鋼骨—方鋼管混凝土柱偏壓受力性能的有限元分析

趙國輝 何兆芳 王 紅

(中國十七冶新型建筑制品與物流公司，安徽 馬鞍山 243000)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

鋼骨—方鋼管混凝土柱偏壓受力性能的有限元分析

趙國輝 何兆芳 王 紅

(中國十七冶新型建筑制品與物流公司，安徽 馬鞍山 243000)

基于15根方鋼管混凝土柱偏壓受力試驗，用ANSYS軟件對試驗結(jié)果進行對比分析，當兩者吻合較好的情況下，在組合柱中心設置十字形鋼骨，進一步擴大試驗參數(shù)范圍，并根據(jù)試驗和數(shù)值模擬結(jié)果對鋼骨—方鋼管混凝土柱在不同鋼管寬厚比和套箍系數(shù)影響下的偏壓受力性能做出了推論，以供參考。

鋼骨，方鋼管混凝土柱，偏壓受力，套箍系數(shù)，配骨率

1 概述

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不僅可以彌補兩種材料各自的缺點，而且能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點,因而在實際工程中被廣泛的應用，但國內(nèi)對鋼骨—方鋼管混凝土柱的研究不多[1]。王著等用切線模量理論對方鋼管混凝土軸壓柱承載力做了分析，將核心混凝土等效成鋼來討論，避免了求解時的迭代；呂西林等通過試驗研究指出方鋼管混凝土短柱在大寬厚比情況下也能達到并超過二者承載力之和，超過幅度在其試驗中為5%～30%[2]；韓林海等通過理論分析和試驗研究指出，方鋼管對其核心混凝土的約束效果不如圓鋼管顯著，但仍有良好的效果，并用約束效應系數(shù)來估算這種約束作用[3]。

2 材料參數(shù)及本構(gòu)關系模型

2.1 材料參數(shù)

本文中方鋼管和混凝土的材料參數(shù)均來自于試驗，十字形鋼骨取自于文獻[4]。各材料的性質(zhì)如表1～表3所示。

表1 方鋼管的材料參數(shù)

表2 混凝土的材料參數(shù)

2.2 材料本構(gòu)關系模型

2.2.1 核心混凝土本構(gòu)關系模型

表3 鋼骨的材料參數(shù)

在綜合考慮各種本構(gòu)關系對方鋼管混凝土柱的適用性后，本文采用美國E.Hognestad建議的混凝土本構(gòu)關系模型[5]。

2.2.2 鋼材的本構(gòu)關系模型

本文鋼材的本構(gòu)關系均采用雙直線的理想彈塑性模型(Drucker Prager)[5]。

2.3 試驗簡介

本試驗在內(nèi)蒙古科技大學結(jié)構(gòu)實驗室5 000 kN長柱試驗機上進行,采用刀口鉸加載[6]。從已計算出的諸多試件中選出四根，其試驗的設計參數(shù)如表4所示。

表4 試驗數(shù)據(jù)

3 方鋼管混凝土柱的有限元分析與試驗對比

諸多試驗結(jié)果證明，在保證型鋼表面混凝土厚度的條件下，它們之間的粘結(jié)滑移是很小的，因此在進行有限元分析時，可忽略型鋼與混凝土之間的滑移[7]。

方鋼管和鋼骨采用Solid45號單元，混凝土則采用Solid65號單元。

3.1 邊界約束與加載

為了獲得較為規(guī)則的六面體單元，需沿鋼管壁厚方向進行切割，并采用映射網(wǎng)格劃分單元。為了精確地模擬試驗，在柱頂施加20 mm厚剛性墊塊，其彈性模量設為2.0×1011，泊松比仍為0.3，此墊塊仍為Solid45,在柱底面節(jié)點施加三個方向(X，Y，Z)的位移全約束，柱頂施加偏心位移荷載，提取柱底面約束反力，并采用多荷載步加載，其荷載與位移約束見圖1。

3.2 有限元求解結(jié)果分析

圖1為所有組合柱的荷載—位移關系曲線，并與試驗所得曲線進行對比。

由圖1荷載—位移曲線可得出以下結(jié)論：

1)15根試件的數(shù)值計算所得的荷載—位移曲線與試驗結(jié)果吻合較好，從圖上看，整個試件受荷都經(jīng)歷三個階段：彈性階段、彈塑性階段、破壞階段。

2)由荷載—位移圖可知，數(shù)值模擬結(jié)果均小于試驗值。原因是：有限元模擬只要有局部壓應力或拉應力過大而超過材料應力許可范圍，最終導致局部破壞，有限元就會終止計算。而試驗則不同，只要試件整體不失穩(wěn)，仍能繼續(xù)受力，直至試件完全破壞，但這并不影響結(jié)果分析。

3)數(shù)值模擬所得的屈服荷載與極限荷載與試驗值大致吻合，誤差不超過9.7%，其中FGZ-6和GZ-9誤差較大，這可能是由于試驗的離散型所致。

4)隨著混凝土強度減小、偏心率增大以及柱長增加，組合柱極限承載力不斷地減小。

3.3 鋼骨—方鋼管混凝土柱的有限元分析

3.3.1 鋼骨—方鋼管混凝土柱有限元模型的建立

利用分離式建模，并假設鋼管與混凝土以及鋼骨與混凝土之間無滑移，并認為它們之間完全粘結(jié)，目前大多數(shù)研究者通常采用此種方法。

組合柱截面見圖2。

組合柱有限元模型見圖3。

3.3.2 有限元計算結(jié)果

筆者經(jīng)過大量計算，本文以+FGZ1-8柱為例，分析有限元計算結(jié)果，具體參數(shù)見表5。

鋼骨—方鋼管混凝土柱破壞形態(tài)分析:

從圖4a)～圖4d)可以看出：在鋼骨—方鋼管混凝土柱達到極限荷載時，受壓側(cè)鋼管和鋼骨已經(jīng)屈服，而受拉側(cè)鋼管和鋼骨均未屈服，即未出現(xiàn)屈服應力；

從圖4e)和圖4f)可以看出，混凝土受壓側(cè)應力應變強度不是很高，這說明由于方鋼管和鋼骨的存在，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，其強度得以提高。

3.4 影響鋼骨—方鋼管混凝土柱偏壓受力性能的各因素分析

根據(jù)前面的分析，方鋼管混凝土柱的偏壓承載力受到眾多因素的影響，經(jīng)過數(shù)值模擬來進行計算分析。本文就針對鋼管寬厚比以及套箍系數(shù)對組合結(jié)構(gòu)柱偏壓受力性能的影響，分別進行了研究。

3.4.1 方鋼管寬厚比β的影響

在混凝土強度為32.82 MPa,柱長為2.165 m，偏心率為0.333，方鋼管截面尺寸分別為150 mm×150 mm，200 mm×200 mm，400 mm×400 mm,鋼骨厚度為8 mm時，分別分析不同的鋼骨—方鋼管混凝土柱的偏壓受力性能。

荷載—位移關系對比：

圖5為不同寬厚比影響下的荷載—位移關系曲線，在其他條件不變的情況下，可以得出以下結(jié)論：隨著寬厚比的增大，組合柱的承載力迅速增大，尤其是極限承載力大幅提高，這說明增大柱截面，可以使組合柱的抗壓強度得到很大提高；隨著寬厚比的增大，曲線上升段的斜率和下降段的斜率在增大，這表明柱的剛度得以提高。

3.4.2 套箍系數(shù)ξ的影響

在混凝土強度為30.41 MPa，偏心率為0.333，柱長為1.3 m,方鋼管截面尺寸分別為200 mm×200 mm×4.5 mm，200 mm×200 mm×

6.0 mm，200 mm×200 mm×7.8 mm時,分別分析鋼骨—方鋼管混凝土柱的偏壓受力性能。

注：套箍系數(shù)：

ξ=Asfy/Acfck。

其中，As和Ac分別為鋼管和混凝土的橫截面面積；fy為鋼材的屈服強度；fck為混凝土抗壓強度標準值。

從圖6可以看出，隨著套箍系數(shù)的增大，提高了組合柱的偏壓承載力。這主要是因為鋼管對混凝土能提供足夠的約束，使核心混凝土的強度得到提高。套箍系數(shù)能很好反映鋼管和混凝土組合作用的強弱；隨著套箍系數(shù)的增大，曲線上升段的斜率明顯變大，這說明套箍系數(shù)不但增大了核心混凝土的強度，而且還提高了混凝土的延性。

4 結(jié)語

本文方鋼管混凝土柱的有限元模擬與試驗結(jié)果吻合良好，其最大極限承載力誤差不超過9.7%，說明本文模型的建立、邊界條件的施加以及材料本構(gòu)關系的選取基本正確。

通過對鋼骨—方鋼管混凝土柱偏壓受力性能的有限元分析，可知：

1)組合柱的承載力隨著混凝土強度的提高而增大，但延性卻逐漸降低。

2)組合柱的承載力隨鋼管寬厚比的增大而迅速增大，同時柱延性和剛度大大增加。

3)由于鋼管對核心混凝土能提供足夠的約束，不但增大柱的承載力，而且延性也有所增加。

[1] 鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，1994.

[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.

[3] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：科學出版社，2004.

[4] 徐亞峰，宋玉峰，丁 或，等.十字形鋼骨混凝土異形柱軸心受壓承載力研究[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2007，23(6)：39-40.

[5] 東南大學，天津大學，同濟大學，等.混凝土結(jié)構(gòu)設計原理[M].第3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[6] 聞 洋，郝銘科，李 斌.方鋼管混凝土偏壓柱受力性能的試驗研究[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學，2009.

[7] 薛建陽.型鋼混凝土柱粘結(jié)滑移性能及ANSYS數(shù)值模擬方法研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2009(5)：17-18.

Steel bone-column bias stress finite element analysis of the performance of concrete filled square steel tubes

ZHAO Guo-hui HE Zhao-fang WANG Hong

(China17thMetallurgyNewBuildingProductandLogisticCompany,Ma’anshan243000,China)

Basing on the 15 squares steel pipe concrete column bias stress test, comparison and analysis of test results are performed by using of ANSYS software, when both are good circumstances, cross-shaped steel bone is set in the center of the composite column, further expand the scope of the test parameters, according to the result of experiment and numerical simulation of steel bone-square steel pipe concrete column, biasing force performance is concluded in different the influence of steel ratio and charity set and coefficient of ferrule, for reference.

steel bone, square steel pipe concrete column, bias stress, coefficient of ferrule, bone ratio

1009-6825(2014)11-0029-03

2014-02-08

趙國輝(1984- )，男，碩士，助理工程師； 何兆芳(1970- )，女，碩士，教授級工程師； 王 紅(1967- )，女，助理政工師

TU398

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