多工况载荷下钢管混凝土格构柱受力性能实测分析

戴永红 （南京金凌石化工程设计有限公司，江苏 南京 210042）

0 前 言

钢管混凝土是指在钢管内充填混凝土而形成的由钢管与核心混凝土协同承受外荷载作用的一种组合结构。钢管混凝土格构柱一般由圆钢管混凝土柱肢和空钢管或型钢缀件组成，截面一般设计成双轴对称或单轴对称。按柱肢数量可分为双肢柱、三肢柱、四肢柱和多肢柱。由于单肢钢管混凝土在荷载的偏心率或轴心受压构件的长细比较大时，单肢柱的钢管和混凝土难以达到有效组合，钢管难以发挥对核心混凝土的约束作用，致使钢管混凝土在轴压下所具有的诸多优势都难以体现。在这种情况下，采用由两肢或多肢钢管混凝土柱肢通过缀件（或缀条）连接而组成的格构柱就可以避免上述缺点。钢管混凝土格构柱因截面开展，所以惯性矩较大，能够有效地降低了构件的长细比，而且因柱肢分布在构件周围。当荷载或偏心率较大时，组成格构柱的柱肢以轴压为主，仍然可以有效发挥钢管混凝的诸多优势[2]。这种格构柱，目前在输电线塔、风力发电塔架、火车站站台柱、单层和多层工业厂房、大跨度拱桥中应用的比较多，将来有望在高层、超高层建筑的巨型框架结构中得到卓有成效的应用。除此之外，钢管混凝土柱因其独特的造型，可增加其美观性。目前，国内外对这种格构式钢管混凝土柱的极限承载力试验研究和理论研究工作开展的还比较少，在实体结构上做试验更是寥寥无几[3]。本文结合工程实例，对钢管混凝土格构柱在行车行走的不同工况下的钢管混凝土双肢柱的受力性能进行分析。

1 工程概况

合肥某集团公司重型机械装配车间厂房由42根钢管混凝土格构柱作为主体结构承重构件，格构柱上部为H型实腹式钢柱，下部为钢管混凝土双肢柱，钢管材质为Q235B级钢，核心混凝土强度等级为C40。钢管混凝土双肢柱沿纵向以12m间距等跨分布，横向两跨分布如图1所示。

图1 剖面图

2 钢管混凝土格构柱受力实测方案

根据工程设计AB跨上布置有双层吊车，BC跨上布置有2台单层吊车，本文选取具有代表性的中间一榀桁架的中柱下部双肢柱在吊车运行过程中受力情况作为研究对象。

2.1 行车行走多工况加载方案

根据中间钢管混凝土格构柱在吊车正常使用过程中竖向荷载作用下的受力情况，制定了8种工况下格构柱的受力监测方案，分别是：

①AB跨、BC跨吊车均在中间柱纵向左右两边跨之外；

②BC跨150/30t吊车处于中柱沿纵向左边跨且吊车第一个车轮正压在肩梁上；

③BC跨吊车按方案②的位置不动，AB跨100/20t吊车驶入中柱沿纵向左边跨且吊车第一个车轮正压在肩梁上，260/75t在中间柱纵向左右两边跨之外；

④BC跨吊车按方案②的位置不动，AB跨100/20t吊车按方案③的位置不动，AB跨260/75t桥式吊车驶入中柱沿纵向右边跨且吊车第一个车轮正压在肩梁上；

⑤BC跨吊车按方案②的位置不动，AB跨100/20t吊车驶离中间柱纵向左右两边跨，AB跨260/75t吊车按方案④的位置不动；

⑥AB跨吊车按方案④的位置不动，BC跨吊车驶离中间柱纵向左右两边跨；

⑦AB跨260/75t吊车按方案⑥的位置不动，100/20t吊车驶离中间柱纵向左右两边跨；

⑧AB跨260/75t吊车驶离中间柱纵向左右两边跨，AB跨100/20t吊车驶入中柱沿纵向左边跨且吊车第一个车轮正压在肩梁上。

其中方案⑥行车位置如图2所示。

图2 方案6行车位置

图3 钢管表面应变计布置图

2.2 测点布置及数据采集[4]

监测方案选择振弦式传感器监测钢管混凝土格构柱在吊车正常使用阶段的受力情况,选用的传感器为EJ-66型振弦式应变计，与传感器配套的数据采集设备为XP99型振弦频率仪和XD20X自动选点箱，监测中通过频率仪和选点箱将传感器采集到的信息传输到微机中。在每种工况作用下，通过自动采集各个工况的输出频率值，根据公式ε=K(Fi-F0)+B得到每个工况下钢管表面应变值，进而求出钢管竖向力。式中：ε 为应变；Fi实测频率；F0初始频率；K、B为监测仪器的频率系数，由仪器生产厂家给出。监测点布置及编号如图3,采集到的双肢柱柱脚监测点频率值如表1所示。

8种加载方案加载过程中的频率 表1

3 监测结果分析

3.1 柱肢钢管纵向受力分析

根据应变计算公式计算后得到各种监测方案下钢管竖向应变值和依据计算公式计算后得到各种监测方案下钢管竖向力，分别如表2、表3所示。

各种监测方案下钢管竖向应变（με） 表2

各种监测方案下钢管竖向力（kN） 表3

3.2 核心混凝土竖向受力分析

钢管混凝土格构柱柱脚所受竖向力与核心混凝土所受竖向力如表4、表5所示。

8种加载方案下钢管混凝土双肢柱柱脚所受的力（kN） 表4

8种加载方案下核心混凝土所受的力（kN） 表5

4 钢管混凝土格构柱受力数值模拟分析[5]

4.1 有限元模型建立与求解

4.1.1 单元类型的选取

钢管混凝土双肢柱钢管采用Q235B级钢，肩梁采用Q345级钢。因为钢材具有弹性和塑性的变形性能，所以对钢管混凝土格构柱的受力性能分析时，将钢管简化为理想的弹塑性体，即认为钢材在受力过程中将呈现弹性和塑性两个阶段，不考虑其强化阶段和二次流塑阶段。钢材采用各向同性的理想弹塑性材料双线性随动硬化模型(BKIN)作为模型本构关系，核心混凝土采用Von Mises多线性等向硬化模型（MISO）作为模型本构关系。力学参数为：Q235B钢管，弹性模量Es=1.92×105N/mm2、泊松比ν=0.3、钢材的强度设计值fy=215N/mm2。C40钢管核心混凝土：弹性模量Ec=3.25×104N/mm2、泊松比ν=0.2、轴心抗压强度标准值fck=26.8 N/mm2、极限压应变εcu=0.0033。在本文ANSYS模型中，用Solid45单元模拟钢管及缀条，用Solid65单元模拟混凝土。

4.1.2 单元模型的建立与边界条件施加

本文主要研究钢管混凝土格构柱柱脚在竖向多工况载荷作用下钢管和核心混凝土的应力分布问题，因此选择柱脚以上到第一段肩梁处的钢管混凝土格构柱作为有限元原型。在有限元建模时，将肩梁部分等效成刚度无限大的刚体，用一块厚为200mm、宽度等于钢管外径、两头为半圆形（半径为D/2）的钢板放在钢管混凝土格构柱顶部代替肩梁，通过钢板将荷载传至柱肢，Solid45单元模拟该钢板，柱肢与钢板连接处采用公用节点的处理方式。核心混凝土与钢管相交处处理采用三维面与面Contact174接触单元和Targetl70目标单元，混凝土作为目标面用Targetl70单元来模拟，钢管被当做接触面用Contact174单元来模拟，钢管与核心混凝土之间的摩擦系数取0.45。

本工程沿厂房横向两连跨（AB跨、BC跨）、沿纵向14排布置格构柱，而且纵向设有柱间支撑，因此纵向刚度很大，在有限元模型中，考虑到上述情况约束住肩梁Y方向位移。本次监测过程中，因未考虑吊车横向水平荷载，故在有限元模型中，对肩梁同时施加X方向的位移约束。钢管混凝土模型顶部截面上根据上部传递的荷载施加Z方向荷载，柱脚底部施加X、Y、Z方向的位移约束。

4.1.3 单元模型的求解

利用有限元软件ANSYS模型模拟出吊车对应的8种工况载荷下钢管表面应力云图，其中方案⑥应力云图如图4所示。

图4 方案⑥钢管应力云图

4.2 有限元模拟计算值与监测值对比分析

4.2.1 钢管监测值与有限元模拟计算值的比较

根据上文模拟计算得出的8种工况下钢管混凝土格构柱钢管应力云图和监测得到的柱脚钢管应力，进行对比分析，结果如图5、图6所示。

由图5、图6可以看出，ANSYS模拟值虽然大都小于理论计算值，但误差并不大，说明数值模拟过程中选取的单元和摩擦系数与实际情况比较吻合。

4.2.2 混凝土有限元模拟计算值与监测值之间的比较

根据监测结果得出的钢管应变计算出钢管纵向应力并求出钢管所分配的内力，进而求出核心混凝土所承担的竖向力。将计算出的混凝土竖向力与ANSYS模拟出的对应的8种组合模式下核心混凝所受的力进行比较，如图7、图8所示。

图5 钢管实测值与模拟值之比较（10694）

图6 钢管实测值与模拟值之比较（10864）

图7 核心混凝土应力理论值与模拟值之比较（10694）

图8 核心混凝土应力理论值与模拟值之比较（10864）

由图7、8可以看出，ANSYS模拟出的核心混凝土承担的竖向力值稍大于理论计算值，但整体趋势与理论计算结果比较吻合。

5 钢管与核心混凝土内力分配规律

根据监测到的钢管竖向力和按理论计算出的双肢柱柱肢钢管所受的竖向力，推出钢管混凝土核心混凝土承担的力，从而求得吊车8种工况载荷下钢管混凝土双肢柱柱脚核心混凝土与钢管的竖向力分配比，如图9所示。

图9 核心混凝土与钢管竖向力分配比

从图9可以看出，在不同的竖向荷载作用下，钢管混凝双肢柱各柱肢核心混凝土与钢管分担的竖向力比值基本在4.5～5之间。

6 结 论

通过上述对钢管混凝土格构柱的受力监测和非线性有限元数值模拟分析，得出以下基本结论。

①有限元软件ANSYS对钢管混凝土双肢柱进行非线性数值模拟时，钢管、肩梁和缀条单元选用Solid45，核心混凝土单元选用Solid65，核心混凝土与钢管接触面上的混凝土用Targel70目标单元来模拟，钢管接触面用Contact174单元来模拟，选用的钢材BKIN和混凝土MISO本构关系都是可行的，这为类似工程的数值模拟计算提供参考。

②就本工程而言，在竖向荷载不同的组合作用下，钢管混凝双肢柱各柱肢核心混凝土与钢管分担的竖向力比值基本在4.5～5之间。

③从8种吊车工况载荷下钢管混凝土双肢柱钢管的模型应力云图可以看出，缀条与钢管连接处的节点是个比较敏感的部位，表明缀条的设置影响到双肢柱整体的传力性能。

[1]韩林海,杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2]钟善桐.钢管混凝土结构(第3版)[M].北京:清华大学出版社,2003.

[3]钟善桐.钢管混凝土统一理论研究与应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

[4]陈宝春,欧智菁.四肢钢管混凝土格构柱极限承载力试验研究[J].建筑结构,2001（8）.

[5]廖彦波.钢管混凝土格构柱轴压性能的试验研究与分析[D].北京:清华大学,2009.