鋼管混凝土和鋼筋混凝土力學性能探析

付明春

(大連海洋大學 應用技術學院建筑工程系， 遼寧 大連　116300)

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鋼管混凝土和鋼筋混凝土力學性能探析

付明春

(大連海洋大學 應用技術學院建筑工程系， 遼寧 大連116300)

摘要：利用ANSYS有限元方法對鋼管/鋼筋混凝土的軸壓性能及偏壓性能進行三維模擬分析，評價鋼管混凝土的質量。

關鍵詞：鋼管混凝土； 鋼筋混凝土； 力學性能

0引言

鋼筋混凝土(RC)結構由于其良好的抗壓耐火性能和低造價的特點，在工程的實際施工中得到廣泛應用。但隨著我國建筑結構的不斷優化和施工技術的現代化發展，鋼筋混凝土結構的缺點也日益明顯，已無法很好地滿足現階段的施工要求,這一條件下鋼管混凝土應運而生。鋼管混凝土(CFST)是將混凝土材料填充進鋼管的混合材料，外部鋼管可顯著提高核心混凝土的縱向剛度、抗壓強度及應變力，很好地彌補了鋼筋混凝土的劣勢，在建筑工程中的應用前景良好。對不同的混凝土結構進行深入分析，剖析其力學性能，對于工程實踐工作更高效開展具有重要意義。

1有限元模型構建

鋼管混凝土模型中的混凝土本構模型如下：

(1)

鋼筋混凝土模型中的混凝土本構可表示為：

(2)

其中

式中：ε----混凝土的應變量，mm;

ε0----混凝土模型彈性應變的臨界值，mm;

σ----對應應變量下的應力值，Pa;

fc----混凝土的應力峰值，Pa。

鋼材模型則采取理想雙線性彈塑性模型[1]，即不考慮鋼材的強化階段，其模型如圖1所示。

圖1　鋼材理想雙線性彈塑性模型

圖中,OB段屬鋼材的彈性階段，B點為屈服折點，BC為理想塑性階段，C點為應力起點，C點后認為鋼材失效。

模型構建完畢后，分別在ANSYS分析模型中選用恰當的三向彈簧單元，對不同混凝土結構中混凝土與鋼材間的粘結滑移作用進行模擬。

2混凝土柱的軸壓性能分析

軸壓是混凝土柱在具體實踐中最常見的受力狀態，混凝土柱的軸壓性能直接決定了土柱的使用價值。按照上述模型在相同軸壓條件下，對鋼管混凝土柱及鋼筋混凝土柱的軸壓性能進行模擬分析。在ANSYS模型軟件環境中，對兩個土柱模型施加相同壓力，觀察兩組模型的變化情況，并在輸出端觀察比較不同土柱的軸壓-形變曲線[2]；同時，分別觀察兩土柱中混凝土和鋼材的單一受力情況，進而對混凝土柱的軸壓性能進行深入分析。其具體比較結果如下。

2.1　整體軸壓性能比較

鋼筋混凝土柱及鋼管混凝土柱的應變量隨著軸壓承載力的變化曲線如圖2所示。

不難發現，RC柱和CFST柱在軸壓下的形變過程均可分為彈性階段、彈塑性階段及失效階段。

2.1.1彈性階段(OA/OA′)

當軸壓力較小時，RC柱和CFST柱的混凝土和鋼材均處于彈性階段，二者的應變量隨著軸壓力的增大而增加，且彈性階段的曲線斜率近似不變，應變量與軸壓力間的變化有線性關系。分析鋼筋混凝土結構可知，鋼筋骨架與混凝土呈相互粘連、相互作用狀態，二者共同承載壓力；而鋼管混凝土中由于混凝土的泊松比較小，核心混凝土和鋼材實際上是單獨承壓。

2.1.2彈塑性階段(AB/AB′)

隨著軸壓力的進一步加大，土柱進入彈塑性階段，AB段為RC柱的變化曲線。這一階段RC柱的混凝土逐漸出現開裂、脫落現象，混凝土的應變變化率逐漸減小；而鋼筋骨架仍處于彈性階段，鋼筋和混凝土的承載力差距逐漸拉大，在鋼筋應變量達到屈服應變值前，相同應變條件下鋼筋的承載力大于混凝土。鋼筋達到屈服應變時，混凝土仍未達到應變峰值；軸壓進一步加大使混凝土的應變量達到峰值，混凝土被破壞。CFST柱的鋼管可很好地約束核心混凝土，壓力的不斷增加將導致核心混凝土的開裂而發生體積增大，對鋼管內壁產生壓力，而鋼管對核心混凝土的反向作用力可使土柱的整體強度增加，直至土柱達到承載力峰值。

2.1.3失效階段(BC/BC′)

當軸壓力大小達到RC柱的承載峰值后，土柱的承載力明顯下降。由于混凝土的破壞，此時鋼筋骨架結構成為主要承載體，直至鋼筋壓屈變形，土柱完全失效。CFST柱在達到最大承載力后，鋼管仍具有一定負荷能力，直至外壓力將鋼管壓屈失穩。

通過這一曲線可明顯看出，在相同承載條件下，鋼管混凝土柱的整體承載力和形變能力均明顯優于鋼筋混凝土柱。

2.2　混凝土柱承壓機理比較分析

RC柱和CFST柱中，混凝土和鋼材的單一受力應變曲線如圖3所示。

由圖3可知，在RC柱和CFST柱中的主要承載體均為混凝土，而鋼管或鋼筋的荷載較小。鋼管混凝土柱中的混凝土承載力高于RC柱的主要原因是由于鋼管對核心混凝土的約束作用，使土柱的整體強度得到一定程度的提高。并且，鋼管的外部約束力還能明顯提高混凝土的變形能力，鋼管混凝土柱的抗震性能明顯優于鋼筋混凝土柱。此外，對RC柱和CFST柱的力學性能進行量化分析可知，相同材料及外部條件下，CFST柱的承載力峰值比RC柱承載力峰值高出21%~27%，且鋼管混凝土柱的形變量是鋼筋混凝土柱的2倍左右[3]。

2.3　承載力計算及擬合分析

2.3.1鋼管混凝土承載力計算公式

在即有研究數據基礎上，利用恰當的數學分析方法，即可對鋼管混凝土不同組分間的作用關系進行量化，并提出鋼管混凝土的承載力峰值計算模型如下：

(3)

式中:N----土柱的最大承載力，kN;

A----土柱的截面積，m2;

ζ0----截面約束效應系數;

fc----混凝土柱的抗壓強度設計值，Pa；

B1----計算系數，B1=0.138 1·fc/215+0.764 6；

C1----計算系數[4],C1=-0.072 7·fc/15+0.021 6。

2.3.2鋼筋混凝土柱承載力計算公式[5]

鋼筋混凝土柱的整體承載力計算公式如下：

(4)

φ----土柱的穩定系數，其計算公式為

i----土柱截面的最小半徑，m；

l0----土柱的計算長度，m。

2.3.3公式計算與有限元模擬結果的比較分析

按照上述公式和本研究中的有限元模擬結果，計算本研究中混凝土柱試件的承載力水平，并比較其差值。

RC柱及CFST柱承載力的兩種計算結果比較分析見表1。

表1　RC柱及CFST柱承載力的兩種計算結果比較分析

由表1可知，公式計算結果與有限元模擬結果的誤差范圍<10%，本研究結果的可信度較高。經數據簡單計算可知，公式計算結果和有限元模擬結果均顯示，在相同條件下CFST柱的承載力較RC柱約高21%~27%。因此，在具體實踐過程中，使用鋼管混凝土不僅可通過減少原料使用量達到成本控制目標，還能提高工程的承載力水平。

3混凝土柱的偏壓受力研究

3.1　模擬實驗過程

在實際應用過程中，混凝土柱普遍處于偏壓受力狀態[6]，對兩種土柱的偏壓受力性能進行研究分析，對于工程應用具有重要的理論指導意義。使用與上文類似的有限元模型，并對兩種土柱模型的偏心率做出改變，進而對RC柱和CFST柱的偏壓受力性能進行理論分析。使用ANSYS模型軟件模擬混凝土柱的偏壓受力狀態，并逐漸加大土柱的荷載力大小，可得到鋼筋混凝土柱和鋼管混凝土柱的荷載-撓度變化曲線，如圖4所示。

圖4　CFST柱和RC柱的荷載-撓度變化圖

由圖4可知，當土柱撓度處于彈性范圍內，荷載能力隨著撓度的增加呈線性變化，對應圖4中的OA(OA′)段；隨著荷載的進一步加大，鋼筋混凝土的受壓側發生破裂現象，荷載增加幅度降低，而鋼管混凝土柱的約束作用則在一定程度上延長了自身的彈塑性階段，對應圖中的OB(OB′)段；當荷載超出混凝土的承載峰值時，CFST柱的鋼管仍具有良好的約束作用，故鋼筋混凝土的失效時間遠少于鋼管混凝土。

根據相關國家政策，所有新建及改造污水處理場均需要采取惡臭廢氣處理措施。因此，建議在滲瀝液新建項目可研及設計階段充分考慮除臭系統投資及占地要求，必要時可將生物土壤濾池設置在各池頂，以減少工程用地，同時美化環境。

3.2　土柱的偏壓承載力計算模型

鋼筋混凝土柱的偏壓承載力計算模型為[7]：

(5)

式中：NR----RC柱的偏壓承載力，kN;

x----土柱受壓的相對高度，m;

h0----土柱的計算高度，m;

α1----參數，可按照規定計算。

而鋼管混凝土的有關理論研究尚未成熟，其計算模型種類多樣，且計算繁雜，最常用的CFST柱偏壓承載力計算模型如下

(6)

式中：N----土柱軸力，kN;

M----土柱彎矩，mm;

βm----等效彎矩系數;

kf,kn----均為參數值;

Nu----CFST柱的承載力水平,kN。

采取與上面相同的方法將公式計算結果與模擬結果進行比較，可知誤差<8%，有限元模型可用于土柱的偏壓力學性能模擬計算。且計算結果顯示，CFST柱最大荷載時的形變位移為5.82mm，明顯高于RC柱(最大荷載時的形變位移為3.18mm)，表明鋼管混凝土柱具有更優良的形變能力。

4結語

通過有限元模擬實驗，從軸壓性能及偏壓性能兩方面對鋼管混凝土柱及鋼筋混凝土柱的力學性能進行比較分析，并將分析結果與公式計算結果進行比較，本研究的準確度有充分保障。分析研究結果可知，鋼管混凝土及鋼筋混凝土柱的主要承載體均為混凝土，鋼管結構則可對核心混凝土產生約束效應，從而有效提高鋼管結構的整體承載力水平和變形能力。因此，在具體工程應用過程中，工程人員可根據即有公式或利用有限元模型正確進行鋼管混凝土的設計使用，進一步促進我國工程建筑質量的提高。

參考文獻：

[1]杜闖.鋼管混凝土和鋼筋混凝土力學性能研究[D]：[碩士學位論文].天津：天津大學建筑工程學院，2011.

[2]李娟榮.某鋼管混凝土柱工程分析與設計[D]：[碩士學位論文].西安：長安大學，2011.

[3]王燁妮.鋼骨-鋼管混凝土短柱偏壓承載力的非線性有限元分析[D]：[碩士學位論文].西安：西安理工大學，2012.

[4]傅毅.T型鋼管混凝土芯柱軸壓熱-力耦合性能有限元分析[C]//第十屆全國現代結構工程學術研討會論文集，2010.

[5]李永進.長期荷載作用對鋼管混凝土疊合柱力學性能影響[J].北京工業大學學報,2013,39(8)：123-154.

[6]張玉芬.復式鋼管混凝土軸壓性能及節點抗震試驗研究[D]：[碩士學位論文].西安：長安大學，2010.

[7]李曉明,臧德勝.鋼板混凝土在隧道支護中的應用[J].長春工業大學學報:自然科學版,2014,35(3):284-287.

Mechanics performance analysis for

steel pipe concrete and reinforced concrete

FU Ming-chun

(Department of Architectural Engineering Applied Technology Institute, Dalian Ocean University, Dalian 116300, China)

Abstract：With ANSYS finite element analysis, 3D model is built for simulating the axial compression and bias performance of concrete filled steel tube and reinforced concrete to evaluate quality of the two concretes.

Key words：concrete filled steel tube; reinforced concrete; mechanical properties.

作者簡介：付明春(1971-)，男，漢族，遼寧瓦房店人，大連海洋大學碩士研究生，主要從事工程力學方向研究,E-mail:826287651@qq.com.

收稿日期：2014-09-13

中圖分類號：TU 398

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2015)01-0027-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.1.06