鋼管混凝土短柱的位移變形分析

張 旭

（河北大學建筑工程學院， 河北 保定 071000）

1 概述

鋼管混凝土是一種通過在鋼管中灌注混凝土而形成的支護構件，鋼管混凝土兼具了兩類材料的優(yōu)點，既有鋼材的強度和延性，又具備混凝土抗壓性好的特點，在地面建筑中已得到廣泛應用[1-3]。在鋼管混凝土結構中，由于鋼管和混凝土之間的粘結力較好，當結構內局部區(qū)域產生拉應力時，混凝土可以在鋼管良好抗拉能力的幫助下避免其發(fā)生拉伸破壞，并改善混凝土的受力狀況，從而使混凝土的抗壓性能得到充分發(fā)揮。

2 模型建立與加載求解

支架模擬分析前，本節(jié)先應用ANSYS軟件對U型鋼短柱、方形鋼管混凝土短柱和圓形鋼管混凝土短柱進行加載模擬，對比分析加載結果，觀察三種短柱的變形趨勢。

根據以往的試驗［4］表明，當混凝土結構的高寬比h/b＞3時，混凝土的抗壓強度趨于穩(wěn)定，因此，一般規(guī)定用 h/b=3-4的混凝土來測試單軸均勻受壓時的抗壓強度。因此建立三種短柱結構模型時，將試件的高度(L)設計為截面長邊B的3倍，即取L/B=3。U型鋼短柱模型為標準U29型鋼截面，高450mm；圓形混凝土短柱和方形混凝土短柱考慮等截面，圓形鋼管混凝土短柱模型的截面直徑 170mm，高450mm；方形混凝土短柱截面邊長為150mm，高450mm。鋼管混凝土結構中選擇C30強度的混凝土。根據《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定，混凝土彈性模量 Ec＝3×104MPa，軸心抗拉強度ft＝1.43 MPa，抗壓強度fc＝14.3MPa，泊松比μ=0.2；鋼筋的彈性模量Es=210GPa，泊松比μ=0.3。

鋼管混凝土短柱模型建立有分離式建模和整體式建模兩種方法，為保證數據的可靠性，本文選用分離式建模。該方法是將鋼管混凝土結構分成鋼管和混凝土兩種單元進行建模處理。其優(yōu)點就在于將混凝土與鋼管接觸之間的粘結和滑移考慮在內，這樣可以將混凝土的開裂寬度更加精確的計算出來，但由于參數設置比較繁瑣，且與本文涉及不深，所以本文在模擬時并沒有對此加以考慮。建立鋼管混凝土短柱模型時，鋼管采用的是solid45單元，混凝土則采用ANSYS實體單元中的 Concrete65單元進行模擬，該單元是模擬混凝土結構時選用的主要單元，在考慮了混凝土的拉裂和壓碎情況之外，該單元還對混凝土的蠕變和塑性變形效果加以分析，作為一種每個節(jié)點上分布有3個方向自由度的八節(jié)點單元，solid65單元在鋼筋混凝土結構建模時得到了廣泛應用。

設置混凝土參數［5］時，選擇線性等向強化模型作為其本構關系，綜合以往模擬和現場經驗，本文將混凝土幵 口裂縫的剪力傳遞系數設置為0.5，閉口裂縫的剪力傳遞系數設置為1.0。為防止格柵混凝土短柱在計算過程中出現個別混凝土單元被壓碎，進而造成單元自由度發(fā)散的現象，本文模擬時不對混凝土的壓碎加以考慮，以保證計算的順利進行。因此，在對混凝土進行賦參時，將混凝土的單軸抗壓強度設置為-1，以關閉其壓碎功能，這樣模型在運算的時候就更容易收斂。

3 鋼管混凝土短柱變形位移分析

在方形短柱中，分別在X、Y向選取四個節(jié)點，X向四個節(jié)點分別為X軸與鋼管外壁左右交點的縱軸上中部節(jié)點和頂部節(jié)點，Y向節(jié)點選取規(guī)律一致。由結果可以看出，X、Y向規(guī)律一致，同時Z方向的變形規(guī)律一致。

由于模型的對稱性，X、Y方向位移變形量規(guī)律一致，且不隨Z方向位移而變化，本文在方形鋼管混凝土短柱中Z=450mm平面中選取X正半軸六個節(jié)點進行分析，順著X正方向節(jié)點編號依次為：N0249、N3326、N3328、N3330、N4932、N4930。從結果中可以看出六條曲線均呈線性，其中最大變形量為5mm，隨著X方向的坐標值越大，曲線的斜率越大，變形量增長的速度越大。N0249節(jié)點位移變化曲線為一條水平曲線，節(jié)點在X方向無位移變形。N3326節(jié)點離原點最近，X方向位移增量最少，增長速率最小，最大變形量為 1.7mm。N3328節(jié)點的最大變形量為3.1mm，N3330節(jié)點的變形量為4.1mm，N4932節(jié)點的變形量為4.6mm，N4930節(jié)點的變形量為5.0mm。其中N4932、N4930節(jié)點在外層鋼管上。

同理，圓形鋼管混凝土短柱中Z=450mm平面上選取X正半軸六個節(jié)點進行分析，順著X正方向節(jié)點編號依次為：N1、N28、N31、N34、N14、N3941。對比方形和圓形鋼管混凝土短柱中Z=450mm平面上X正半軸6節(jié)點的X位移，得出短柱的整體變形量一致，對比數據看出對比內部節(jié)點方形短柱的位移量稍微大于圓形短柱的位移量。但由于方形和圓形網格劃分有所區(qū)別，疏密程度不一致，因此對應內部節(jié)點的X方向位移有所差別。

綜上分析得出，由于鋼管的約束作用，混凝土材料的變形量相對較鋼管的變形量小。鋼管混凝土結構能夠更好的實現鋼管與混凝土雙材料的結構耦合支護效果。鋼管對混凝土的約束作用進一步的提高了混凝土抗壓性能，鋼管由于自身的材料特性和結構的耦合作用，進一步提高了鋼管的抗拉強度。

［1］ 杜國鋒，徐禮華，徐浩然，等．鋼管混凝土組合 T 形短柱軸壓力學性能研究［J］西安建筑科技大學學報: 自然科學版，2008，52( 4) : 110－116．

［2］AvalS B B，Saadeghvaziri M A，Golafshani A A． Comprehensivecomposite inelastic fiber element for cyclic analysis of concrete－filled steel tube column［J］.Journal of Engineering Mechanics，ASCE，2002，128( 4) : 428－437．

［3］祝雯．鋼管混凝土結構的研究現狀及發(fā)展趨勢［J］．廣州建筑，2011，39( 1) : 5－10．

［4］Ellobody E，Young B.Experimental investigation of concrete－filledcoldformed high strength stainless steel tube columns［J］．Jour-nal of Constructional Steel research，2006，62( 5) : 484－492．

［5］劉學軍,魏德敏圓形鋼管混凝土柱承載力計算綜述科技情報開發(fā)與經濟,2000,10．