復(fù)式鋼管混凝土軸壓性能有限元分析

劉永超，李永波

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心，遼寧沈陽110111）

復(fù)式鋼管混凝土軸壓性能有限元分析

劉永超，李永波

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心，遼寧沈陽110111）

外方內(nèi)圓中空夾層鋼管混凝土具有諸多特點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景，但是其破壞時(shí)主要表現(xiàn)為內(nèi)外鋼管的局部屈曲。為提高鋼管抵抗局部屈曲的能力，該文提出在內(nèi)外鋼管之間設(shè)置縱向加勁肋，構(gòu)成了一種新型復(fù)式鋼管混凝土。在建立準(zhǔn)確的ABAQUS有限元分析模型基礎(chǔ)上，研究了此種復(fù)式鋼管混凝土的軸壓性能，發(fā)現(xiàn)與普通中空夾層鋼管混凝土相比，其破壞形態(tài)得到了明顯改善，承載力及延性有明顯的提高。

復(fù)式鋼管混凝土；加勁肋；軸壓性能；有限元分析

0 引言

近幾十年來，由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能，加之其在計(jì)算分析及設(shè)計(jì)方法上的日趨完善，各式鋼管混凝土得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了令人滿意的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。其中，中空夾層鋼管混凝土由于中部沒有混凝土，在橫截面積相同的情況下，與實(shí)心鋼管混凝土比，抗彎剛度明顯增大；在外鋼管尺寸相同的情況下，承載力不僅不會(huì)降低，延性和抗震性能還得到了提高。由于具有上述特性，中空夾層鋼管混凝土在各類廠房柱、地鐵站臺(tái)柱、各式支架、橋梁工程以及高層建筑等結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，外方內(nèi)圓中空夾層鋼管混凝土(截面形式見圖1)由于外方鋼管的存在，使其具有較大的抗彎剛度，穩(wěn)定性更高，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造也更為簡(jiǎn)單，便于連接施工[4]；而內(nèi)圓形鋼管由于自身抵抗局部屈曲的能力較強(qiáng)，對(duì)混凝土的約束作用更加顯著，因此外方內(nèi)圓中空夾層鋼管混凝土具有較好的力學(xué)性能。

圖1 外方內(nèi)圓中空夾層鋼管混凝土

研究表明，外方內(nèi)圓中空夾層鋼管混凝土軸壓破壞時(shí)，外鋼管向外局部鼓曲，內(nèi)鋼管向內(nèi)局部鼓曲[5]。鋼管的局部屈曲影響了鋼管與混凝土之間的相互作用及鋼管強(qiáng)度的充分利用，對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能有重要影響，因此減緩甚至消除鋼管的局部屈曲問題具有重要意義。該文提出了在內(nèi)外鋼管之間增設(shè)加勁肋的措施，構(gòu)成一種新型復(fù)式鋼管混凝土（截面形式見圖2），并采用有限元方法分析其軸壓性能，以期為復(fù)式鋼管混凝土的進(jìn)一步研究及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

圖2 復(fù)式鋼管混凝土

1 有限元分析模型的建立

1.1 材料的本構(gòu)關(guān)系模型

鋼材的本構(gòu)關(guān)系模型主要由五個(gè)階段組成[1]，分別為彈性段、彈塑性段、塑性段、強(qiáng)化段和二次塑流段。鋼材的彈性模量Es取2.06×106MPa，泊松比μ取0.3[6]。

鋼管混凝土構(gòu)件中的混凝土由于受到鋼管的約束，與素混凝土相比，不僅峰值應(yīng)變有所增加，本構(gòu)關(guān)系曲線的下降段也更為平緩。為此該文采用考慮鋼管對(duì)混凝土套箍效應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系模型[7]。彈性模量按式Ec=4700(MPa)計(jì)算，泊松比取為0.2[8]。

1.2 接觸設(shè)置

為了較真實(shí)反應(yīng)混凝土和鋼管之間的相互作用，提高計(jì)算精度，在接觸面法線方向上設(shè)置為硬接觸，即假設(shè)接觸壓力p能夠完全地在界面間進(jìn)行傳遞；在接觸面切線方向上定義庫倫摩擦模型，來模擬兩接觸面間的摩擦特性。摩擦系數(shù)μ取0.6[7]。

構(gòu)件端板與鋼管及混凝土之間的接觸均設(shè)置為共節(jié)點(diǎn)[9]。

1.3 邊界條件及網(wǎng)格劃分

該文主要研究短柱的軸壓力學(xué)性能，構(gòu)件的長(zhǎng)度L均取為構(gòu)件寬度B的3倍[3]。由于軸壓構(gòu)件的幾何形狀和邊界條件在X、Y、Z三個(gè)方向上均對(duì)稱，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，取1/8構(gòu)件進(jìn)行建模分析，在3個(gè)對(duì)稱面上設(shè)置相應(yīng)的對(duì)稱邊界條件，并在頂部施加Y方向的軸壓荷載。模型中混凝土采用C3D8R實(shí)體單元，該單元不僅適用于大應(yīng)變分析，還適用于接觸分析[9-10]。鋼管采用S4R殼單元，該單元可以產(chǎn)生任意大的橫向剪切變形以及轉(zhuǎn)動(dòng)，適合大變形分析[10]。具體邊界條件及網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 邊界條件與網(wǎng)格劃分情況

1.4 有限元分析方法的驗(yàn)證

文獻(xiàn)[11]研究的構(gòu)件可以看作該文復(fù)式鋼管混凝土內(nèi)圓鋼管直徑較小的情形，為了保證有限元分析結(jié)果的可靠性，該文對(duì)文獻(xiàn)[11]中的SC(square，circle)和SRC(square，rib，circle)鋼管混凝土軸壓構(gòu)件(截面形式分別如圖1、圖2所示)進(jìn)行了有限元分析，并將有限元方法得出的軸壓承載力與文獻(xiàn)[11]中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，具體情況如表1所示。

通過對(duì)比分析可知，構(gòu)件的軸壓承載力有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好，驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。

2 軸壓性能分析

表1 軸壓承載力有限元值與試驗(yàn)值對(duì)比

該文以典型的復(fù)式鋼管混凝土短柱為例(B=200mm；L= 600mm；t=ts=t0=3mm；D=80mm；bs=57mm；fy=235MPa；fc= 38.5MPa)，分析了軸壓構(gòu)件受力的全過程，對(duì)其工作機(jī)理展開初步研究，并與普通中空夾層鋼管混凝土進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 破壞形態(tài)

圖4分別給出了增設(shè)加勁肋和不增設(shè)加勁肋兩種構(gòu)件1/4中截面變形前后的形狀及1/2長(zhǎng)度方向變形后的形狀。對(duì)于1/4中截面，深顏色表示變形前的形狀，淺顏色表示變形后的形狀。

圖4 兩種構(gòu)件破壞形態(tài)局部示意圖

由圖4可知，兩類構(gòu)件在受力時(shí)混凝土均產(chǎn)生向外的橫向變形，增設(shè)加勁肋的構(gòu)件鼓曲最大位置是在中截面1/4寬度處(A點(diǎn))，而沒有增設(shè)加勁肋的構(gòu)件鼓曲最大位置是在中截面1/2寬度處(B點(diǎn))。另外，對(duì)于增設(shè)加勁肋的構(gòu)件混凝土橫向變形在長(zhǎng)度方向上較均勻，而沒有增設(shè)加勁肋的構(gòu)件在中截面附近的橫向變形明顯大于其他部位。

圖5所示為帶加勁肋和不帶加勁肋的軸壓構(gòu)件中截面外方鋼管在受力過程中橫向變形的發(fā)展情況。圖中Nc1表示極值承載力，-0.8Nc1表示承載力從最大值下降了20%。

圖5 兩種構(gòu)件中截面橫向變形對(duì)比

由圖5可見，兩種構(gòu)件受力初期，外鋼管幾乎整體同步變形且變形量較小。隨著外荷載的增加，不帶肋構(gòu)件外鋼管中間變形越來越大，而帶肋構(gòu)件外鋼管的1/4或3/4寬度處橫向變形不斷增大。當(dāng)兩種構(gòu)件達(dá)到極限承載力以后，不帶肋構(gòu)件的外鋼管最大橫向變形高于帶加勁肋的構(gòu)件。這是因?yàn)榛炷猎诋a(chǎn)生橫向變形時(shí)通過加勁肋對(duì)內(nèi)鋼管傳遞拉力，使得內(nèi)鋼管與外鋼管一起受力，在一定程度上限制了混凝土橫向變形的發(fā)展。由此可見，加勁肋為內(nèi)外鋼管提供一個(gè)可靠的支撐，限制了其橫向變形的發(fā)展，提高了鋼管抵抗局部屈曲的能力，改善了構(gòu)件的破壞形態(tài)，這將有助于提高構(gòu)件的承載力。

2.2 荷載-變形全過程分析

圖6給出了帶肋與不帶肋兩種構(gòu)件的N-ε關(guān)系曲線。

圖6 兩種構(gòu)件N-ε關(guān)系曲線

從圖6中可知，兩種構(gòu)件彈性階段的剛度基本相同，隨后兩種構(gòu)件剛度均有所下降，但帶肋構(gòu)件剛度下降速率比不帶肋構(gòu)件更緩慢。另外，增設(shè)加勁肋后構(gòu)件的承載能力得到了提高。兩類構(gòu)件達(dá)到峰值承載力后曲線均開始下降，未增設(shè)加勁肋的構(gòu)件承載力下降了42%，且下降速度較快，而增設(shè)加勁肋的構(gòu)件承載力只下降了29%，且下降速度較慢，說明構(gòu)件增設(shè)加勁肋后殘余承載力得到了明顯提高。

圖7給出了整個(gè)復(fù)式鋼管混凝土軸壓構(gòu)件以及混凝土和鋼管各自承受的軸壓力與縱向應(yīng)變的關(guān)系曲線。從圖7中可知，鋼管先達(dá)到最大承載力，隨后混凝土達(dá)到最大承載力，而混凝土承載力達(dá)到最大時(shí)，整個(gè)構(gòu)件的承載力也幾乎同時(shí)達(dá)到最大。隨后由于混凝土和鋼材的承載力降低，構(gòu)件的承載力也降低。在構(gòu)件中混凝土所受的軸壓力較大，約為1278kN，而鋼管所受的壓力相對(duì)較小，約為861kN，即混凝土承受了大多數(shù)的軸壓力。

圖7構(gòu)件、混凝土及鋼管N-ε關(guān)系曲線

圖8 給出了整個(gè)復(fù)式鋼管混凝土軸壓構(gòu)件以及混凝土和鋼管各自的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。為了便于對(duì)比，圖中的應(yīng)力都采用中截面上的平均值。其中，鋼管混凝土的應(yīng)力為名義壓應(yīng)力（σsc=N/Asc，Asc為構(gòu)件中截面面積）。為使圖像直觀利于對(duì)比，圖中將鋼管的應(yīng)力值除以10。

圖8 構(gòu)件、混凝土及鋼管應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖8可見，復(fù)式鋼管混凝土軸壓構(gòu)件在達(dá)到極限強(qiáng)度之前，鋼管就出現(xiàn)了屈服，而此時(shí)混凝土尚未達(dá)到極限強(qiáng)度。隨后，鋼管相繼到達(dá)了塑性和強(qiáng)化階段，其縱向應(yīng)力先有所減小，而后又有所提高。當(dāng)混凝土達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，構(gòu)件也幾乎同時(shí)達(dá)到極限強(qiáng)度，隨后混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始下降，構(gòu)件的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線也開始下降。

2.3 延性分析

該文借助軸壓延性系數(shù)，進(jìn)一步對(duì)比研究了兩種構(gòu)件的軸壓延性。延性系數(shù)表達(dá)式為[12]：

式中：ε85%—承載力從最大值下降了15%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；εc1—與極限承載力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

表2給出了兩種構(gòu)件的軸壓延性系數(shù)對(duì)比情況。

表2 帶肋與不帶肋構(gòu)件軸壓延性系數(shù)對(duì)比

可以看出，中空夾層鋼管混凝土增設(shè)加勁肋后，軸壓延性系數(shù)提高了18%，說明加勁肋能夠有效提高構(gòu)件的延性。這是因?yàn)樵鲈O(shè)加勁肋以后，構(gòu)件的截面含鋼率得到了提高，另外加勁肋使內(nèi)外鋼管共同受力，不僅改善了構(gòu)件的變形性能，還使混凝土的塑性性能得到了提高，從而使構(gòu)件的延性得到了改善。

2.4 混凝土應(yīng)力分析

圖9給出了復(fù)式鋼管混凝土荷載-應(yīng)變?nèi)^程曲線上的四個(gè)特征點(diǎn)，圖10給出了對(duì)應(yīng)這四個(gè)特征點(diǎn)的中截面混凝土軸向應(yīng)力分布圖。圖9中四個(gè)特征點(diǎn)分別為[3]：1點(diǎn)對(duì)應(yīng)鋼管開始屈服時(shí)，2點(diǎn)對(duì)應(yīng)構(gòu)件達(dá)到極限承載力時(shí)，3點(diǎn)對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)變達(dá)到2倍極限應(yīng)變時(shí)，4點(diǎn)對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)變達(dá)到20000με時(shí)。

圖9 復(fù)式鋼管混凝土N-ε關(guān)系曲線

圖10 中截面混凝土軸向應(yīng)力云圖

從圖10可知，鋼管開始屈服時(shí)，中截面混凝土的軸向應(yīng)力基本相同，約為1.05fc，而外鋼管拐角處混凝土的軸向應(yīng)力達(dá)到1.2fc；構(gòu)件達(dá)到極限承載力時(shí)，加勁肋附近核心混凝土軸向應(yīng)力約為1.2fc，外鋼管角部處的應(yīng)力值較大，約為1.6fc，中間的混凝土軸向應(yīng)力較??；當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到2倍的極限應(yīng)變時(shí)，混凝土軸向應(yīng)力整體有所增大，外鋼管拐角處及加勁肋與內(nèi)鋼管相交處的混凝土軸向應(yīng)力仍高于中間的混凝土，而與外鋼管接觸的混凝土軸向應(yīng)力明顯降低，這是因?yàn)榇藭r(shí)該處的混凝土已被壓碎，應(yīng)力出現(xiàn)了重分布；當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到20000με時(shí)，混凝土的軸向應(yīng)力整體有所降低，但外鋼管拐角處及加勁肋與內(nèi)鋼管相交處的應(yīng)力值仍高于中間的混凝土。由此可見，加勁肋對(duì)內(nèi)外鋼管起到了可靠的支撐作用，明顯加強(qiáng)了對(duì)混凝土的套箍作用，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）與中空夾層鋼管混凝土相比，復(fù)式鋼管混凝土的加勁肋為內(nèi)外鋼管提供可靠的支撐，明顯改善了其破壞形態(tài)。

（2）加勁肋的存在增強(qiáng)了鋼管對(duì)混凝土的套箍效應(yīng)，使混凝土的塑性性能得到了提高，構(gòu)件的延性增強(qiáng)。同時(shí)，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，提高了構(gòu)件的承載力。

[1]鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003：1-7.

[2]蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：人民交通出版社，2003：2-10.

[3]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2007：1-15.

[4]李寧波.復(fù)合鋼管高強(qiáng)混凝土柱抗震性能研究[D].北京：清華大學(xué)，2013：3.

[5]X L ZHAO，R GRZEBIETA.A.Ukur and M.Elchalakani. Tests of Concrete-Filled Double Skin(SHS Outer and CHS Inner) Composite Stub Columns[J].Advances in Steel Structures，2002：567-574.

[6]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003：25-29.

[7]劉威.鋼管混凝土局部受壓時(shí)的工作機(jī)理研究[D].福州：福州大學(xué)，2005：62-66.

[8]ACI 318-05.Building code requirements for structural concrete and commentary[S].U.S.A.，American Concrete Institute，2005：81.

[9]查小雄.空心和實(shí)心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，2011：120-126.

[10]堯國(guó)皇.鋼管混凝土構(gòu)件在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的工作機(jī)理研究[D].福州：福州大學(xué)，2006：73.

[11]王志浩，成戎.復(fù)合方鋼管混凝土短柱的軸壓承載力[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，45（12）：1596-1599.

[12]陶忠，于清.新型組合結(jié)構(gòu)柱-試驗(yàn)、理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社.2006：250-300.

責(zé)任編輯：孫蘇,李紅

抗震防震

日本開發(fā)防震加固新技術(shù)，可防止建筑物內(nèi)支柱倒塌

日本發(fā)明了一種廉價(jià)的防震加固技術(shù)，以類似安全帶的樹脂材料“繃帶”包裹建筑物內(nèi)支柱。

由日本構(gòu)造品質(zhì)保證研究所開發(fā)的這種防震加固技術(shù)稱為“SRF工藝”。據(jù)悉，這種抗震“繃帶”采用樹脂纖維編織制造，形狀類似安全帶。施工時(shí)，將抗震帶涂上膠粘劑，包裹固定在建筑物支柱上。地震發(fā)生時(shí)，支柱即使出現(xiàn)內(nèi)部損傷也不會(huì)倒塌，這可以確保被掩埋的人員有足夠的生存空間。以一座每層有12間房屋的4層樓為例，通常加固工程需要花費(fèi)5000萬日元到l億日元(1美元約合105日元)。采用這一技術(shù)后，僅需500萬日元左右。如果是木質(zhì)建筑，僅需數(shù)十萬日元。

據(jù)悉，工程施工相當(dāng)簡(jiǎn)單，構(gòu)造品質(zhì)保證研究所此前已經(jīng)完成了250個(gè)此類項(xiàng)目，包括新干線高架橋、醫(yī)院以及約40棟學(xué)校建筑物等。

（摘自：《中國(guó)安全生產(chǎn)報(bào)》）

Finite Element Analysis on Axial Compressive Performance of Composite Concrete-filled Steel Tubes

The sandwich steel tube concrete,exteriorly square,interiorly round and hollow,has many superiorities and wide application prospects,but its deformation is largely presented as the partial buckling of the exterior and interior steel tube.To improve the steel tube's resistance to partial buckling, this paper presents that stiffening ribs should be placed between the exterior and interior steel tubes to construct a new composite concrete-filled steel tube.Based on the accurately established ABAQUS finite element analysis model,the axial compressive performanceof composite concrete-filled steel tubes are studied,and just to find that compared with ordinary hollow sandwich steel tube concrete the new one's deformation has been strikingly improved,with its bearing capacity and extension performance significantly enhanced.

composite concrete-filled steel tubes;axial compressive performance

TU528.59

A

1671-9107（2017）03-0037-05

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.03.037

2017-01-17

劉永超（1991-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，研究生，助理工程師，主要從事橋梁檢測(cè)、維修、加固設(shè)計(jì)。

李永波（1989-），男，山東臨沂人，研究生，助理工程師，主要從事橋梁檢測(cè)、維修、加固設(shè)計(jì)。