方中空夹层钢管混凝土横向局压性能研究

杨有福　孟春媛

摘要：为研究方中空夹层钢管混凝土的横向局压性能，利用ABAQUS软件建立了非线性有限元分析模型，同时以压杆与试件外边长比和空心率为参数，进行了6个试件的试验研究，分析比较了试件破坏形态、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线和承载力模拟结果与试验结果的差异及其产生的原因。结果表明：横向局压荷载作用下方中空夹层钢管混凝土具有较好的力学性能；有限元模拟得到的方中空夹层钢管混凝土横向局压性能总体上与试验结果吻合良好。

关键词：方中空夹层钢管混凝土；横向局压；试验研究；有限元分析

中图分类号：TU375 文献标志码：A

0引 言

中空夹层钢管混凝土（Concrete-filled Double-skin Steel Tube， CFDST）是一种在普通钢管混凝土的基础上发展而来的新型组合结构，它由同心放置的内、外钢管及它们之间的夹层混凝土组成。中空夹层钢管混凝土在秉承钢管混凝土承载力高、塑性韧性好、施工方便及抗火和抗腐蚀性能较好等优点的同时，又具有其独特的优势，如截面开展、抗弯刚度大、自重轻和抗火性能更好等[1]。因此，中空夹层钢管混凝土可用作桥墩、海洋平台结构的支架柱、建筑物的大直径柱和其他高耸构筑物等[1]，同时中空的特点又使其在桁架和空间结构中有应用的潜力[2-3]。当中空夹层钢管混凝土用作桁架和空间结构的弦杆时，其由于承受腹杆传来的压荷载而处于横向局压状态。中空夹层钢管混凝土的横向局压性能将直接决定桁架和空间结构节点的性能，甚至影响整体结构的安全。

自20世纪90年代以来，美、日、澳和中国学者先后对中空夹层钢管混凝土的力学性能进行了一系列试验研究和理论分析。黄宏[4]全面汇总了各国2006年以前公开发表的中空夹层钢管混凝土受力性能试验成果，并利用纤维模型法和有限元方法对中空夹层钢管混凝土压弯构件的静力、动力性能进行了理论分析，提出了力学指标的简化计算方法。此外，Lu等[5-6]对中空夹层钢管混凝土柱的耐火性能进行了理论分析，并提出了耐火极限的简化计算方法。Huang等[7]进行了圆套圆和方套圆中空夹层钢管混凝土在纯扭荷载下的试验研究，并利用有限元方法分析了试件的破坏模式和扭矩-转角全过程曲线以及内、外钢管和混凝土之间的相互作用机理。Pagoulatou等[8]建立了圆中空夹层钢管混凝土柱在轴压荷载作用下的有限元模型，并提出了承载力简化计算公式。目前，对中空夹层钢管混凝土横向局压性能的研究未见报道，仅有加拿大[9]、香港[10]和本课题组[11-12]对传统钢管混凝土在横向局压荷载作用下的力学性能进行了试验研究和理论分析，并建议了承载力简化计算公式。

本文基于有限元软件ABAQUS建立方中空夹层钢管混凝土横向局压性能的理论分析模型，并以压杆与试件外边长比和空心率为主要参数进行横向局压荷载作用下方中空夹层钢管混凝土的试验研究。将通过模拟得到的试件破坏形态、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线及承载力与试验结果进行比较，验证非线性有限元模型的有效性。

1有限元模型

采用大型通用有限元软件ABAQUS[13]的通用分析模块，对方中空夹层钢管混凝土的横向局压力学性能进行模拟。

1.1材料本构

对于钢材，采用ABAQUS/Standard模块中的塑性模型，在多轴应力状态下满足Mises屈服准则和各项同性的硬化准则，并服从相关流动法则。钢材真实应力-塑性应变关系由名义应力-名义应变关系换算得到[13]。试件由钢管冷弯制成（图1），图1中，r为弯角内半径，其单轴名义应力-名义应变（σ-ε）采用文献[14]中建议的模型，并考虑弯角效应的影响。

钢压杆按弹性材料选取，其弹性模量为2.06×105 MPa，泊松比为0.3。

对于混凝土，采用ABAQUS中的塑性损伤模型，其单轴应力-应变（σ′-ε′）曲线采用文献[15]中建议的模型，具体如下

σ′f′c=2x-x2 x≤1

xω（x-1）η+x x>1

（2）

其中

x=ε′/ε0

ε0=（1 300+12.5f′c+800ξ0.2）×10-6

ω=（f′c）0.1/（31+ξ）

η=1.6+1.5/x

式中：f′c为混凝土圆柱体抗压强度；ξ为约束效应系数[4]；ε0为峰值应变。

1.2单元类型和网格划分

采用四节点线性减缩积分壳单元（S4R）模拟内、外方钢管，在壳单元厚度方向采用9个积分点的Simpson积分。采用八节点线性减缩积分格式三维实体单元（C3D8R）模拟夹层混凝土和压杆。同时，在长度方向对试件中部2倍压杆外边长范围内的网格局部进行加密，并使各接触界面单元节点重合以保证收敛速度，单元划分与边界条件见图2。

1.3接触定义

与普通钢管混凝土类似[15]，假定内、外方钢管与夹层混凝土之间界面及压杆与外钢管之间界面的接触由法向硬接触和切向粘结滑移组成，即法向接触压力能够完全在界面之间传递，当接触压力为负值或0时，接触面之间无相互作用；切向粘结滑移采用库仑摩擦模型[13]，钢管与混凝土及压杆与钢管之间的界面摩擦因数分别取为0.6和0.3。

1.4边界条件

本文横向局压荷载作用下方中空夹层钢管混凝土有限元模型的边界条件如图2所示，约束压杆上表面x，z方向的位移和构件下表面y方向的位移以及下表面纵向中线x方向的位移和横向中线z方向的位移。

在有限元模拟时采用位移控制加载，即在压杆顶部分步施加竖向位移Δv。同时，采用牛顿迭代算法获得横向局压荷载作用下方中空夹层钢管混凝土的力学响应。

2试验概况

本文共设计了6个横向局压荷载作用下方中空夹层钢管混凝土试件，主要参数为压杆与试件外边长比β（β=b/bo，b，bo分别为压杆和试件的截面外边长）和空心率χ[4]，试件参数见表1，其中，bi为内钢管外边长，Nue，Nuc分别为试件承载力试验值和有限元计算值。