鋼骨—方鋼管高強混凝土組合柱雙向偏心受壓力學性能

朱業鵬，金松，張銘

（1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

隨著超高層建筑和大跨度結構的迅速發展，結構承擔的荷載越來越大，如何保證結構在各種災害下安全，成為結構設計的關鍵問題。柱子作為結構的關鍵構件，在地震作用下應該具有較高的承載力和延性，避免形成倒塌機構。文獻[1]提出了鋼骨-鋼管高強混凝土組合柱這種新型組合柱的設計模式。文獻[2-3]進行了13根鋼骨-鋼管高強混凝土組合柱進行偏心受壓有限元分析，研究了偏心距、配骨指標，長細比等參數對組合柱偏心受壓承載力及延性的影響。并且提出偏心受壓承載力簡化計算公式。文獻[4]進行了14根鋼骨-方鋼管高強混凝土柱偏心受壓有限元分析。考慮不同參數對方形組合柱偏心受壓承載力的影響，同時也提出了方形組合柱偏心受壓承載力計算公式。文獻[5]進行了鋼骨-圓鋼管高強混凝土組合柱抗彎力學性能研究，不同受力階段的應力分布規律以及破壞模態，同時考慮不同參數對組合柱抗彎力學性能的影響，并提出組合柱抗彎承載力簡化計算公式。文獻[6]進行了14根鋼骨-方鋼管高強混凝土柱試件在高軸向壓力和低周反復水平荷載作用下的試驗，對鋼骨-方鋼管高強混凝土柱的抗震性能進行分析。但實際工程中由于偶然因素作用，柱子常常處于雙向偏心受壓狀態。但目前對于該種類型組合柱的雙向偏心受壓的力學性能研究的相關報道較少，因此有必要展開相關研究，筆者采用非線性有限元軟件ABAQUS對該類型組合柱在雙向偏心受壓荷載下的力學性能展開研究。通過上述研究，為該種新型組合柱在工程設計中運用提供參考和指導。

1 有限元分析模型

1.1 試件設計

圖1 試件截面形式Fig.1 Specimen cross section form

表1 試件參數Table 1 Specimen parameters

1.2 材料本構關系模型及接觸約束

對于外部鋼管和內置的鋼骨采用文獻[7]中建議的二次塑性流動模型。混凝土本構采用文獻[8]中的韓林海建議的模型。鋼管、鋼骨采用四節點減縮積分格式的殼單元(S4R)，在殼單元的厚度方向，采用9個積分點。核心混凝土采用八節點減縮積分格式的三維實體單元。鋼管和混凝土接觸面界面模型采用庫侖摩擦類型來模擬，鋼骨采用嵌入的命令將其嵌入到核心混凝土中，不考慮其滑移。在有限元計算模型加載端設置剛度很大墊塊模擬加荷端板，彈性模量取1012MPa，泊松比取為0.0001[9]。通過在墊塊上設置偏心加載線來模擬偏心加載，同時采用旋轉墊塊的方法來模擬雙向偏心受壓的不同加載角度。組合柱雙偏壓位移邊界條件及加載方式如圖2所示。

圖2 組合柱位移邊界條件及加載方式Fig.2 Displacement boundary condition and loading method of composite columns

1.3 有限元分析模型驗證

目前，對于鋼骨-鋼管高強混凝土組合柱雙向偏心受壓國內外報道較少，為了有效驗證組合柱雙向偏心受壓有限元分析模型的合理性和有效性，本文在文獻[10]試驗研究的基礎上，選取其中6組典型的試件進行有限元模型的有效性驗證，圖3給出了有限元計算結果與試驗結果比較。從圖3來看非線性有限元計算結果與試驗結果在試件彈性階段吻合良好，在非彈性階段有限元計算結果較試驗結果偏高，主要是由于有限元無法考慮混凝土開裂后造成的剛度退化而造成的承載力下降。

2 有限元模擬結果及分析

圖3 有限元計算結果試驗結果與比較Fig.3 Test results and comparison of finite element calculation results

通過后處理得到組合柱雙向偏心受壓典型試件的荷載-側向撓度關系曲線，典型試件荷載-側向撓度曲線主要可以分為以下四個主要階段:

彈性工作階段（OA），彈塑性階段（AB），下降段（BC），其中N表示縱向荷載，表示組合柱中截面的側向撓度(如圖4所示)。

（1）第一段是加載初期的彈性階段（OA）：這一階段的主要特征就是荷載-側向撓度關系曲線基本呈線性關系；此時外部方鋼管、核心混凝土、內置鋼骨幾乎單獨受力，外部方鋼管與核心混凝土之間相互作用力很小，外部方鋼管、內置鋼骨和核心混凝土均處于彈性工作狀態。A點可以看作彈性段的比例極限(彈塑性階段起點 )。

（2）第二個階段是屈服階段（AB）：隨著外部的荷載不斷增大，組合柱試件變形不斷增長，由受壓區的核心混凝土與方鋼管開始產生不均勻的相互作用，此時組合柱試件開始進入彈塑性變形階段，荷載-側向撓度曲線開始表現出非線性關系。

（3）第三個階段是破壞階段（BC）：加載超過峰值荷載點（C點）時，由于內外力無法達到平衡，試件的承載力進入下降段。加載超過C點以后，由于鋼骨對于組合柱承載力的貢獻作用，曲線開始進入平緩階段。

圖4 典型組合柱試件曲線Fig.4 Typical composite column specimencurve

2.1 試件典型破壞模態

鋼管破壞模態類似于組合長柱整體破壞模態，核心混凝土在鋼管發生局部屈曲部位產生，達到較大的縱向壓應力，最終被壓碎，鋼骨由于中部產生較大的側向撓曲變形最終發生破壞。組合柱各個部件的破壞模態如圖5所示：

圖5 典型試件破壞模態Fig.5 Failure mode of typical specimen

2.2 參數分析

影響鋼骨-方鋼管高強混凝土組合柱雙偏壓力學性能的主要因素有混凝土強度等級、配骨指標、鋼材強度、加載角度、偏心率、長細比。隨著混凝土強度等級提高，組合柱雙向偏心受壓承載力不斷增大(如圖6 (a)所示)，混凝土強度從C60提高到C90組合柱雙向偏心受壓承載力提高28.4%。混凝土強度等級的提高對于組合柱的初始剛度和后期剛度影響都不明顯。隨著配骨指標的提高，組合柱雙向偏心受壓承載力不斷提高，配骨指標從0.76增長到0.78，組合柱承載力提高5.6%，但由于配骨指標變化范圍很小，所以組合柱承載力提高不明顯(如圖6 (b)所示)。隨著鋼材強度提高，組合柱雙向偏心受壓承載力大幅度提高，其中以鋼材強度從235 MPa增長到345 MPa組合柱承載力增長的幅度最大，組合柱的承載力增長17.5%，鋼材強度超過345 MPa以后，提高鋼材強度組合柱雙向偏心受壓承載力提高幅度下降。同時提高鋼材強度對于組合柱的初始剛度和曲線的形狀走勢影響很小(如圖6(c)所示)。不同偏心率對于組合柱雙向偏心受壓承載力影響較大，偏心距從20 mm提高40 mm，組合柱雙向偏心受壓承載力下降14.5%，偏心距從40 mm增長到60 mm，組合柱雙向偏心受壓承載力下降14.9%，同時隨著偏心率不斷增大，組合柱初始剛度出現大幅度下降(如圖6 (d)所示)。

圖6 不同參數下曲線Fig.6 Under different parameterscurve

3 結論

（1）雙向偏心受壓組合柱在整個受力過程中，鋼骨和鋼管應力發生重分布，核心混凝土的應力按加載角度呈現帶狀分布。破壞時外部方鋼管發生一定的屈曲變形。

（2）采用的有限元分析的計算荷載-撓度曲線與試驗結果吻合較好，說明采用的有限元分析方法及本構關系是合理的。

（3）鋼材的強度，混凝土強度、偏心率，長細比對組合柱雙向偏心受壓承載力影響較大。加載角和配骨指標影響很小。同時當鋼材強度超過235 MPa時，雙向偏心受壓承載力增長較小。