往复荷载下圆钢管混凝土柱的参数分析

段文峰 刘文渊 黄伟东 冷 捷

(1:吉林建筑工程学院土木工程学院，长春 130118;2:解放军理工大学工程兵工程学院，南京 210007;3:中国石油管道公司管道工程第二项目部，廊坊 065001)

0 引言

随着钢管混凝土理论的不断完善，钢管混凝土结构得到了广泛的应用.但对基本构件研究，还都停留于早期采用的实验与自编程相结合的方法的研究，这种研究方法很难实现对复杂结构体系的研究［1－4］.因此，采用通用有限元软件来实现对基本构件的研究，将有助对结构体系的分析，大大提高科研效率.因而，采用ANSYS软件进行柱构件的建模分析，这将为以后应用该软件进行结构整体分析提供有力依据(文献［8］中提及采用ANSYS进行钢管混凝土柱性能研究的可行性).本文将着力于对影响钢管混凝土柱抗震性能的因素进行分析，其中，轴压比、含钢率、长细比及混凝土强度对其抗震性能的影响较显著［1－5］.本文将就这些因素进行分析比较，得出相关结论.

1 模型建立

钢管采用块体Solid 45单元，核心混凝土采用Solid 65单元.混凝土和钢管之间不考虑相对滑移［6－7］.混凝土材料采用核心区本构关系［1］，混凝土单元Solid 65的破坏面为改进的William Warnke五参数破坏曲面;钢材采用双线性随动强化模型(BKIN)，假定总应力范围等于屈服应力的2倍，已包含包辛格效应［1］.后期刚度Et选用0.01 E.加载时先施加体荷载(桥墩自重)和轴力P，保持P的大小和方向不变，再施加反复水平位移荷载.非线性求解时，关掉混凝土的压碎选项;将每一个荷载步的荷载通过一系列的荷载子步逐步施加，并多次调整荷载子步数进行试算;采用力范数为基础的收敛准则.构件开裂阶段和破坏阶段，设置5%的收敛容差，以利于计算收敛［8］.

为研究圆钢管混凝土柱不同轴压比、含钢率、长细比及混凝土强度对其抗震性能的影响，现设计以下几组钢管混凝土构件模型进行ANSYS分析.以ygg 1为基本试件，在此基础上变化轴压比n、含钢率α、长细比λ、钢材屈服强度fy及混凝土强度等级，各试件设计参数如表1所示.

表1 圆钢管混凝土桥墩各试件参数

图1 滞回性能曲线

对表1中提及的15个构件进行ANSYS分析，采用位移加载，分别按0.5%，－0.5%，1%，－1%，1.5%，－1.5%，2%，－2%，2.5%，－2.5%进行加载，分析得出如图1所示的P－Δ滞回曲线.

2 影响因素分析

现将以上提及的15个构件按照轴压比、含钢率、长细比及混凝土强度进行分类，然后作对比分析.在研究柱抗震性能时常用的一个参数是构件的延性比.柱延性比可定义为柱极限位移与屈服位移的比值.结构屈服位移由屈服荷载与初始刚度的比值确定;极限位移选取承载力下降到屈服荷载85%时对应的位移，具体确定方法如图2所示［2］.

2.1 轴压比的影响

在研究轴压比对圆钢管混凝土柱抗震性能影响时，保证含钢率、长细比、钢材屈服强度及内填混凝土强度相同，变化轴压比分别为n=0.3，n=0.5，n=0.7.将不同轴压力作用下P－Δ滞回曲线的骨架曲线对比，如图3所示.根据P－Δ骨架曲线，由上述提及的方法确定屈服位移Δy、极限位移Δu、屈服荷载fy(屈服荷载取为P－Δ滞回曲线的骨架曲线上荷载的最大点)，按照钢管混凝土构件延性系数概念确定钢管混凝土桥墩延性系数μ，各系数如表2所示.

表2 不同轴压比下钢管混凝土桥墩延性对比

由图3知，圆钢管混凝土柱弹性阶段刚度随轴压比的增大有所降低，且低轴压比时刚度变化差异较小，高轴压比时差异显著;轴压比较小时，刚度衰减平缓，轴压比较大时，刚度衰减显著.由表2可知，随着轴压比的增加桥墩的屈服位移、屈服荷载均有所降低，柱的延性水平显著降低.若能将轴压比限值控制在合适的范围内，则结构能够发挥很好的延性耗能作用.

2.2 含钢率的影响

在研究含钢率对圆钢管混凝土柱抗震性能影响时，保证轴压比、长细比、钢材屈服强度及内填混凝土强度相同，变化含钢率分别为α=0.046，α=0.056，α=0.075，α=0.095.将不同含钢率下P－Δ滞回曲线的骨架曲线对比如图4所示.并确定屈服位移Δy、极限位移Δu、屈服荷载fy、延性系数μ如表3所示.

图2 延性系数确定示意图

图3 不同轴压比骨架曲线

图4 不同含钢率骨架曲线

从图4可看出，随含钢率的提高，圆钢管混凝土柱屈服前刚度和水平承载力都有所提高;含钢率对刚度衰减几乎没有影响.表3则说明，含钢率对桥墩的屈服位移、极限位移影响较大，且随含钢率的提高而增加;含钢率对桥墩延性影响很小，可忽略其影响.

表3 不同含钢率下钢管混凝土桥墩延性对比

2.3 长细比的影响

在研究长细比对圆钢管混凝土桥墩抗震性能影响时，保证轴压比、含钢率、钢材屈服强度及内填混凝土强度相同，变化轴压比分别为λ=40，λ=53.3，λ=66.7，λ=80.将不同长细比下P－Δ滞回曲线的骨架曲线对比如图5所示.并确定屈服位移Δy、极限位移Δu、屈服荷载fy、延性系数μ如表4所示.

由图5可知，随长细比的增加柱的屈服前刚度、水平承载能力显著降低;下降段刚度衰减趋势差异较大，随长细比的增大下降幅度显著趋缓.表4则说明，长细比对柱的屈服位移、极限位移影响较大，且随长细比的增加而加大;柱的延性水平随长细比的增加明显降低.

图5 不同长细比骨架曲线图

图6 不同钢材屈服强度骨架曲线

图7 不同内填混凝土强度骨架曲线

表4 不同长细比下钢管混凝土桥墩延性对比

2.4 钢材屈服强度的影响

在研究钢材屈服强度对圆钢管混凝土桥墩抗震性能影响时，保证轴压比、含钢率、长细比及内填混凝土强度相同，变化钢材屈服强度分别为fy=235，fy=345，fy=390.将不同钢材屈服强度下P－Δ滞回曲线的骨架曲线对比如图6所示.并确定屈服位移Δy、极限位移Δu、屈服荷载fy、延性系数μ.

由图6可知，钢材屈服强度的提高对柱的屈服前刚度及屈服后刚度衰减基本没有影响，可认为钢材屈服强度对P－Δ骨架曲线的形状影响不大.表4则说明，钢材屈服强度低的柱首先屈服，极限位移也较小，水平承载能力也较低，钢材屈服强度对P－Δ骨架曲线的数值影响较大;柱的延性随钢材屈服强度的增加而逐渐降低.

2.5 混凝土强度的影响

在研究内填混凝土强度对圆钢管混凝土桥墩抗震性能影响时，保证轴压比、含钢率、长细比及钢材屈服强度相同，变化内填混凝土强度分别为C 30，C 40，C 50.将不同内填混凝土强度下P－Δ滞回曲线的骨架曲线对比如图7所示.并确定屈服位移Δy、极限位移Δu、屈服荷载fy、延性系数μ.

由图7可知，内填混凝土强度的增加柱的刚度略有增加，内填混凝土强度对屈服后刚度衰减有一定影响，随内填混凝土强度的增大下降幅度逐渐增加.经比较说明，水平承载能力、屈服位移、极限位移随混凝土强度的增加有一定的提高;柱的延性随内填混凝土强度的增加而略有降低.

3 结论

通过对不同轴压比、含钢率、长细比及混凝土强度的钢管混凝土柱的分析，可得到以下结论:

(1)轴压比小于0.5时柱刚度衰减较小，大于0.5时衰减显著;随着轴压比的增加柱的屈服位移、屈服荷载均有所降低，柱的延性水平显著降低;

(2)随含钢率的提高，柱的刚度和水平承载力都有所提高;含钢率对桥墩的屈服位移、极限位移影响较大，且随含钢率的提高而增加;但含钢率对柱延性影响确很小可以忽略;

(3)随长细比的增加柱的刚度、水平承载能力显著降低;长细比对桥墩的屈服位移、极限位移影响较大，且随长细比的增加而加大;柱的延性水平随长细比的增加明显降低;

(4)钢材屈服强度的提高对柱的刚度衰减基本没有影响;钢材屈服强度低的水平承载能力也较低，极限位移也较小;桥墩的延性随钢材屈服强度的增加而逐渐降低;

(5)内填混凝土强度的增加桥墩的弹性阶段刚度略有增加，内填混凝土强度对后期刚度衰减有一定影响，随内填混凝土强度的增大下降幅度逐渐增加;水平承载能力、屈服位移、极限位移随混凝土强度的增加有一定的提高;桥墩的延性随内填混凝土强度的增加而略有降低.

［1］钟善桐.钢管混凝土结构(第三版)［M］.北京:清华大学出版社，2003:188－193.

［2］韩林海.钢管混凝土结构－理论与实践［M］.北京:科学出版社，2007:441－506.

［3］韩林海，陶 忠，阎维波.圆钢管混凝土压弯构架荷载－位移滞回性能分析［J］.地震工程与工程振动，2001，21(1):64－73.

［4］黄 宏，杨 超，张安哥，尧国皇.圆钢管混凝土不等偏压柱的有限元计算［J］.华东交通大学学报，2009，26(6):11－15.

［5］韩林海，杨有福，游经团，黄 宏.圆钢管混凝土压弯构件滞回性能的试验研究与理论分析［J］.中国公路学报，2004，17(3):51－56.

［6］Hassan M，Sherif E T.Inelastic Dynamic Behavior of Hybrid Coupled Walls［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，2004，130(2):285 －296.

［7］许月华.钢管混凝土压弯构件滞回性能分析［D］.大连:大连交通大学，2005.

［8］刘文渊，冷 捷，段文峰.往复荷载下圆钢管混凝土柱的数值模拟［J］.吉林建筑工程学院学报，2012，29(1):1－4.