方中空夾層鋼管混凝土橫向局壓性能研究

楊有福　孟春媛

摘要：為研究方中空夾層鋼管混凝土的橫向局壓性能，利用ABAQUS軟件建立了非線性有限元分析模型，同時(shí)以壓桿與試件外邊長(zhǎng)比和空心率為參數(shù)，進(jìn)行了6個(gè)試件的試驗(yàn)研究，分析比較了試件破壞形態(tài)、荷載-位移曲線、荷載-應(yīng)變曲線和承載力模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的差異及其產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明：橫向局壓荷載作用下方中空夾層鋼管混凝土具有較好的力學(xué)性能；有限元模擬得到的方中空夾層鋼管混凝土橫向局壓性能總體上與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

關(guān)鍵詞：方中空夾層鋼管混凝土；橫向局壓；試驗(yàn)研究；有限元分析

中圖分類號(hào)：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引 言

中空夾層鋼管混凝土（Concrete-filled Double-skin Steel Tube， CFDST）是一種在普通鋼管混凝土的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型組合結(jié)構(gòu)，它由同心放置的內(nèi)、外鋼管及它們之間的夾層混凝土組成。中空夾層鋼管混凝土在秉承鋼管混凝土承載力高、塑性韌性好、施工方便及抗火和抗腐蝕性能較好等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如截面開展、抗彎剛度大、自重輕和抗火性能更好等[1]。因此，中空夾層鋼管混凝土可用作橋墩、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的支架柱、建筑物的大直徑柱和其他高聳構(gòu)筑物等[1]，同時(shí)中空的特點(diǎn)又使其在桁架和空間結(jié)構(gòu)中有應(yīng)用的潛力[2-3]。當(dāng)中空夾層鋼管混凝土用作桁架和空間結(jié)構(gòu)的弦桿時(shí)，其由于承受腹桿傳來的壓荷載而處于橫向局壓狀態(tài)。中空夾層鋼管混凝土的橫向局壓性能將直接決定桁架和空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的性能，甚至影響整體結(jié)構(gòu)的安全。

自20世紀(jì)90年代以來，美、日、澳和中國學(xué)者先后對(duì)中空夾層鋼管混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究和理論分析。黃宏[4]全面匯總了各國2006年以前公開發(fā)表的中空夾層鋼管混凝土受力性能試驗(yàn)成果，并利用纖維模型法和有限元方法對(duì)中空夾層鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的靜力、動(dòng)力性能進(jìn)行了理論分析，提出了力學(xué)指標(biāo)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。此外，Lu等[5-6]對(duì)中空夾層鋼管混凝土柱的耐火性能進(jìn)行了理論分析，并提出了耐火極限的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。Huang等[7]進(jìn)行了圓套圓和方套圓中空夾層鋼管混凝土在純扭荷載下的試驗(yàn)研究，并利用有限元方法分析了試件的破壞模式和扭矩-轉(zhuǎn)角全過程曲線以及內(nèi)、外鋼管和混凝土之間的相互作用機(jī)理。Pagoulatou等[8]建立了圓中空夾層鋼管混凝土柱在軸壓荷載作用下的有限元模型，并提出了承載力簡(jiǎn)化計(jì)算公式。目前，對(duì)中空夾層鋼管混凝土橫向局壓性能的研究未見報(bào)道，僅有加拿大[9]、香港[10]和本課題組[11-12]對(duì)傳統(tǒng)鋼管混凝土在橫向局壓荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，并建議了承載力簡(jiǎn)化計(jì)算公式。

本文基于有限元軟件ABAQUS建立方中空夾層鋼管混凝土橫向局壓性能的理論分析模型，并以壓桿與試件外邊長(zhǎng)比和空心率為主要參數(shù)進(jìn)行橫向局壓荷載作用下方中空夾層鋼管混凝土的試驗(yàn)研究。將通過模擬得到的試件破壞形態(tài)、荷載-位移曲線、荷載-應(yīng)變曲線及承載力與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證非線性有限元模型的有效性。

1有限元模型

采用大型通用有限元軟件ABAQUS[13]的通用分析模塊，對(duì)方中空夾層鋼管混凝土的橫向局壓力學(xué)性能進(jìn)行模擬。

1.1材料本構(gòu)

對(duì)于鋼材，采用ABAQUS/Standard模塊中的塑性模型，在多軸應(yīng)力狀態(tài)下滿足Mises屈服準(zhǔn)則和各項(xiàng)同性的硬化準(zhǔn)則，并服從相關(guān)流動(dòng)法則。鋼材真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變關(guān)系由名義應(yīng)力-名義應(yīng)變關(guān)系換算得到[13]。試件由鋼管冷彎制成（圖1），圖1中，r為彎角內(nèi)半徑，其單軸名義應(yīng)力-名義應(yīng)變（σ-ε）采用文獻(xiàn)[14]中建議的模型，并考慮彎角效應(yīng)的影響。

鋼壓桿按彈性材料選取，其彈性模量為2.06×105 MPa，泊松比為0.3。

對(duì)于混凝土，采用ABAQUS中的塑性損傷模型，其單軸應(yīng)力-應(yīng)變（σ′-ε′）曲線采用文獻(xiàn)[15]中建議的模型，具體如下

σ′f′c=2x-x2 x≤1

xω（x-1）η+x x>1

（2）

其中

x=ε′/ε0

ε0=（1 300+12.5f′c+800ξ0.2）×10-6

ω=（f′c）0.1/（31+ξ）

η=1.6+1.5/x

式中：f′c為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度；ξ為約束效應(yīng)系數(shù)[4]；ε0為峰值應(yīng)變。

1.2單元類型和網(wǎng)格劃分

采用四節(jié)點(diǎn)線性減縮積分殼單元（S4R）模擬內(nèi)、外方鋼管，在殼單元厚度方向采用9個(gè)積分點(diǎn)的Simpson積分。采用八節(jié)點(diǎn)線性減縮積分格式三維實(shí)體單元（C3D8R）模擬夾層混凝土和壓桿。同時(shí)，在長(zhǎng)度方向?qū)υ嚰胁?倍壓桿外邊長(zhǎng)范圍內(nèi)的網(wǎng)格局部進(jìn)行加密，并使各接觸界面單元節(jié)點(diǎn)重合以保證收斂速度，單元?jiǎng)澐峙c邊界條件見圖2。

1.3接觸定義

與普通鋼管混凝土類似[15]，假定內(nèi)、外方鋼管與夾層混凝土之間界面及壓桿與外鋼管之間界面的接觸由法向硬接觸和切向粘結(jié)滑移組成，即法向接觸壓力能夠完全在界面之間傳遞，當(dāng)接觸壓力為負(fù)值或0時(shí)，接觸面之間無相互作用；切向粘結(jié)滑移采用庫侖摩擦模型[13]，鋼管與混凝土及壓桿與鋼管之間的界面摩擦因數(shù)分別取為0.6和0.3。

1.4邊界條件

本文橫向局壓荷載作用下方中空夾層鋼管混凝土有限元模型的邊界條件如圖2所示，約束壓桿上表面x，z方向的位移和構(gòu)件下表面y方向的位移以及下表面縱向中線x方向的位移和橫向中線z方向的位移。

在有限元模擬時(shí)采用位移控制加載，即在壓桿頂部分步施加豎向位移Δv。同時(shí)，采用牛頓迭代算法獲得橫向局壓荷載作用下方中空夾層鋼管混凝土的力學(xué)響應(yīng)。

2試驗(yàn)概況

本文共設(shè)計(jì)了6個(gè)橫向局壓荷載作用下方中空夾層鋼管混凝土試件，主要參數(shù)為壓桿與試件外邊長(zhǎng)比β（β=b/bo，b，bo分別為壓桿和試件的截面外邊長(zhǎng)）和空心率χ[4]，試件參數(shù)見表1，其中，bi為內(nèi)鋼管外邊長(zhǎng)，Nue，Nuc分別為試件承載力試驗(yàn)值和有限元計(jì)算值。