鋼骨—鋼管混凝土柱的偏壓承載力研究

彭立純

鋼骨—鋼管混凝土柱是一種新型的結構組合柱，它是綜合鋼管混凝土和鋼骨混凝土的優(yōu)缺點而提出的一種新模式的重載柱，其截面如圖1所示。在以往鋼骨—鋼管混凝土柱承載力的研究中［1-3］，對偏壓承載力的研究較少。鑒于此，本文將就鋼骨—鋼管混凝土柱的偏壓承載力進行試驗研究，同時用ANSYS對其承載力進行有限元分析。

圖1 鋼骨—鋼管混凝土柱截面形式

1 試驗介紹

試驗構件參數(shù)如表1所示。

表1 試件設計方案表

試驗在5000 kN長柱壓力試驗機上進行。鋼骨及鋼管應變片的總體布置情況如圖2所示。

圖2 應變片布置圖

試驗時在試件上、下端部各固定了一個20mm厚夾具以增強試件端部的承壓能力。在試件的上部和下部及對稱的左右邊分別布置四個百分表用來測量試件的軸向變形。偏壓短柱試件的側向撓度也是采用在試件1/2及1/4高度處布置的百分表來測量;偏壓長柱的側向撓度是通過在試件1/2，1/3，1/6高度處對稱布置的五個百分表來測量。

試驗采用分級加載制，彈性范圍每級荷載為預計極限荷載的1/10，當鋼管開始屈服后，每級荷載約為預計極限荷載的1/20，每級荷載的持荷時間為2 min，接近破壞時則采用慢速連續(xù)加載，當試件變形很大，荷載迅速下降時終止試驗。

2 有限元建模分析

采用ANSYS有限元分析程序，Solid65單元模擬核心混凝土，Solid45單元模擬鋼骨，Shell63單元模擬鋼管壁。建模時鋼管壁與核心混凝土之間、核心混凝土和型鋼之間采用完全粘結的形式進行簡化模擬。為了準確模擬偏心加載，在模型組合柱的兩端加鋼板以傳遞偏心力，該鋼板也采用Solid45單元模擬，但是將其彈性模量設置為一個較大的數(shù)值，用力模擬板的剛性。底部剛性板的所有節(jié)點施加UX，UY，UZ方向約束，用于模擬鉸接，頂部剛性板節(jié)點上施加UX，UY方向約束，同時施加Z方向的荷載。

本文在分析過程中，混凝土的本構關系采用文獻［2］提出的核心混凝土本構關系，鋼管和鋼骨的本構關系采用簡化的理想彈塑性應力—應變曲線，其屈服強度值采用試驗值。本文采用大位移靜態(tài)分析，設置最大子步數(shù)為200，并打開自動步長選項(AUTOTS，1)，以便根據(jù)需要由系統(tǒng)自動調整子步數(shù)，以獲得精度和代價之間的良好平衡。當不能確信模型能否成功收斂時，打開自動時間步長選項可以激活ANSYS的二分法。本文采用力收斂準則，收斂容差設為0.01。部分計算結果如圖3～圖6所示。

圖3 鋼骨Von Mises應力云圖

圖4 鋼管Von Mises應力云圖

3 承載力結果分析比較

將鋼骨—鋼管混凝土柱的偏壓試驗承載力結果及ANSYS分析得到的承載力結果列于表2中。

圖5 混凝土Von Mises應力云圖

圖6 組合柱Von Mises應力云圖

由表2可以看出，有限元分析結果與試驗結果吻合較好，誤差均控制在5%以內。說明采用本文方法建立的ANSYS模型能夠很好地進行鋼骨—鋼管混凝土偏壓柱的極限承載力分析，相對于試驗研究，采用有限元模擬分析能夠很好地節(jié)約人力和物力。

表2 極限承載力試驗結果與有限元計算結果比較

4 結語

1)本文對鋼骨—鋼管混凝土柱的偏壓承載力進行了試驗研究。2)采用ANSYS有限元軟件，選擇合適的材料本構關系和荷載求解方法，對鋼骨—鋼管混凝土柱的偏壓承載力進行了模擬分析，結果表明本文有限元分析結果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，證明了有限元分析的有效性。

［1］ 王清湘，趙大洲，關 萍.鋼骨—鋼管高強混凝土軸心組合柱力學性能的試驗研究［J］.建筑結構學報，2003，24(6):44-50.

［2］ 趙大洲.鋼骨—鋼管高強混凝土組合柱力學性能研究［D］.大連:大連理工大學博士學位論文，2003:1-104.

［3］ 陳寶春，王來永，韓林海.鋼管混凝土偏心受壓應力—應變關系模型研究［J］.中國公路學報，2004，17(1):24-28.

［4］ 繆 巍.配筋鋼管混凝土短柱軸心承載力試驗研究［J］.山西建筑，2010，36(5):79-80.