鋼管混凝土疊合柱研究綜述

賈康

華北理工大學(xué)，中國(guó)·河北 唐山 063000

1 引言

疊合柱是由在混凝土柱中心位置放置鋼管，管內(nèi)澆筑混凝土，之后在管外澆筑鋼筋混凝土而成。混凝土具有承載力高，抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，將混凝土填充進(jìn)鋼管，鋼管約束形成套箍效應(yīng)，增強(qiáng)管內(nèi)混凝土的承載力。鋼材具有強(qiáng)度高，塑性、韌性好的優(yōu)點(diǎn)，但是耐腐蝕性和耐火性差，管外澆筑的鋼筋混凝土可以對(duì)鋼管起到保護(hù)隔絕作用，延長(zhǎng)鋼管的使用壽命。兩者的結(jié)合可以減小柱的截面尺寸，增大室內(nèi)使用空間，加快施工進(jìn)度。疊合柱的應(yīng)用與革新離不開對(duì)疊合柱的力學(xué)性能的探討，這有著重要意義。雖然針對(duì)疊合柱的力學(xué)性能研究已開展了大量的工作，但仍存在眾多問題需要做進(jìn)一步的分析與討論。

2 鋼管混凝土疊合柱力學(xué)性能試驗(yàn)概述

鋼管和混凝土的相互結(jié)合使得兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)具有良好的復(fù)合作用，疊合柱在世界各地的各種結(jié)構(gòu)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。主要從20世紀(jì)60年代開始，已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和分析研究來了解疊合柱的力學(xué)性能。根據(jù)這些研究，各國(guó)制定了不同的設(shè)計(jì)規(guī)范，以反映各自國(guó)家的設(shè)計(jì)理念和實(shí)踐，如澳大利亞、中國(guó)[1]、日本、美國(guó)和歐洲國(guó)家。

近十幾年來，許多商業(yè)軟件的存在如ABAQUS和ANSYS，使得有限元技術(shù)在疊合柱建模中變得越來越流行。鋼和混凝土構(gòu)件之間的復(fù)合作用可以簡(jiǎn)便和直觀通過有限元軟件模擬出來，可以更精確地考慮不同的因素對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，如局部和整體缺陷，殘余應(yīng)力和邊界條件。然而，有限元模型的預(yù)測(cè)精度受輸入?yún)?shù)的影響很大，越精準(zhǔn)的參數(shù)越需要大量的試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)。為了達(dá)到這個(gè)目的，需要收集足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來用于驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。

從上世紀(jì)60年代開始，國(guó)外就對(duì)疊合柱開展研究，Tao等[5]對(duì)偏壓長(zhǎng)柱試驗(yàn)進(jìn)行研究，分析得出試件在接近極限荷載時(shí)會(huì)在受壓區(qū)出現(xiàn)較大破壞，鋼材達(dá)到屈服，但混凝土并沒有屈服且抗壓強(qiáng)度只有30%。所以長(zhǎng)細(xì)比較小的柱能具有更出色的抗壓能力，而且對(duì)于壓彎構(gòu)件來說影響因素最大的是偏心率和承載力。Zhang[6]等制作10根高長(zhǎng)細(xì)比混合柱，并對(duì)試件展開抗震性能檢測(cè)。分析得出，影響試件抗震性能的主要因素為長(zhǎng)細(xì)比和施加的荷載大小，長(zhǎng)細(xì)比對(duì)于試件抗震性能的影響是最顯著的。

Moon等[7]結(jié)合管內(nèi)混凝土的約束效用推導(dǎo)出新的鋼管混凝土軸壓極限承載力的計(jì)算方法。結(jié)果表明，α隨著D/t的增大而減小并且D/t對(duì)α的影響要比fc/fy顯著得多，分析得出新公式可以的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值有很不錯(cuò)的吻合度，可以用來計(jì)算鋼管混凝土的軸壓極限承載力。

3 鋼管混凝土疊合柱有限元分析

近十幾年來，許多商業(yè)軟件的存在如ABAQUS和ANSYS，使得有限元技術(shù)在疊合柱建模中變得越來越流行。鋼和混凝土構(gòu)件之間的復(fù)合作用可以簡(jiǎn)便和直觀通過有限元軟件模擬出來，可以更精確地考慮不同的因素對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，如局部和整體缺陷，殘余應(yīng)力和邊界條件。然而，有限元模型的預(yù)測(cè)精度受輸入?yún)?shù)的影響很大，越精準(zhǔn)的參數(shù)越需要大量的試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)。為了達(dá)到這個(gè)目的，需要收集足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來用于驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。

堯國(guó)皇等[2]，以康洪震等[4]試驗(yàn)數(shù)據(jù)做參考，經(jīng)由選用合理的材料本構(gòu)關(guān)系模型，分別采用纖維模型法和有限元數(shù)值分析方法研究疊合柱軸壓性能。經(jīng)過有限元軟件計(jì)算分析，模擬分析結(jié)果和實(shí)際進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果符合。

鋼材和砼之間的有限元模擬經(jīng)常選擇面和面接觸，可以限定由鋼管的內(nèi)表面和核心混凝土的外表面組成的接觸面對(duì)?？梢詾榻缑嬷付ǚň€方向上為“硬接觸”，這允許界面在拉伸時(shí)分離，而在壓縮時(shí)不穿透。但是短柱有不一樣的設(shè)置，這是因?yàn)槎讨袖摬暮晚胖g的滑移十分微小可以忽略。因此，柱的性能對(duì)鋼和混凝土之間摩擦系數(shù)的選擇影響十分微小。在目前的有限元模型中，砼和鋼的泊松比分別取為0.2和0.3，這些數(shù)值經(jīng)常在有限元數(shù)值模擬當(dāng)中引用。

有很好的研究可以得到驗(yàn)證，初始局部缺陷和鋼管初應(yīng)力對(duì)鋼管的性材性有十分顯著的作用。然而，對(duì)于疊合柱，局部缺陷和初應(yīng)力的影響會(huì)通過混凝土填充達(dá)到最小化，在當(dāng)前的數(shù)值分析模擬中容易被忽略。蔡景明等[3]對(duì)4根鋼筋增強(qiáng)疊合柱和7個(gè)組合柱進(jìn)行抗震性能檢測(cè)，研究多種因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響效果。結(jié)果表明，鋼管強(qiáng)度的提高可以組合柱提高抗震性能，提高軸壓比和鋼管內(nèi)混凝土的強(qiáng)度只對(duì)構(gòu)件剛加載時(shí)剛度和峰值荷載有優(yōu)化，對(duì)于構(gòu)件屈服后的延性的影響較弱。

4 結(jié)語

①加載條件、長(zhǎng)細(xì)比、含鋼率和偏心率對(duì)于鋼管混凝土疊合柱的承載力有明顯影響，初應(yīng)力、含鋼率、鋼材和混凝土強(qiáng)度，對(duì)疊合柱的強(qiáng)度有適度的影響。

②建立了鋼管混凝土疊合柱的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，并考慮了鋼管上初應(yīng)力的影響。一般來說，在模擬值和實(shí)驗(yàn)值之間，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系和極限強(qiáng)度得到了合理的一致。

③應(yīng)該注意的是，約束混凝土總是很難精確建模。ABAQUS和大多數(shù)其他軟件在反映這一點(diǎn)上有局限性，需要進(jìn)一步研究來測(cè)量鋼管內(nèi)混凝土在加載過程中的側(cè)向膨脹。因此，可以提出一個(gè)模型來描述鋼管混凝土疊合柱中核心混凝土的軸向應(yīng)變—側(cè)向應(yīng)變關(guān)系。然后可以為ABAQUS開發(fā)用戶定義的材料子程序，以定義更合理的應(yīng)變函數(shù)。這樣，鋼管與混凝土之間的圍壓可以由兩個(gè)構(gòu)件之間的相互作用來確定，應(yīng)變規(guī)律不會(huì)與截面的幾何參數(shù)直接相關(guān)。