圓鋼管混凝土柱滯回性能分析

楊進芳

摘 要：通過確定合理的混凝土和鋼材本構模型，采用有限元軟件ABAQUS分析圓鋼管混凝土柱滯回性能，并基于現有試驗驗證了有限元模型的準確性，分析了軸壓比、鋼管壁厚以及混凝土和鋼材強度對圓鋼管混凝土耗能能力、剛度退化及強度退化的影響。分析結果表明，圓鋼管混凝土柱滯回曲線飽滿且無明顯捏縮。軸壓比較小時，剛度和強度基本不退化，軸壓比較大時，滯回環面積減小較多，強度和剛度退化有所加快，但不明顯。鋼管壁厚越大，鋼管耗能能力越好，強度退化越慢，這證明鋼管混凝土柱具有較好的抗震性能和耗能能力。

關鍵詞：鋼管混凝土;抗震新能;耗能能力;有限元

中圖分類號：TU398.9文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）11-0117-03

Analysis of Hysteretic Behavior of Concrete Columns with Round Steel Pipes

YANG Jinfang

（Tianshui First Construction Engineering Company，Tianshui Gansu 741000）

Abstract： By selecting reasonable constitutive models of concrete and steel， the hysteretic behavior of CFST columns is analyzed by using finite element software ABAQUS， and the accuracy of the finite element model is verified based on the existing tests. The effects of axial compression ratio， steel tube wall thickness and concrete and steel strength on the energy dissipation capacity， stiffness degradation and strength degradation of CFST are analyzed. The analysis results show that the hysteretic curve of concrete-filled steel tubular column is full and there is no obvious pinch. When the axial compression ratio is small， the stiffness and strength do not degenerate. When the axial compression ratio is large， the hysteresis area decreases more， and the degradation of strength and stiffness is accelerated， but not obvious. The larger the wall thickness is， the better the energy dissipation capacity is and the slower the strength degradation is. This proves that CFST columns have good seismic performance and energy dissipation capacity.

Keywords： concrete filled steel tubular column;seismic performance;energy dissipation capacity;finite element analysis

鋼管混凝土由于具有較高的承載力，已廣泛應用于我國工業重載結構、橋梁以及高層建筑中[1-2]，圓鋼管混凝土柱由于鋼管對核心混凝土的環向約束，極大地提高了柱軸向承載力，改善了柱延性，且較高的承載力減小了柱截面，增大了建筑地使用空間，節省了混凝土用量。鋼管在施工時可作為混凝土的澆筑模板，降低了工程造價，加快了施工速度。長期以來取得了較好地綜合經濟效果。另外，由于鋼管內的混凝土具有熱惰性，火災下可以吸收較多的熱量，這使得鋼管的升溫較慢，極大地提高了鋼管混凝土柱抗火性能，降低了該類結構的防火工程造價。已有部分學者對鋼管混凝土滯回性能進行了試驗研究[3-8]和有限元分析，分析了鋼管混凝土強度退化、剛度退化以及耗能能力。

本文基于有限元軟件ABAQUS分析了圓鋼管混凝土柱滯回性能，研究了鋼管壁厚混凝土強度對圓鋼管混凝土耗能能力、剛度退化及強度退化的影響。

1 數值模型的建立

基于ABAQUS有限元軟件，建立了兩端鉸接和懸臂的圓鋼管混凝土柱滯回性能分析模型，進行了滯回性能數值模擬，并基于已有試驗結果對本文有限元模型進行了驗證。

1.1 單元確定

鑒于鋼管混凝土直徑與壁厚比值較大，故在本文中采用ABAQUS中帶縮減積分的殼單元S4R模型鋼管，該單元具有計算速度快、變形與試驗結果更吻合的特點。采用三維實體單元C3D8R模型混凝土，考慮到混凝土骨料大小，網格尺寸取為20 mm。

1.2 混凝土本構模型選取

混凝土本構模型采用ABAQUS軟件中的塑性損傷模型（Concrete Damaged Plasticity，CDP）[2]，混凝土應力應變關系的計算公式如式（1）所示：

[y=2x-x2x≤1xβ0x-1η+xx>1] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中，[x=εε0]，[y=σσ0]，[η=2]，[β0=2.36×10-50.25+ξ-0.57×fc0.5×0.5≥0.12]。

1.3 鋼材本構模型選取

往復加載下的鋼材采用隨動強化本構模型，隨動強化鋼材本構關系如圖1所示，ES為鋼材的彈性模量，fy為鋼材的屈服強度，fu為鋼材的抗拉強度，其彈性模量為αEs，α一般取0.01，其余參數取值參見文獻[2]。

2 算例驗證

為驗證本文有限元模型的有效性，基于現有試驗數據對數值模型進行了驗證，所選定的軸壓比分別為0、0.3以及0.5，鋼管直徑分別為108 mm和114 mm，鋼管壁厚為3 mm和4 mm，具體幾何尺寸和材料性能參數如表1所示。

試驗和計算滯回曲線對比如圖2所示，圖中虛線為試驗曲線，細實線為模擬曲線。如圖2（a）和（b）所示，軸壓比為0的C108-1和C114-1試件加載到位移最大時，未見明顯的剛度退化。而強度退化則隨著加載位移的增大緩慢增加。軸壓比為0.3的C114-2試件剛度退化不明顯，但是強度退化較慢，如圖2（c）所示。軸壓比為0.5時，出現了輕微的剛度退化，強度退化明顯加快，如圖2（d）所示C114-3試件。

各試件的耗能能力如圖2（a）至圖2（d）所示。可見軸壓比越大，圓鋼管混凝土柱的耗能能力越小，這主要是由于在軸壓比較大時，試件抗側承載力在到達峰值后便快速下降，而未經歷穩定下降階段，這也是我國規范限定柱軸壓比的原因。

總體可見，計算承載力略小于試驗承載力，這主要是由于柱為兩端鉸接裝置，跨中進行位移加載，鉸支座在軸向荷載較大時，摩擦力較大，而數值模擬時為理想鉸支座，故計算承載力略有偏低。總體計算曲線與試驗曲線吻合較好。

3 參數分析

參數分析的典型試件的尺寸為柱長L=3 600 mm，柱直徑D=400 mm，鋼材強度采用Q345，混凝土強度為C50。為進一步明晰鋼管壁厚和軸壓比對鋼管混凝土柱滯回性能的影響，對比了以上幾種因素作用下滯回曲線骨架線，鋼管壁厚t對滯回性能的影響如圖3所示。可見隨著鋼管壁厚的降低，骨架曲線急劇下降，當鋼管壁厚為2 mm時，承載力下降為壁厚10 mm時的1/3。不同軸壓比作用骨架曲線如圖4所示，軸壓比n對鋼管混凝土柱抗側承載力影響較小，當其由0.1增加到0.5時，承載力下降16%左右，但軸壓比對峰值承載力后的強度退化影響較大，超過0.3時強度退化明顯加快，滯回曲線包絡面積也明顯減小。

4 結論

本文采用有限元軟件ABAQUS分析圓鋼管混凝土柱，研究了鋼材強度、軸壓比、鋼管壁厚以及長細比對其滯回性能的影響。基于本文研究，可以得到如下結論：①鋼管壁厚對鋼管混凝土滯回性能影響較大，隨著鋼管壁厚的增大，柱抗側承載力顯著增大，抗側剛度也明顯提高;②軸壓比對峰值承載力后強度退化影響較大，隨著軸壓比的增加，強度退化明顯加快。

參考文獻：

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