布，而对相对较远区域的影响可以忽略不计。因此，为了防止混凝土由于局部过早产生较大变形导致迭代不收敛，将柱顶加载处设置为理想弹性体不考虑材料非线性因素。柱底约束所有Z坐标为0的节点全部自由度。计算中对于先施加轴压，再施加水平荷载工况采用定义两个table表来实现。模型如图2所示。

本次计算输入程序中的混凝土非线性应力应变关系曲线为钱稼茹等[4]提出的约束混凝土应力应变关系曲线。它的特点是在应力—应变全曲线方程中加入了配箍特征值λv，从而考虑了箍筋的约束作用。其中抗拉强度ft=0.1fc，极限压应变εcu=1，剪力传递系数η=0.3，软化模量Es=0.1E，常数β=1.732。

3 有限元计算结果及分析

表1 试验与计算结果对比分析

表1为计算结果汇总，其中λ为剪跨比，nt为轴压力系数，ρv为体积配箍率，Vu为试验值，VM为有限元计算值。图3为各构件有限元计算的荷载位移关系曲线，曲线均有明显的下降段，且下降段很长，说明钢骨混凝土构件有着很好的延性。从图4有限计

算结果的裂缝分布图来看，图4a)构件根部主要以混凝土压碎与拉裂为主要破坏形态，并未出现明显的斜裂缝，表现为弯曲性破坏(λ=2.5)；图4b)，图4c)在柱根部除明显的混凝土压碎与拉裂破坏以外，斜裂缝发展明显，尤其是剪跨比较小(λ=1.0)时主要表现为剪切破坏。有限元计算的破坏形态与裂缝分布和试验结果是一致的[1]。从表1汇总的计算结果来看，有限元计算结果与试验结果基本吻合，而此次计算中由于模型以共用节点的方式考虑型钢与混凝土材料的共同工作，并未考虑粘结滑移，故计算值均大于试验值。从已有的10个计算结果来看剪跨比越小有限元计算结果与试验值误差越大，但总体基本满足要求。综上所述，可考虑在试验条件受限，以及试验构件数量不足的情况下，将有限元计算结果作为试验数据的补充。

[1] 李俊华.低周反复荷载下型钢高强混凝土柱受力性能研究[D].西安：西安建筑科技大学，2005.

[2] 陈火红.Marc有限元实例分析教程[M].北京:机械工业出版社,2002：2-3.

[3] 陈火红,于军泉,席源山.MSC.Marc/Mentat 2003基础与应用实例[M].北京：科学出版社，2004：1-2.

[4] 钱稼茹,程丽荣,周栋梁.普通箍筋约束混凝土柱的中心受压性能[J].清华大学学报(自然科学版)，2002(10):1369-1373.

[5] 贾金青，赵国藩.高强混凝土框架短柱力学性能的试验研究[J].建筑结构学报,2001(6):43-47.

Research on shearing loading capacity of steel-reinforced concrete column based on finite element method

Zhao Yanfeng

(ShenzhenBuildingDesignAcademyHeadquarterCorporation1stBranchCompany,Shenzhen518031,China)

In the premise of rationally selecting parameters, the paper establishes models by applying finite element software marc, carries out simulation for the anti-shearing bearing capacity test of existing high-strength steel-reinforced concrete column[1], and finally points out that: the finite element computation data can be used as experimental data supplement under the conditions of limited experimental conditions or insufficient experimental components quantity.

steel-reinforced concrete column, finite element, anti-shearing bearing capacity, displacement

2016-03-24

赵岩峰(1981- )，男，工程师

1009-6825(2016)16-0046-02

TU375.3