軸心受壓方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱力學性能研究

宋福春，趙 潔

(沈陽建筑大學交通工程學院 沈陽市 110168)

軸心受壓方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱力學性能研究

宋福春，趙 潔

(沈陽建筑大學交通工程學院 沈陽市 110168)

通過對不同形式的方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱的軸壓力學性能進行有限元分析。研究了混凝土強度、鋼管強度、鋼骨強度、含骨率、寬厚比等因素對方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱受力性能的影響。有限元分析結果表明，方鋼管、混凝土和鋼骨之間良好的共同工作性能使方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱具有較高的承載力。提高混凝土的強度可以有效地提高方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱的承載力，但會使其延性下降。其中方鋼管的強度和含骨率是影響方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱承載力的主要因素,同時寬厚比對方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱的延性有較大的影響。

方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱；有限元分析；含骨率；寬厚比

方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱，即在空鋼管中插入鋼骨，然后向鋼管中澆筑高強混凝土而成的組合柱[1]。方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱由于鋼管、鋼骨和混凝土三者良好的協同工作性能大大地提高了柱的承載力、耐火性能以及延性。方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱具有承載力高、受彎及抗震性能好等優點，廣泛地運用于現代的大跨、高聳、橋梁等結構，同時方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱截面尺寸小，大大增加了建筑物的使用空間。在承載力不降低的情況下，提高了建筑物使用的經濟性，因此方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱具有廣泛的工程應用前景。本文通過設計四組不同形式的方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱,通過變化混凝土強度等級、鋼材的強度指標、含骨率、寬厚比等相關參數研究了方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱的共同工作的機理和組合柱的承載力，并且討論了不同因素對于方鋼管-鋼骨高強混凝凝土組合柱極限承載力的影響程度的大小，并給出提高組合柱承載力相關的建議。

1 有限元分析

1.1 試件設計

本文一共設計16個不同形式的試件，為了便于研究混凝土強度等級、方鋼管的強度、鋼骨的強度、含骨率、寬厚比對于方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱的承載力的不同影響，將16個試件分成4個對照組，具體試件截面形式、試件編號和參數情況見圖1和表1。

1.2 材料本構關系模型

本文混凝土材料模型采用混凝土塑形損傷模型，ABAQUS中對混凝土的塑形損傷模型的定義包括混凝土受壓和受拉兩方面。其中定義受拉軟化的方法有兩種，使用核心混凝土受拉的應力-應變關系和ABAQUS中的GFI來定義(利用混凝土受拉時產生裂縫所需要的能量即斷裂能來衡量核心混凝土受拉)。本文對內部核心混凝土受拉損傷的定義使用了第二種方法,用斷裂能Gf和破壞應力σp來模擬混凝土的受拉破壞。其中斷裂能Gf和破壞應力σp采用下列公式取值：

表1 試件參數

注：上表的尺寸單位均為mm,B為試件截面的寬度；H為試件截面的高度；L為試件的長度；b為工字鋼上、下翼緣的寬度；h為工字鋼的高度；t0為鋼管的厚度；t1為型鋼厚度；fty為方鋼管的屈服強度值；fsy為型鋼屈服強度值；fcu為混凝土立方體抗壓強度標準值；As為型鋼的面積；Ac為核心混凝土的面積；At為鋼管的面積；ρ為含骨率，且ρ=As/Ac；B/t0為試件的寬厚比；ξ為套箍系數，ξ=fty.At/fc.Ac,且fc=0.67fcu

Gf=α(0.1fc)0.7

(1)

(2)

1.3 單元劃分、接觸類型及加載邊界條件

核心混凝土和剛性墊塊均采用C3D8R單元來劃分網格，而外部的方鋼管和內置的工字鋼由于厚度相對很小，類似殼體，所以采用4節點殼單元S4來劃分網格。方鋼管和混凝土接觸類型采用庫倫摩擦模型，切向定義為摩擦接觸，法向定義為硬接觸。摩擦系數選取0.5。型鋼與核心混凝土之間的接觸采用Embedded region,同時為了防止試件產生局壓破壞，采用常用的處理方法在柱頂和柱底分別加一塊剛度很大的剛性墊塊。核心混凝土與墊塊建立Tie約束，方鋼管、內置工字鋼和墊塊建立shell-to-solid coupling約束。柱頂的邊界條件為U1=U2=0,柱底邊界條件為U1=U2=U3=0。為了使模型更加容易收斂，故本文采用位移加載方式。圖2給出了組合柱的加載方式和邊界條件。

2 有限元計算結果及分析

從開始加載伴隨著荷載的不斷加大，方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱主要經歷了三個階段。第一段是彈性階段，這一階段的主要特征就是軸向荷載-縱向應變關系曲線(N-ε曲線)基本成線性走勢。但由于鋼管對于核心混凝土的約束和內置型鋼對于方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱的承載力貢獻作用的緣故，使得方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱的彈性階段長于普通鋼筋混凝土柱。第二個階段是彈塑性階段，伴隨著外鋼管、內置型鋼的屈服，混凝土所受的荷載加大并且混凝土內部出現一些裂縫，造成方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱的剛度下降，表現為N-ε曲線出現拐點，此時方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱進入了彈塑性階段。第三個階段是破壞階段，隨著荷載進一步加大，外部方鋼管發生了局部屈曲和內置型鋼發生屈曲。核心混凝土中部被壓壞并產生了燈籠狀鼓曲破壞，方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱最終發生破壞。

方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱最終的破壞形態總體可以歸納為：大約在柱長1/2處的四個側面產生了局部鼓曲，使外部方鋼管喪失了對核心混凝土的約束作用，同時內置的型鋼也在中部產生了很大的局部屈曲，導致喪失穩定繼而發生破壞。最終核心混凝土被壓碎呈現鼓曲破壞，導致方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱試件最終發生破壞。圖3～圖6給出了方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱整體典型破壞形態以及鋼管、混凝土、鋼骨的典型破壞形態。

3 組合柱承載力影響因素分析

4 結論

通過對12個方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱的軸壓有限元分析與研究，主要得出如下結論，同時給出幾點相關建議。

(1)方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱具有良好的協同工作性能，同時該種組合柱具有較高的承載力和延性。

(2)由于混凝土的強度等級對于承載力和延性的雙重影響，因此工程中在選擇混凝土時要兼顧承載力和延性的這二個因素，合理地選取混凝土的強度等級。

(3)方鋼管的強度和含骨率對于方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱的承載力和延性的影響因素較大，因此建議采用強度較高(例如Q345型號鋼材)的鋼材來制作鋼管，同時在有條件情況下可以適當加大含骨率來改善方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱的受力性能。

(4)寬厚比對于方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱的延性影響較大，所以要限制寬厚比來保證方鋼管-鋼骨高強混凝土組合柱具有一定的延性。

[1] 徐亞豐,姜桂蘭,向常艷,等.軸心受壓下鋼管-鋼骨混凝土組合短柱承載力研究[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版),2005,21(6):640-643.

[2] 韓林海. 鋼管混凝土結構理論與實踐[M]. 北京：科學出版社, 2004.

[3] 江見鯨,陸新征, 葉列平. 混凝土結構有限元[M]. 北京：清華大學出版社, 2005.

[4] 朱美春. 鋼骨-方鋼管自密實高強混凝土柱力學性能研究[D]. 大連：大連理工大學, 2005.

[5] 趙同峰, 王連廣. 方鋼管鋼骨高強混凝土軸壓短柱承載力分析[J].東北大學學報，2008，29(10)：1401-1403.

[6] 肖阿林.鋼骨-鋼管高性能混凝土軸壓組合柱受力性能與設計方法研究[D].長沙：湖南大學,2009.

[7] 趙同峰，王連廣，趙爽.方鋼管鋼骨高強混凝土軸壓短柱承載力分析[J]. 東北大學學報，2008，29(10):1502-1504.

Study on Bearing Capacity of Steel Tubular Columns Filled with Steel-Reinforced High Strength Concrete under Axial Compression

SONGFu-chun,ZHAOJie

(School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168,China)

According to the different forms of square steel tube filled with steel reinforced high strength concrete composite columns under axial compression mechanical properties of finite element analysis. Study on the concrete strength, steel strength, the strength of steel bone, steel bone ratio and flakiness ratio than the other steel tube - mechanical performance of steel reinforced high strength concrete composite column. The finite element analysis results show that concrete and steel square tube, good working performance of the square steel tube filled with steel reinforced high strength concrete composite column has higher bearing capacity. Enhance the strength of the concrete can improve the square steel tube filled with steel reinforced high strength concrete effectively the bearing capacity of composite columns but the ductility decreased. The strength and reinforced index square steel pipe is the main factor affecting the square steel tube filled with steel reinforced high strength concrete composite column's bearing capacity, at the same time generous have larger effects than other steel tube steel high strength concrete composite columns ductility.

Square steel tube filled with steel reinforced high strength concrete column; Finite element analysis; Reinforced index; Flakiness ratio

1673-6052(2016)11-0004-05

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.11.002

U441

A