單肢鋼管混凝土軸壓短柱的穩定承載力研究

黃加平 全國興 黃雪開

鋼管混凝土是在鋼管中填充混凝土而形成的構件,它是在勁性鋼筋混凝土結構及螺旋配筋混凝土結構的基礎上演變和發展起來的一種新型結構。鋼管混凝土柱具有承載力高、經濟、實用、美觀等優點,在工業廠房和高層以及超高層建筑中得到了大量的應用。

1 單肢鋼管混凝土短柱主要影響因素參數分析

表1 鋼管混凝土軸心受壓試件表

在建立鋼管混凝土柱模型時[2,3],鋼管混凝土柱的鋼材選用Solid45單元,混凝土選用Solid65單元。Solid65單元是專門為混凝土、巖石等抗壓能力遠大于抗拉能力的非均勻材料開發的單元,可以模擬混凝土中的加強鋼筋,以及材料的拉裂和壓潰現象。為了合理和準確的研究鋼管混凝土短柱的軸壓性能,所選構件的長度必須恰當,如果試件過長將出現彎曲變形,構件過短則端部效應的影響不能忽略。所有模型及參數見表1。為了和試驗邊界條件相同,建模時,將構件的兩端鉸接,并在一端施加軸向位移使構件受壓。

采用有限元軟件對鋼管混凝土短柱進行分析。從圖1～圖3的分析中可以得到,隨著鋼管壁厚的增大、鋼材屈服強度的提高以及混凝土標號的增大,鋼管混凝土軸壓短柱的承載力有不同程度的提高。其中鋼管的壁厚和混凝土強度的提高對于鋼管混凝土柱的穩定承載力有明顯的提高,而鋼材屈服強度的提高,不如前兩者的影響變化明顯。因此可以得到影響鋼管混凝土柱承載力的主要參數有鋼管混凝土的直徑(D)、鋼管的厚度(t)、鋼材的強度(Z)、混凝土的強度(Z)及構件的長度(L),這些變化最終可反映在套箍系數的變化上。

其中,α為含鋼率,反映了鋼管混凝土截面鋼管和混凝土所占的比例;fc為混凝土軸心抗壓強度設計值。

套箍系數ζ對鋼管混凝土柱的延性有很大的影響。所有構件在達到極值以后,均表現出很好的延性,其后期承載能力很強。對于套箍系數大的構件,在達到極限荷載后,其荷載—變形曲線基本保持水平,下降段不明顯;對于套箍系數小的試件,則有較為明顯的下降段。

經驗證,本文采用ANSYS計算的鋼管混凝土柱的極限承載力和試驗值吻合良好,證明采用有限元程序分析鋼管混凝土柱的穩定承載力是可行的。

2 單肢鋼管混凝土短柱穩定承載力計算公式

由于兩種材料共同工作的復雜性,導致鋼管混凝土軸心受壓短柱的變形過程很復雜,更因加載方式不同而有差異,但其極限承載能力則不受變形過程的影響。因此,可以只考慮構件處于即將破壞臨界狀態時的承載力[4,5]。

因核心混凝土不服從正交流動法則,屬于假塑性元件,故采用靜力法求解。由靜力平衡條件可以建立兩個方程,即:

由元件的屈服條件可建立另外兩個方程,即:

由以上兩式考慮鋼管較薄,可足夠精確地取:

由此可以看出荷載N是側壓力p的函數,若求其 Nmax,可令

將式(6)和式(9)代入式(3)得:0,可以得到鋼管混凝土短柱的承載力公式為:

3 結語

采用文獻[5]實驗結果和有限元分析計算結果來驗證式(11)的可靠性,試件的相關參數見表1,主要研究套箍系數對鋼管混凝土柱穩定承載力的影響。

從表1中可以得到,鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力隨鋼管對核心混凝土的套箍作用的不同而變化。由于實驗中可能存在初偏心的初始缺陷的影響,式(11)的計算值略高于文獻[5]的實驗結果。經比較發現文獻[5]推薦的公式計算精度略高于式(11),但其計算公式表達形式比較復雜,不便于工程應用。而本節的式(11)表達形式簡單,便于工程設計時采用。

[1] 韓林海.鋼管混凝土結構——理論與實踐[M].北京:科學出版社,2004:340-342.

[2] 葉裕明,劉春山.ANSYS土木工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2005:77-80.

[3] 徐 興,程曉東,凌道盛.鋼管混凝土軸心受壓構件極限承載能力的有限元分析[J].固體力學學報,2002,23(4):419-425.

[4] 蔡紹懷.鋼管混凝土結構的計算與應用[M].北京:建筑工業出版社,1989.

[5] 韓林海,陶 忠,堯國皇,等.鋼管混凝土基本構件承載力的設計計算——各國規程比較(Ⅱ)[J].建筑鋼結構進展,2002,4(4):53-61.