離心鋼管混凝土偏心受壓構件力學性能研究

趙 昕 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

0 前言

離心鋼管混凝土是在鋼管內填充混凝土，采用離心法成型并通過蒸汽養護制成的鋼管混凝土構件。對于離心鋼管混凝土柱受壓時，工作性能與承載力的研究大多集中于軸壓性能研究。鐘善桐、徐國林[1～2]分析軸壓下離心鋼管混凝土柱受力特點并基于鋼管混凝土統一理論，導出適用于不同截面形式的實心和離心鋼管混凝土柱強度和承載力設計公式。王宏偉[3～4]進行了55個離心鋼管混凝土短柱和11個長柱軸壓實驗，研究了截面形式、空心率及長細比的影響。對于偏心受壓研究，主要以實心鋼管混凝土為主，丁發興等[5]進行了8根圓截面鋼管自密實混凝土偏壓柱實驗，分析了偏心率和含鋼率等影響。陳寶春[6-8]進行了實心鋼管混凝土偏心受壓相關實驗研究，研究參數為偏心率和材料性能，并提出相應的應力-應變模型；鐘善桐[9-10]引入等效緊箍力概念，采用壓潰理論進行偏壓實心鋼管混凝土柱強度和穩定承載力計算，并導出偏壓短柱強度承載力計算公式。周廣師[11]針對實心鋼管混凝土偏心受壓構件穩定問題，運用耶碩克近似分析法，導出穩定臨界力理論計算公式。

基于實心鋼管混凝土偏壓理論，通過ABAQUS有限元軟件建立離心鋼管混凝土柱偏壓數值分析模型，深入研究偏心距、鋼管壁厚以及空心率等參數對其影響，揭示其偏心受壓下受力特點，提出相應的離心鋼管混凝土偏壓承載力計算方法。

1 材料本構關系

1.1 鋼材

建筑工程中鋼材一般采用低碳軟鋼，具有明顯的屈服階段，并考慮其強化階段對強度的提高，故采用二次塑流模型。鋼材與混凝土應力—應變關系曲線如圖1(a)所示。

圖1 材料應力—應變關系曲線

其中鋼材應力—應變關系表達式如式(1)。

式中，tgθ′=ES′=0.01ES，ES為鋼材彈性階段的彈性模量，εy為彈性極限應變；fy為鋼材屈服強度。

1.2 混凝土

偏心受壓時，核心混凝土所處的應力狀態不清晰，且鋼管對于核心混凝土的約束作用較弱，造成對于核心混凝土本構關系模型的選擇困難。

劉威[12]提出的關于鋼管混凝土的混凝土本構關系弱化了核心混凝土極限強度的提高，僅考慮混凝土到達峰值應力之后混凝土塑性的提高，對于偏壓狀態下的混凝土具有更好的擬合度，其應力—應變關系曲線如圖1(b)所示，計算表達式如式（2）。

根據上式，當時，核心混凝土未達到峰值應變時，應力—應變關系與美國E.Hongestad建議的模型相似。當x＞1時，曲線下降段中系數β0體現了核心區混凝土的延性程度。而β0是與約束效應系數ζ有關，隨ζ變化而變化。

2 離心鋼管混凝土偏壓模型建立

本文離心鋼管混凝土柱偏壓數值模擬，分別對偏心距、鋼管壁厚以及空心率三個因素進行研究。離心鋼管混凝土柱偏壓基本模型尺寸采用300×3×1000mm(D×t×L)，其中混凝土層40mm。基于上述模型對不同偏心距分別進行模擬分析。保持偏心距為80mm不變，基于上述模型尺寸，更改鋼管壁厚和空心率參數，分析對離心鋼管混凝土柱偏壓承載力的影響。

離心鋼管混凝土柱有限元模型中鋼管和混凝土分別采用8節點減縮積分的三維實體單元C3D8R和非協調模式的三維實體單元C3D8I進行模擬。計算模型單元劃分如圖2。

考慮到鋼管與混凝土之間的接觸問題，依據Dai[13]等人的研究，將切向行為定義為類型“罰”，摩擦系數設為0.3，法向行為采用“硬接觸”。端板與離心鋼管混凝土柱設置為“綁定”，為了實現偏心加載，在上端板上設計刀口，并在其上設置耦合點與刀口耦合，荷載施加在耦合點上，采用位移加載。對于邊界條件，柱下端固定除UR1外所有自由度，加載端為自由端，施加位移，直到破壞。

3 參數分析

3.1 偏心距

不同的偏心距對離心鋼管混凝土柱力學性能及極限承載力的影響，如圖3、圖4所示。

圖3 偏心距對偏壓荷載(N)—軸向變形(Uz)的影響

圖4 偏心距對極限承載力(Nmax)的影響

計算結果表明，離心鋼管混凝土柱偏心受壓時，隨著偏心距增大，其極限承載力在逐步下降，且呈現近似于線性變化；并且偏心受壓承載力比其軸心受壓承載力要小得多。從圖3可知，當偏心距增大時，試件的荷載與軸向變形關系曲線的線性階段逐步縮短，并且達到極限承載力時，其自身軸向變形量也在緩慢增加。對于實際工程中離心鋼管混凝土構件存在偏心受壓狀況時，應考慮其承載力的降低和變形特點。

3.2 鋼管壁厚

鋼管壁厚對離心鋼管混凝土柱力學性能及極限承載力的影響，如圖5、圖6所示。

圖5 鋼管壁厚對偏壓荷載(N)—軸向變形(Uz)的影響

圖6 鋼管壁厚對極限承載力(Nmax)的影響

計算結果表明，與3mm相比，4mm與5mm偏壓極限承載力分別提高8.95%和20.59%。隨著鋼管厚度的增加，試件偏壓極限承載力逐步增加，極限承載力位移并沒有太大的變化，但隨著鋼管厚度增加，構件承載力下降到達強化階段，鋼管越厚，構件承載力上升趨勢越明顯。

3.3 空心率

空心率對其力學性能的影響，如圖7、圖8所示。

結果表明，與空心率50.9%相比，41.8%與33.6%偏壓極限承載力分別提高11.29%和16.32%，隨著空心率減小，離心鋼管混凝土柱極限承載力也隨之增加，但增長幅度降低；其自身極限承載力位移和構件彈性剛度沒有太大變化。

圖7 空心率對偏壓荷載(N)—軸向變形(Uz)的影響

圖8 空心率對極限承載力(Nmax)的影響

4 偏壓極限承載力計算

國家電力行業頒布的《鋼—混凝土組合結構技術規程》（DL/T 5058—1999）中提出的實心鋼管混凝土偏壓承載力計算公式，影響系數較多，計算較為復雜，并不適合在實際工程中應用[14]。

建筑材料行業頒布的《鋼管混凝土結構設計與施工規程》（JCJ 01—89），沿用鋼筋混凝土偏壓構件計算方法提出實心鋼管混凝土偏壓承載力計算公式（3），使用比較方便，但考慮因素較少，不能完全反映構件實際承載力狀況[15]。

式中：φe為實心鋼管混凝土偏壓構件承載力折減系數；K1為核心混凝土強度提高系數；γ為φe的修正值。

本文基于鋼管混凝土統一理論，將鋼管混凝土看成一種單一材料進行研究，用構件的整體幾何特性和組合性能指標，計算構件極限承載力。通過數據擬合獲得下列計算公式，其表達式如下：

式中：Asc為離心鋼管混凝土構件截面面積；fysck為離心鋼管混凝土軸壓構件組合強度標準值，計算公式詳見文獻[16]；e為偏心距，公式(4)適用范圍為（0＜e≤D/2）；φ1為長細比影響承載力折減系數，，考慮到離心鋼管混凝土截面特性，i為環形截面的慣性半徑，其計算公式，其中，α=d/D，d與D分別為環形截面的內直徑和外直徑。

計算公式的計算結果與數值模擬結果比較如下表。

計算結果表明，公式（4）的計算值與有限元計算結果的比值（Nsc/Nm）的均值為1.009，方差為0.0003。因此，本文所提出的離心鋼管混凝土柱偏壓極限承載力計算公式具有一定的參考意義。

計算結果比較

5 結論

本文通過對偏壓狀態下離心鋼管混凝土柱的數值分析和承載力計算方法研究，得出以下結論。

①影響離心鋼管混凝土柱偏壓極限承載力的因素有偏心距、鋼管壁厚、空心率。其中偏心距影響較為明顯；鋼管壁厚對離心鋼管混凝土構件彈性剛度的影響較大。

②基于鋼管混凝土統一理論，結合實心鋼管混凝土偏壓承載力計算公式及空心鋼管混凝土軸壓承載力計算公式，推導出適用于實際的離心鋼管混凝土偏壓承載力計算公式。結合結果對比分析，公式(5)具有較好的一致性及合理性，為后期研究提供一定的借鑒。