鋼骨混凝土組合短柱軸心受壓性能研究

米嬋娟 姚 莉 劉建明

(1.國家知識產權局專利局材料工程發明審查部，北京 100088； 2.北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100176； 3.燕山大學建筑工程與力學學院，河北 秦皇島 066004)

鋼骨混凝土組合短柱軸心受壓性能研究

米嬋娟1姚 莉2劉建明3

(1.國家知識產權局專利局材料工程發明審查部，北京 100088； 2.北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100176； 3.燕山大學建筑工程與力學學院，河北 秦皇島 066004)

對鋼管、角鋼和箍筋(綴板)以及內外混凝土構成的新型組合柱的壓縮性能作了研究，應用有限元軟件ANSYS對組合柱的破壞過程進行數值模擬，通過與試驗測試數據的對比，對軸壓作用下柱破壞過程中裂縫開展情況，各組分的應力變化進行了分析，利用大量的數值計算數據，基于基本假定，構建新型組合柱軸壓承載力計算公式，通過試驗數據進行了可靠性驗證。

高性能混凝土，組合柱，軸心受壓

0 引言

高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)作為混凝土材料的重要發展方向，以其耐久性好、強度高、變形小等特點，被廣泛應用于高層建筑、橋梁、港口海洋工程和地下工程等領域。高強混凝土是脆性材料，且強度愈高，脆性愈顯著，導致其應用中最大的缺陷是結構的延性差[1]。目前，對抗震結構中高強混凝土柱通常采取限制軸壓比和增加配筋率的方法來提高結構延性[2]。實踐經驗和研究結果表明，通過增加配箍率對高強混凝土柱的延性有所改善，但達到一定程度后效果并不顯著，當柱子軸壓比較大時，難以通過加密箍筋的方法使C80高強混凝土的延性達到C30混凝土的程度[3,4]。若對柱的軸壓比限制過嚴，會使柱截面尺寸增大，增加脆性破壞的可能性，降低了經濟效益，同時箍筋過密使施工難度增大，不易保證混凝土澆筑質量。研究及應用經驗表明，采用鋼管高強混凝土[5,6](Steel Tube Filled with HC)和鋼骨高強混凝土[7,8](Steel Reinforced HC)等鋼—混凝土組合結構是解決上述問題的有效途徑。

本文通過試驗和數值模擬等方法，對鋼管、角鋼和箍筋(綴板)以及內外混凝土構成的新型組合柱的壓縮性能研究，對軸壓作用下柱破壞過程中裂縫開展和各組件的應力變化情況進行了分析，提出了新型組合柱軸壓承載力計算公式。

1 建立模型

1.1 組合柱的相關參數

組合柱試樣的截面尺寸均為200 mm×200 mm，高度為600 mm，其高寬比為3，符合短柱要求。鋼管含鋼率均為4.54%，角鋼含鋼率分別為1.41%，2.07%，2.91%；角鋼之間通過箍筋焊接在一起，形成外圍的鋼骨架。混凝土現場攪拌澆筑，同時制作150 mm混凝土立方體試塊，采用標準養護，其28 d強度為C52[9]。試樣設計參數及材質見表1。

表1 試樣組件及性能指標

1.2 有限元模型參數

應用ANSYS建模過程中，混凝土和鋼材分別采用多線性等向強化模型(MISO)和雙線性等向強化模型(BISO)，混凝土在多軸應力狀態下的破壞準則采用Willam-Warnker五參數模型。混凝土采用Solid65單元，鋼管、角鋼以及墊板采用Solid45單元模擬，角鋼和外圍混凝土的粘結滑移采用2節點彈簧單元Combin39，考慮法向方向的相互作用，有限元模型如圖1所示[10，11]。根據試驗裝置的情況，約束組合柱模型底面節點的所有平動自由度(X，Y，Z向)和柱頂面節點的X，Y向的平動自由度。在頂面上施加沿Z負方向的位移荷載，以保證在加載過程中柱子始終保持軸心受壓狀態。設置單載荷步，50個～100個子步，每2個子步讀取一個計算結果，最大平衡迭代次數取50次。選取位移的無窮范數進行收斂控制。分析程序采用牛頓—拉普森平衡迭代法進行非線性求解。

2 結果與討論

2.1 極限破壞過程

根據數值分析的圖像和數據記錄，可以清晰看到試樣破壞過程中裂紋發展情況。當加載到極限荷載的60%左右時，外圍混凝土在柱頂外側出現了第一條裂縫，當加載到1 705.4 kN(約為極限荷載的63%)時，混凝土在柱頂及外側表面開始出現若干裂縫，當加載到1 960.4 kN(約為極限荷載的73%)時，鋼管內的混凝土開始出現了裂縫，如圖2a)所示；圖2b)顯示角鋼屈服時混凝土裂縫分布情況，此時鋼管內外都布滿了大量的裂縫，此時的荷載為2 403.45 kN，約為極限荷載的89%；圖2c)為構件達到破壞時混凝土裂縫分布圖，鋼管內外都布滿了大量的裂縫，箍筋也已屈服，此時的荷載為2 565.48 kN，約為極限荷載的92%。

在構件破壞時，角鋼屈服發生外鼓，與外圍混凝土分離，從圖2d)位移云圖看出連接單元產生了位移，說明外圍混凝土單元和角鋼單元之間產生了分離。

2.2 混凝土應力應變曲線

根據鋼管內外混凝土的應力應變，繪制相應的應力—應變曲線，并與單軸受壓情況下相比較，如圖3所示。從圖中可以看出，內外混凝土在角鋼和鋼管約束下，應力得到提高，尤其是鋼管約束下，應力提高幅度很大，說明混凝土的塑性變形能力在角鋼和鋼管約束下得到了較大改善。混凝土的峰值應變也相應有所增大，如單軸受壓時，大約為0.2%，而在角鋼和鋼管約束作用下，混凝土的峰值應變達到了0.3%。混凝土相對應力發展曲線如圖4所示。

2.3 承載力曲線

本文分別提取模擬試件的鋼管、角鋼和箍筋各自的應變值，繪制相應的荷載—應變曲線，并和實驗所得曲線進行了對比分析。

1)鋼管荷載應變曲線。

繪制三個模型鋼管的荷載—應變曲線(縱向應變和橫向應變)，并和試驗所測得的曲線進行了比較，如圖5，圖6所示。從圖中可以看出，計算所得的鋼管應變稍大于試驗值，因為在數值計算過程中，鋼管單元和內外混凝土單元之間共用節點，沒有考慮兩者之間的粘結滑移，鋼管和內外混凝土變形協調，鋼管應變近似等于混凝土應變，計算結果較理想化。而在實驗過程中，隨著荷載的增加，鋼管和混凝土兩種材料由于受力性能的不同，必定會產生一定的分離，使得鋼管應變和混凝土應變不一致，并且小于混凝土的應變。

2)角鋼荷載應變曲線。

繪制核心鋼管外包鋼骨混凝土短柱軸壓構件模型角鋼的荷載—縱向應變曲線，并和試驗所得曲線相比較，如圖7所示。由圖可見，計算曲線和試驗曲線吻合較好。

三組試樣的角鋼含鋼率分別為1.41%，2.07%和2.91%，分析發現隨著角鋼含鋼率的增加，曲線的下降趨勢變得緩慢，峰值應變也有提高，說明構件延性增強。這是因為角鋼含鋼率增加，對混凝土的約束面積增大，提高混凝土的應變，相應地整個構件的延性得到改善。

3)箍筋荷載應變曲線。

繪制箍筋的荷載—橫向應變曲線，并和試驗所得曲線相比較，如圖8所示。由圖可知，峰值應變比實驗值稍小，這是由于數值模擬時，箍筋和外圍混凝土完全粘結，箍筋和外圍混凝土橫向變形協調，計算結果理想化。實驗所得的箍筋應變值是取試件中部箍筋的橫向應變，由實驗現象可知，組合柱的破壞位置在柱中部，在加載過程中外圍混凝土和箍筋相互作用，箍筋會向外屈曲，導致測得的數據會有一定的誤差。

從以上分析中可以看出，通過ANSYS數值模擬所得的結果和試驗結果吻合較好，計算所得的極限承載力和試驗所得的極限承載力誤差均較小，而各組件的荷載變形曲線與試驗得出的荷載變形曲線趨勢基本相同，但存在偏離。造成偏離可能有兩方面原因，一是有限元建模無法與試驗的環境完全一致，二是試驗本身存在一定的誤差，目前還難以定量考慮。

3 組合短柱軸心受壓正截面承載力計算

3.1 基本假定

在進行承載力計算中，本文提出如下基本假定：首先，破壞面符合平截面假定；其次，不考慮鋼材和混凝土之間的相對滑動，鋼材和混凝土之間縱向應變一致；第三，構件達到極限承載力時，混凝土均達到其抗壓強度，鋼材均達到其屈服強度；第四，短柱不考慮側向撓曲的影響；第五，不考慮混凝土的收縮和徐變作用；最后，不考慮鋼材的局部屈服[9]。

3.2 計算公式

本文基于《鋼管混凝土結構設計與施工規程》(CECS規程)，提出核心鋼管外包鋼骨混凝土短柱軸心受壓承載力計算公式，引入一個綜合提高系數φ以考慮外圍鋼骨架對鋼管外混凝土的約束作用[9]。核心鋼管外包鋼骨混凝土短柱軸心受壓承載力計算公式的一般形式：

(1)

(2)

提高系數φ由鋼骨架的形式來確定，對于角鋼和箍筋形成的鋼骨架對鋼管外混凝土強度的提高系數，一般可取1.06。

3.3 預測結果

應用3.2中的公式對3組試驗試樣進行承載力預測，對比結果如表2所示。將文獻[12]中的試件按式(1)計算的結果和試驗結果比較。對比結果表明，計算值和試驗值之比的平均值為1.048，均方差為0.018，預測精度比較高。

表2 計算公式預測結果精度

4 結語

通過對核心鋼管外包鋼骨混凝土組合短柱的試驗測試和數值模擬結果分析，隨著軸向荷載的增加，首先外圍混凝土產生裂縫，鋼管及角鋼先后屈服，箍筋最后屈服。試件破壞時，角鋼和外圍混凝土之間分離，柱子中部的角鋼屈服外鼓，同時內外混凝土均產生大量裂縫，核心混凝土達到其抗壓強度。在受力過程中，核心混凝土部分發揮了主要作用。提出了核心鋼管外包鋼骨混凝土短柱軸心受壓的承載力計算的基本假定，提出了組合柱正截面承載力的計算公式，其預測值具有較高的精度，對工程設計和實際應用具有指導作用。

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The property study of concrete-filled steel column for axial compression

Mi Chanjuan1Yao Li2Liu Jianming3

(1.MonitoringDepartmentofMaterialEngineeringInvention,StateIntellectualPropertyOfficeoftheP.R.C,Beijing100088,China; 2.BeijingInstituteofArchitecturalDesign,Beijing100176,China; 3.DepartmentofEngineeringMechanics,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China)

The paper researches the compression performance of the new concrete-filled column with steel pipes, steel angle and stirrup and the internal and external concrete, adopts the finite element software ANSYS, to undertake the numeric simulation of the damage process of the concrete-filled column, analyzes the stress changes of all parts in the cracks of column damage process under the effect axial pressure by comparing test data, uses a lot of numeric calculation data, establishes the new concrete-filled axial pressure capacity calculation formula based on basic assumption, and undertakes the reliable checking according to the test data.

high performance concrete, concrete-filled column, axial stress

1009-6825(2015)07- 0032- 04

2014-12-28

米嬋娟(1981- )，女，碩士

TU398

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