配筋钢管混凝土短柱轴心受压有限元分析

2011-06-13沈卓华杜红亮

山西建筑 2011年33期

缪巍沈卓华杜红亮

钢管混凝土是在薄壁钢管中填充混凝土，主要用于承受竖向荷载的构件。随着其轴心受压荷载的增大，钢管混凝土中的核心混凝土受到管壁的约束力，形成三向受力。钢管对混凝土的约束使混凝土处于复杂的应力状态之下，从而使混凝土的抗压强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善，延缓了受压时的纵向开裂，同时混凝土的存在也避免或延缓钢管发生局部屈曲，增强了稳定性，这样弥补了两种材料的各自缺点，充分发挥了二者的优点，这正是钢管混凝土组合结构的优势所在[1，2]。目前钢管混凝土在我国已经得到了广泛的应用，并在各行各业形成了成熟的应用规范。近年来，日本等国家开始尝试通过在圆钢管混凝土柱内配置钢筋，形成配筋圆钢管混凝土，简称RCFT(Reinforced Concrete Filled Tube)，以进一步提高柱的承载力和延性。本文通过有限元分析计算了配筋钢管混凝土轴心受压的理论解，并与实际试验结果对比，分析了其中钢筋的作用，揭示了其中受力机理。

图1 普通箍筋配筋钢管混凝土截面有限元模型

图2 螺旋箍筋配筋钢管混凝土有限元模型

考虑到混凝土单元为了避免应力集中不应划分过小，但同时也能反映出其受力变化的规律，本文通过大量的试算，选取合理的尺寸控制，利用映射划分法，对钢管混凝土短柱进行了网格划分，划分后的钢管和混凝土单元如图3所示。

图3 配筋钢管混凝土单元网格划分

1 配筋钢管混凝土的有限元模型

本文采用ANSYS进行实体建模[3，4]，在前处理中通过输入实体各控制点的三维坐标来分别建立圆环，然后拉伸成钢管体，中间混凝土为圆柱体。目前大多数学者在研究钢管混凝土时，假定钢管和混凝土之间完全粘结，本文在考虑两者关系时，也同样假定两者完全粘结。创建完成后钢管模型、混凝土模型及整体模型如图1，图2所示。

图4 配筋钢管混凝土短柱的整体变形图

为了模拟试验加载过程中顶面上的一致变形，将钢管混凝土顶面上所有节点的竖向位移耦合在一个关键点上，钢管混凝土柱的底面采用面上全约束方法模拟试验底部的固端。

材料参数见表1～表3，本文采用多线性等向强化模型模拟了两种材料在非线性过程中的受力情况[5，6]。

表1 混凝土强度标准值N/mm2

表2 混凝土弹性模量×104N/mm2

表3 钢管的材料特性

另外，钢管和混凝土之间粘结也是影响其承载力的因素之一，目前大多数研究者在分析钢管混凝土结构时都假定它们之间不存在滑移，抑或是在钢单元和混凝土之间加入滑移单元或间歇单元(Gap Element)来研究钢管混凝土结构，但结果表明考虑界面之间的粘结滑移性能对钢管混凝土结构的影响很小。因而，本文在管壁与混凝土间设立了接触单元，并假定钢管和混凝土之间完全粘结，不存在滑移。同时不考虑混凝土的收缩、徐变及破坏时钢管的局部屈曲对钢管混凝土结构的影响。

2 计算结果分析

对比作者在文献[7]中的试验数据，如表4所示，列出了有限元分析的最大极限承载力与试验实测的最大极限承载力及其相对误差，可以看出最大误差不超过12%，说明建立的模型是合理可行的，其中E40-A试件误差较大可能是由于试验材料本身的误差和离散性造成的。

表4 试件列表及其破坏荷载

混凝土强度对于配筋与无配筋钢管混凝土具有相似的影响，对于C30以下的钢管混凝土可有效提高其承载力，而对于C30以上的，则作用有限。钢管混凝土承载力高，主要是因为混凝土的横向变形被束缚，核心混凝土处于三向受压状态，从而大幅提升了其承载力。随着混凝土强度的提高，其变形能力随之下降。在钢管混凝土中采用高强混凝土时，核心混凝土在荷载的作用下，产生了纵向和横向的变形。由于高强混凝土的变形能力较弱，其横向变形相对较小，钢管无法有效约束其横向变形，因而其承载力提高有限。

配筋钢管混凝土的受力破坏过程与普通钢管混凝土相似但略有不同，在本文中，通过对比有限元分析结果与试验结果可以认定，两者破坏形态基本吻合，两者破坏过程也基本相同，有限元模型忠实反映了配筋钢管混凝土从加载到破坏的全过程，如图4所示。由于配筋钢管混凝土从加载到破坏的过程中，钢管始终密封，无法直接观察到配筋钢管混凝土内部破坏过程，因而必需要借助有限元软件进行分析。

在对比了试验结果与有限元分析结果后，确定了两者的一致性，并以配筋钢管混凝土试验为基础，配合非线性有限元分析结果，得出配筋钢管混凝土的破坏过程:与一般钢管混凝土类似，在配筋钢管混凝土的加载过程中，初始加载时，由于钢材泊松比大于混凝土的泊松比，钢管对混凝土不产生紧箍作用，纵向钢筋、钢管和混凝土共同承担竖向荷载，此时配筋钢管混凝土整体处于弹性阶段。随着荷载的加大，钢管对混凝土产生了紧箍力，混凝土与钢管的界面裂缝开裂和扩展就受到抑制，而箍筋也开始发挥其紧箍作用，但其作用范围仅限于核心混凝土。

随着荷载的进一步加大，钢管混凝土进入弹塑性阶段，微裂缝继续向内扩展，横向变形增大，纵向钢筋达到弹性极限状态，并逐渐开始侧向弯曲，方向与柱整体横向变形一致。随着变形的进一步增大，紧箍力对混凝土和纵筋的抑制作用仍然有效，裂缝的发展较缓慢，纵向钢管也进入了塑性工作状态，如图5所示，钢筋的应力基本相同。荷载进一步加大，当构件工作进入完全塑性阶段，钢管混凝土产生了贯通的裂缝，混凝土与纵向钢筋产生剥离。随着变形的进一步增大，贯通的裂缝逐渐增多，核心混凝土整体性完全被破坏，见图6，此时认为配筋钢管混凝土发生了破坏。