鋼骨圓鋼管高強混凝土組合長柱軸心受壓分析*

徐亞豐，金 松，戴 穎，張 月

（沈陽建筑大學 土木工程學院，沈陽110168）

鋼骨圓鋼管高強混凝土組合長柱軸心受壓分析*

徐亞豐，金 松，戴 穎，張 月

（沈陽建筑大學 土木工程學院，沈陽110168）

為了研究鋼骨-圓鋼管高強混凝土組合長柱軸心受壓的力學性能，采用ABAQUS軟件建立鋼骨-圓鋼管高強混凝土組合長柱軸心受壓有限元分析模型，討論了組合長柱典型試件荷載-變形關系曲線，不同受力階段應力分布規律及最終破壞模態.通過進行參數分析，考慮不同參數對組合長柱軸心受壓力學性能的影響，利用回歸分析得到組合長柱軸心受壓承載力簡化計算公式.結果表明，混凝土強度、配骨指標和鋼材強度對組合長柱軸心受壓承載力影響較大，長細比影響較小，簡化公式計算結果與有限元計算結果及試驗結果吻合良好.

軸心受壓；鋼骨-圓鋼管高強混凝土組合柱；荷載-變形關系曲線；應力分布規律；破壞模態；參數分析；回歸分析；承載力

鋼骨-鋼管高強混凝土組合柱作為一種新型組合柱構件，具有較高的抗壓承載力和良好的塑性、韌性.由于核心混凝土對鋼骨具有包裹作用，在發生火災時，鋼骨-鋼管高強混凝土組合柱不會由于外部鋼管在高溫下發生軟化而迅速喪失承載力進而發生破壞.外部鋼管和內置鋼骨對核心混凝土起到側向支撐的作用，延緩外部鋼管和內置鋼骨發生局部屈曲.同時由于外部鋼管和內置鋼骨對核心高強混凝土的約束作用，大大改善了高強混凝土的脆性.何益斌等［1－2］人展開了對鋼骨-鋼管自密實混凝土組合柱的軸心受壓和偏心受壓力學性能試驗研究；王連廣等［3］人也展開了鋼骨-鋼管高強混凝土組合柱偏心受壓力學性能相關試驗研究；朱美春等［4］人展開了對鋼骨-鋼管混凝土的耐火性能試驗研究；文獻［5］展開了對型鋼-方鋼管混凝土組合柱軸心受壓非線性有限元分析.本文根據相關試驗研究資料，在合理選擇材料本構關系、邊界條件及加載方式的基礎上，建立鋼骨-圓鋼管高強混凝土組合長柱軸心受壓有限元分析模型，通過后處理分析得到組合長柱的荷載-變形關系曲線，探討了鋼骨-圓鋼管高強混凝土組合長柱軸心受壓承載力簡化計算公式，并將簡化公式計算結果與有限元計算結果以及試驗結果進行對比分析.通過上述研究，為該種新型組合柱后續理論研究和在工程中運用起到促進作用.

1 有限元分析模型

1.1 有限元模型設計

本文共設計16根鋼骨-圓鋼管高強混凝土組合長柱軸心受壓試件，圓鋼管外徑 D＝219 mm，圓鋼管壁厚t＝4 mm，試件長細比 λ＝4L／D，L為試件長度.配骨指標 ρ＝fyAs／（fckAc），套箍指標Φ＝fyAt／（fckAc），其中，fy為鋼材屈服強度（鋼管和鋼骨采用相同鋼材）；fck＝0.67fcu，fck為混凝土軸心抗壓強度標準值，fcu為混凝土標準立方體抗壓強度標準值；At、Ac、As分別為鋼管截面面積、核心混凝土截面面積和鋼骨截面面積.試件具體截面形式和其他相關參數如圖1和表1所示.

圖1 試件截面形式Fig.1 Section form of specimen

表1 試件參數Tab.1 Parameters for specimens

1.2 材料本構關系模型

有限元建模時，核心混凝土采用八節點減縮積分格式的三維實體單元（C3D8R），鋼管和鋼骨采用四節點減縮積分格式殼單元（S4R）.由于本次模擬中鋼材均采用低碳鋼，因此，采用二次塑流本構關系可以較好地模擬鋼管和鋼骨的受力狀態，計算公式為

式中，fc′為核心混凝土圓柱體抗壓強度.核心混凝土泊松比取 0.2，對于核心混凝土受拉本構關系采用文獻［7］中建議的模型.

1.3 接觸類型及加載邊界條件

鋼管和混凝土接觸類型采用通用接觸模型，切向采用庫倫摩擦接觸類型，摩擦系數取為0.6，法向采用硬接觸.鋼骨采用嵌入命令將其嵌入到核心混凝土中.鋼骨和鋼管與端板之間采用殼與實體耦合，核心混凝土與端板采用綁定約束.為了更加真實反映組合柱的受力狀態，采用施加千分之一桿長的初始偏心距來考慮組合長柱的初始缺陷.柱底墊塊約束X、Y、Z方向的平動位移.在柱頂墊塊設置加載線，同時約束加載線沿 X、Y方向的自由度，沿著 Z方向進行位移加載，如圖2所示.

1.4 有限元分析模型驗證

文獻［8］展開對鋼骨-鋼管混凝土組合長柱軸心受壓力學性能研究，為了驗證有限元計算模型的可靠性，選取文獻［8］中幾個典型的組合長柱試件進行分析，文獻［8］中典型試件的試驗結果與有限元計算結果的比較如圖3所示，其中Um表示試件中截面的側向撓度，N為荷載.可以發現，有限元計算的荷載-側向撓度曲線與試驗結果吻合良好.

圖2 組合柱邊界條件及加載方式Fig.2 Boundary conditions and loading m ode for composite column

圖3 試驗結果與有限元計算結果比較Fig.3 Comparison between experimental and calculated results

2 有限元計算結果及分析

通過有限元后處理分析得到軸心受壓鋼骨-圓鋼管高強混凝土組合長柱荷載-側向撓度關系，曲線主要分為三個階段，如圖4所示.

1）第一階段是加載初期的彈性階段（OA）.這一階段主要特征表現為荷載-側向撓度關系曲線呈線性關系，此時鋼管、鋼骨和混凝土三者幾乎單獨受力，鋼管與混凝土之間的相互作用很小，鋼管、鋼骨和混凝土處于彈性工作狀態.A點可以看作比例極限點（彈塑性階段的起點），其中，試件的比例極限點（A點）所對應的荷載約占極限承載力的50%～60%之間.

2）第二階段是屈服階段（AB）.隨著外部荷載不斷增大，外部鋼管大部分屈服和內置鋼骨小部分屈服，核心混凝土產生明顯的橫向變形，鋼管和內置鋼骨開始發揮對核心混凝土的約束作用，核心混凝土強度得以提高，荷載-側向撓度關系曲線出現非線性增長，增長的幅度有所減小.

圖4 典型試件 N-Um關系曲線Fig.4 N-Umrelationship curve for typical specimen

3）第三階段是破壞階段（BC）.加載超過B點后，試件的承載力進入下降段.這是因為隨著荷載的進一步加大，試件產生較大的側向撓度，對組合長柱產生較大的附加彎矩，組合長柱開始逐漸喪失穩定，因而外部荷載出現下降.

加載達到比例極限點（A點）時，鋼管應力分布較為均勻，同時鋼管的應力達到345 MPa，大部分進入屈服狀態.達到峰值荷載點（B點）時，鋼管中部產生微彎曲變形，應力開始產生不均勻分布，應力較大的區域向受壓區延伸.在達到試件的彈塑性階段后期（C點）時，應力不均勻分布更加明顯，最大應力主要集中在受壓區，受拉區鋼管的應力水平較低，同時鋼管中部撓曲變形更加明顯.從鋼管整個受力全過程來看，鋼管并沒有進入彈塑性階段，是因為組合長柱整體發生失穩破壞而非強度破壞，鋼管應力分布變化過程如圖5所示.

圖5 鋼管應力分布Fig.5 Stress distribution for steel tube

加載達到彈性階段末（A點）時，鋼骨小部分區域應力達到345MPa，應力不均勻分布.達到峰值荷載點（B點）時，鋼骨應力分布較為均勻，幾乎全部進入屈服狀態.加載達到C點時，鋼骨最大應力區域向中部范圍靠攏，此時鋼骨出現明顯彎曲變形，同時從鋼骨整個受力全過程來看，鋼骨并沒有進入彈塑性階段，是因為組合長柱整體發生失穩破壞而非強度破壞.鋼骨應力分布變化全過程如圖6所示.

圖6 鋼骨應力分布Fig.6 Stress distribution for structural steel

加載達到彈性階段末（A點）時，核心混凝土縱向應力分布均勻，此時核心混凝土的縱向應力不高，這是因為此時二階效應不明顯.達到峰值荷載點（B點）時，核心混凝土應力分布不均勻.此時組合柱處于小偏心受壓狀態，核心混凝土處于全截面受壓狀態.達到 C點時，受壓區混凝土應力持續增大，而受拉區混凝土較小壓應力區域擴大，同時壓應力減小.由于受壓區鋼管和鋼骨發揮對核心混凝土約束作用，受壓區混凝土開始主要分擔外部荷載，受拉區發生卸載現象.核心混凝土縱向應力分布變化全過程如圖7所示.

圖7 核心混凝土應力分布Fig.7 Stress distribution for core concrete

組合長柱整體破壞模態是中部發生較大變形繼而發生破壞.鋼管和內置鋼骨破壞模態與試件整體破壞模態類似，核心混凝土的破壞模態是受壓區核心混凝土被壓碎繼而發生破壞.具體典型試件整體破壞模態和各個部件破壞模態如圖8所示.

3 組合長柱參數及指標分析

3.1 參數分析

影響鋼骨-圓鋼管混凝土組合長柱軸心受壓力學性能的主要因素有：長細比λ、配骨指標ρ、鋼材的屈服強度 fy、混凝土強度 fcu.圖9為不同參數下試件的荷載-側向撓度曲線.隨著混凝土強度等級提高，組合長柱試件在彈性階段剛度不斷增長，同時組合長柱承載力不斷提高，如圖9a所示.隨著配骨指標的提高，組合長柱承載力不斷提高，但配骨指標對組合長柱試件彈性階段剛度和彈塑性階段后期剛度影響較小，如圖9b所示.隨著鋼材強度提高，組合長柱的承載力不斷提高，但提高鋼材強度對組合長柱試件的初始剛度影響很小，當鋼材屈服強度超過 345 MPa后，承載力提高的幅度有所下降，如圖9c所示.長細比對組合長柱承載力影響不明顯，長細比越大，組合長柱承載力和剛度越小，如圖9d所示.

圖8 典型試件破壞模態Fig.8 Failure mode of typical specimen

3.2 組合長柱強度指標和延性指標分析

定義組合長柱名義極限承載力［9］為

定義強度指標系數SI，其表達式為

式中，Neuxp為有限元計算所得組合長柱軸心受壓承載力.本文令組合長柱試件達到峰值荷載時對應的縱向應變為εu，令組合長柱承載力下降到峰值荷載的85%時對應的縱向應變為ε85%［10］，其中，延性指標 DI的表達式為

所有組合長柱試件的強度指標和延性指標匯總如表2所示.隨著混凝土強度等級的提高，組合長柱試件的強度指標沒有明顯變化，但組合長柱試件的延性指標出現明顯下降，這是因為隨著混凝土強度提高，混凝土脆性不斷增大.隨著配骨指標不斷增長，組合長柱試件的強度指標并沒有提高，但延性指標卻有明顯提高.隨著鋼材屈服強度不斷增大，組合長柱試件的強度指標沒有提高，延性指標有較大幅度提高.隨著組合長柱試件長細比不斷增大，試件的強度指標和延性指標均出現較大幅度下降.

圖9 不同參數下荷載-側向撓度曲線Fig.9 Load versus lateral deflection curve with different parameters

表2 所有試件的強度指標和延性指標Tab.2 Strength and ductility indexes of all specimens

4 組合長柱軸心受壓承載力簡化計算

本文基于鋼骨-圓鋼管高強混凝土組合長柱軸心受壓極限承載力簡化計算公式，采用數據回歸方法得到鋼骨-圓鋼管高強混凝土組合長柱軸心受壓承載力計算公式，即

所有試件承載力計算結果匯總見表3，其中，Ncal為按簡化公式（8）計算所得組合長柱軸心受壓承載力.

表3 承載力計算結果Tab.3 Calculated results for bearing capacity kN

按照簡化計算公式（8）計算所得承載力與有限元計算所得承載力的比值均值為0.953，均方差為0.018 5，簡化公式計算結果與試驗計算結果比值的均值為0.894，均方差為0.025 4，說明簡化公式計算結果、有限元計算所得結果和試驗結果基本吻合，同時簡化公式計算結果偏于安全.具體簡化公式計算結果、有限元計算結果和試驗結果比較如圖10所示.

圖10 簡化公式計算結果與有限元計算結果及試驗結果比較Fig.10 Comparison in experimental results and calculated results with simplified formula and finite element method

5 結 論

本文通過對16根鋼骨-圓鋼管高強混凝土組合長柱進行有限元分析與理論研究，得出如下結論：

1）參數分析結果表明，混凝土強度、配骨指標和鋼材強度對組合長柱軸心受壓承載力影響較大，長細比影響相對較小；

2）不同參數對軸心受壓組合長柱的強度指標和延性指標有不同影響，混凝土強度、配骨指標和鋼材強度對組合長柱強度指標無明顯影響，但混凝土強度、配骨指標、鋼材強度和長細比都對組合長柱的延性指標有較大影響；

3）簡化公式計算結果與有限元計算結果及試驗結果吻合良好.

（

）：

［1］何益斌，肖阿林，郭健，等.鋼骨-鋼管自密實高強混凝土軸壓短柱承載力：試驗研究［J］.自然災害學報，2010，19（4）：29－33.（HE Yi-bin，XIAO A-lin，GUO Jian，et al.Bearing capacity of stub columns composed of structural steel and self-compacting high-strength concrete-filled steel tube-experimental research［J］.Journal of Natural Disasters，2010，19（4）：29－33.）

［2］何益斌，肖阿林，郭健，等.鋼骨-鋼管自密實高強混凝土偏壓柱力學性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2010，31（4）：102－109.（HEYi-bin，XIAO A-lin，GUO Jian，etal.Experimental study on behavior of eccentrically loaded steel-reinforced self-compacting high-strength concrete filled steel tubular columns［J］.Journal of Building Structures，2010，31（4）：102－109.）

［3］王連廣，劉曉，常江.鋼管鋼骨高強混凝土偏心受壓承載力試驗研究［J］.工程力學，2010，27（2）：124－129.（WANG Lian-guang，LIU Xiao，CHANG Jiang.Capacity of steel tube column filled with steel-reinforced high-strength concrete subjected to eccentric loading［J］.Engineering Mechanics，2010，27（2）：124－129.）

［4］朱美春，孟凡欽，何寶杰.型鋼-鋼管混凝土柱耐火性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2016，37（3）：36－43.（ZHU Mei-chun，MENG Fan-qin，HE Bao-jie.Experimental research on fire resistance of steel tubular columns filled with steel reinforced concrete［J］.Journal of Building Structures，2016，37（3）：36－43.）

［5］談忠坤，李剛，汪幼林，等.型鋼-方鋼管混凝土軸壓短柱非線性分析［J］.建筑結構，2016，46（4）：62－67.（TAN Zhong-kun，LI Gang，WANG You-lin，et al. Nonlinear analysis of axially loaded steel reinforced concrete-filled square steel tubular stub columns［J］. Building Structure，2016，46（4）：62－67.）

［6］徐亞豐，金松.鋼骨-圓鋼管高強混凝土組合柱偏心受壓有限元分析［J］.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2016，32（1）：40－50.（XU Ya-feng，JIN Song.Finite element analysis on circular steel tube composite column filled with steelreinforced high-strength concrete under eccentric loading［J］.Journal of Shenyang Jianzhu University（Natural Science），2016，32（1）：40－50.）

［7］陳明杰.鋼骨-鋼管高強混凝土柱力學性能研究［D］.廣州：華南理工大學，2014.（CHEN Ming-jie.Study on the mechanical properties of CFST column with the built-in cross I shape column［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2014.）

［8］肖阿林.鋼骨-鋼管高性能混凝土軸壓組合柱受力與設計方法研究［D］.長沙：湖南大學，2009.（XIAO A-lin.Study on behavior and design method of axially loaded steel reinforced high-performance concrete filled steel tubular columns［D］.Changsha：Hunan University，2009.）

［9］堯國皇.鋼管混凝土在復雜狀態下的工作機理研究［D］.福州：福州大學，2006.（YAO Guo-huang.Research on behavior of concrete filled steel tubes subjected to complicated loading states［D］.Fuzhou：Fuzhou University，2006.）

［10］王金鑫.鋼骨-方鋼管混凝土短柱偏壓力學性能研究［D］.重慶：重慶大學，2009.（WANG Jin-xin.Research on mechanical behavior of square steel tube short columns filled with steelreinforced concrete of eccentrically-loaded［D］. Chongqing：Chongqing University，2009.）

（責任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英）

Finite element analysis for circular steel tube composite slender column filled with steel-reinforced high-strength concrete under axial compression

XU Ya-feng，JIN Song，DAIYing，ZHANG Yue
（School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

In order to study mechanical properties of circular steel tube composite slender column filled with steel-reinforced high-strength concrete under axial compression，an finite element analysis model for the circular steel tube composite slender column filled with steel-reinforced high-strength concrete under axial compression was established with the software ABAQUS，and the load versus deformation relationship curve，stress distribution rule in different loading stages and final failure mode of typical specimens were discussed.Through the parametric analysis，the influence of different parameters on the mechanical properties of composite slender column under axial compression was considered.In addition，the simplified bearing capacity calculation formula of composite slender column under axial compression was obtained with the regression analysis method.The results indicate that the strength of concrete，index of structural steel and strength of steel have significant effect on the bearing capacity of composite slender column under axial compression，while the slenderness ratio exhibits small influence.Furthermore，the results calculated with the simplified formula are in good agreement with those obtained with both finite element analysis and tests.

axial compression；circular steel tube composite column filled with steel-reinforced high-strength concrete；load versus deformation curve；stress distribution rule；failure mode；parametric analysis；regression analysis；bearing capacity

TU 398.9

A

1000－1646（2016）06－0703－07

10.7688／j.issn.1000－1646.2016.06.19

2016－02－29.

國家自然科學基金資助項目（90815020）；遼寧省教育廳科學研究計劃項目（L2014238）.

徐亞豐（1963－），男，內蒙古赤峰人，教授，博士，主要從事組合結構等方面的研究.

09－07 16∶06在中國知網優先數字出版.

http：∥www.cnki.net／kcms／detail／21.1189.T. 20160907.1606.016.htm l