配筋鋼管混凝土短柱軸心受壓有限元分析

繆 巍 沈卓華 杜紅亮

鋼管混凝土是在薄壁鋼管中填充混凝土，主要用于承受豎向荷載的構件。隨著其軸心受壓荷載的增大，鋼管混凝土中的核心混凝土受到管壁的約束力，形成三向受力。鋼管對混凝土的約束使混凝土處于復雜的應力狀態之下，從而使混凝土的抗壓強度得以提高，塑性和韌性性能大為改善，延緩了受壓時的縱向開裂，同時混凝土的存在也避免或延緩鋼管發生局部屈曲，增強了穩定性，這樣彌補了兩種材料的各自缺點，充分發揮了二者的優點，這正是鋼管混凝土組合結構的優勢所在[1，2]。目前鋼管混凝土在我國已經得到了廣泛的應用，并在各行各業形成了成熟的應用規范。近年來，日本等國家開始嘗試通過在圓鋼管混凝土柱內配置鋼筋，形成配筋圓鋼管混凝土，簡稱RCFT(Reinforced Concrete Filled Tube)，以進一步提高柱的承載力和延性。本文通過有限元分析計算了配筋鋼管混凝土軸心受壓的理論解，并與實際試驗結果對比，分析了其中鋼筋的作用，揭示了其中受力機理。

圖1 普通箍筋配筋鋼管混凝土截面有限元模型

圖2 螺旋箍筋配筋鋼管混凝土有限元模型

考慮到混凝土單元為了避免應力集中不應劃分過小，但同時也能反映出其受力變化的規律，本文通過大量的試算，選取合理的尺寸控制，利用映射劃分法，對鋼管混凝土短柱進行了網格劃分，劃分后的鋼管和混凝土單元如圖3所示。

圖3 配筋鋼管混凝土單元網格劃分

1 配筋鋼管混凝土的有限元模型

本文采用ANSYS進行實體建模[3，4]，在前處理中通過輸入實體各控制點的三維坐標來分別建立圓環，然后拉伸成鋼管體，中間混凝土為圓柱體。目前大多數學者在研究鋼管混凝土時，假定鋼管和混凝土之間完全粘結，本文在考慮兩者關系時，也同樣假定兩者完全粘結。創建完成后鋼管模型、混凝土模型及整體模型如圖1，圖2所示。

圖4 配筋鋼管混凝土短柱的整體變形圖

為了模擬試驗加載過程中頂面上的一致變形，將鋼管混凝土頂面上所有節點的豎向位移耦合在一個關鍵點上，鋼管混凝土柱的底面采用面上全約束方法模擬試驗底部的固端。

材料參數見表1～表3，本文采用多線性等向強化模型模擬了兩種材料在非線性過程中的受力情況[5，6]。

表1 混凝土強度標準值N/mm2

表2 混凝土彈性模量×104N/mm2

表3 鋼管的材料特性

另外，鋼管和混凝土之間粘結也是影響其承載力的因素之一，目前大多數研究者在分析鋼管混凝土結構時都假定它們之間不存在滑移，抑或是在鋼單元和混凝土之間加入滑移單元或間歇單元(Gap Element)來研究鋼管混凝土結構，但結果表明考慮界面之間的粘結滑移性能對鋼管混凝土結構的影響很小。因而，本文在管壁與混凝土間設立了接觸單元，并假定鋼管和混凝土之間完全粘結，不存在滑移。同時不考慮混凝土的收縮、徐變及破壞時鋼管的局部屈曲對鋼管混凝土結構的影響。

2 計算結果分析

對比作者在文獻[7]中的試驗數據，如表4所示，列出了有限元分析的最大極限承載力與試驗實測的最大極限承載力及其相對誤差，可以看出最大誤差不超過12%，說明建立的模型是合理可行的，其中E40-A試件誤差較大可能是由于試驗材料本身的誤差和離散性造成的。

表4 試件列表及其破壞荷載

混凝土強度對于配筋與無配筋鋼管混凝土具有相似的影響，對于C30以下的鋼管混凝土可有效提高其承載力，而對于C30以上的，則作用有限。鋼管混凝土承載力高，主要是因為混凝土的橫向變形被束縛，核心混凝土處于三向受壓狀態，從而大幅提升了其承載力。隨著混凝土強度的提高，其變形能力隨之下降。在鋼管混凝土中采用高強混凝土時，核心混凝土在荷載的作用下，產生了縱向和橫向的變形。由于高強混凝土的變形能力較弱，其橫向變形相對較小，鋼管無法有效約束其橫向變形，因而其承載力提高有限。

配筋鋼管混凝土的受力破壞過程與普通鋼管混凝土相似但略有不同，在本文中，通過對比有限元分析結果與試驗結果可以認定，兩者破壞形態基本吻合，兩者破壞過程也基本相同，有限元模型忠實反映了配筋鋼管混凝土從加載到破壞的全過程，如圖4所示。由于配筋鋼管混凝土從加載到破壞的過程中，鋼管始終密封，無法直接觀察到配筋鋼管混凝土內部破壞過程，因而必需要借助有限元軟件進行分析。

在對比了試驗結果與有限元分析結果后，確定了兩者的一致性，并以配筋鋼管混凝土試驗為基礎，配合非線性有限元分析結果，得出配筋鋼管混凝土的破壞過程:與一般鋼管混凝土類似，在配筋鋼管混凝土的加載過程中，初始加載時，由于鋼材泊松比大于混凝土的泊松比，鋼管對混凝土不產生緊箍作用，縱向鋼筋、鋼管和混凝土共同承擔豎向荷載，此時配筋鋼管混凝土整體處于彈性階段。隨著荷載的加大，鋼管對混凝土產生了緊箍力，混凝土與鋼管的界面裂縫開裂和擴展就受到抑制，而箍筋也開始發揮其緊箍作用，但其作用范圍僅限于核心混凝土。

隨著荷載的進一步加大，鋼管混凝土進入彈塑性階段，微裂縫繼續向內擴展，橫向變形增大，縱向鋼筋達到彈性極限狀態，并逐漸開始側向彎曲，方向與柱整體橫向變形一致。隨著變形的進一步增大，緊箍力對混凝土和縱筋的抑制作用仍然有效，裂縫的發展較緩慢，縱向鋼管也進入了塑性工作狀態，如圖5所示，鋼筋的應力基本相同。荷載進一步加大，當構件工作進入完全塑性階段，鋼管混凝土產生了貫通的裂縫，混凝土與縱向鋼筋產生剝離。隨著變形的進一步增大，貫通的裂縫逐漸增多，核心混凝土整體性完全被破壞，見圖6，此時認為配筋鋼管混凝土發生了破壞。

圖5 極限狀態時縱向鋼筋的應變

圖6 極限狀態時縱向鋼筋的變形和應力

3 結語

本文通過對配筋鋼管混凝土進行有限元分析，主要得到以下結論:

在鋼管混凝土中增加縱向鋼筋能有效提高鋼管混凝土的承載能力。分析結果表明，其承載力的提高主要源于縱向鋼筋受多向約束，變得不易失穩，從而有效提高了承載力;與此同時縱筋和箍筋對于核心混凝土的約束也對其承載力有一定貢獻。

[1]鐘善桐.鋼管混凝土結構[M].北京:清華大學出版社，2003:8.

[2]蔡紹懷.鋼管混凝土結構的計算與應用[M].北京:中國建筑工業出版社，1959.

[3]干 穎.鋼管混凝土性能分析[D].沈陽:沈陽工業大學碩士論文，2001.

[4]蔣友瓊.非線性有限元[M].北京:北京工業出版社，1988.

[5]何君毅，林祥都.工程結構非線性問題的數值解法[M].北京:國防工業出版社，1994.

[6]李皓月，周田朋，劉相新.ANSYS工程計算應用教程[M].北京:中國鐵道出版社，2003.

[7]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):79-81.