轴心受压方钢管-钢骨高强混凝土组合柱力学性能研究

宋福春，赵 洁

(沈阳建筑大学交通工程学院 沈阳市 110168)

轴心受压方钢管-钢骨高强混凝土组合柱力学性能研究

宋福春，赵 洁

(沈阳建筑大学交通工程学院 沈阳市 110168)

通过对不同形式的方钢管-钢骨高强混凝土组合柱的轴压力学性能进行有限元分析。研究了混凝土强度、钢管强度、钢骨强度、含骨率、宽厚比等因素对方钢管-钢骨高强混凝土组合柱受力性能的影响。有限元分析结果表明，方钢管、混凝土和钢骨之间良好的共同工作性能使方钢管-钢骨高强混凝土组合柱具有较高的承载力。提高混凝土的强度可以有效地提高方钢管-钢骨高强混凝土组合柱的承载力，但会使其延性下降。其中方钢管的强度和含骨率是影响方钢管-钢骨高强混凝土组合柱承载力的主要因素,同时宽厚比对方钢管-钢骨高强混凝土组合柱的延性有较大的影响。

方钢管-钢骨高强混凝土组合柱；有限元分析；含骨率；宽厚比

方钢管-钢骨高强混凝土组合柱，即在空钢管中插入钢骨，然后向钢管中浇筑高强混凝土而成的组合柱[1]。方钢管-钢骨高强混凝土组合柱由于钢管、钢骨和混凝土三者良好的协同工作性能大大地提高了柱的承载力、耐火性能以及延性。方钢管-钢骨高强混凝土组合柱具有承载力高、受弯及抗震性能好等优点，广泛地运用于现代的大跨、高耸、桥梁等结构，同时方钢管-钢骨高强混凝土组合柱截面尺寸小，大大增加了建筑物的使用空间。在承载力不降低的情况下，提高了建筑物使用的经济性，因此方钢管-钢骨高强混凝土组合柱具有广泛的工程应用前景。本文通过设计四组不同形式的方钢管-钢骨高强混凝土组合柱,通过变化混凝土强度等级、钢材的强度指标、含骨率、宽厚比等相关参数研究了方钢管-钢骨高强混凝土组合柱的共同工作的机理和组合柱的承载力，并且讨论了不同因素对于方钢管-钢骨高强混凝凝土组合柱极限承载力的影响程度的大小，并给出提高组合柱承载力相关的建议。

1 有限元分析

1.1 试件设计

本文一共设计16个不同形式的试件，为了便于研究混凝土强度等级、方钢管的强度、钢骨的强度、含骨率、宽厚比对于方钢管-钢骨高强混凝土组合柱的承载力的不同影响，将16个试件分成4个对照组，具体试件截面形式、试件编号和参数情况见图1和表1。

1.2 材料本构关系模型

本文混凝土材料模型采用混凝土塑形损伤模型，ABAQUS中对混凝土的塑形损伤模型的定义包括混凝土受压和受拉两方面。其中定义受拉软化的方法有两种，使用核心混凝土受拉的应力-应变关系和ABAQUS中的GFI来定义(利用混凝土受拉时产生裂缝所需要的能量即断裂能来衡量核心混凝土受拉)。本文对内部核心混凝土受拉损伤的定义使用了第二种方法,用断裂能Gf和破坏应力σp来模拟混凝土的受拉破坏。其中断裂能Gf和破坏应力σp采用下列公式取值：

表1 试件参数

注：上表的尺寸单位均为mm,B为试件截面的宽度；H为试件截面的高度；L为试件的长度；b为工字钢上、下翼缘的宽度；h为工字钢的高度；t0为钢管的厚度；t1为型钢厚度；fty为方钢管的屈服强度值；fsy为型钢屈服强度值；fcu为混凝土立方体抗压强度标准值；As为型钢的面积；Ac为核心混凝土的面积；At为钢管的面积；ρ为含骨率，且ρ=As/Ac；B/t0为试件的宽厚比；ξ为套箍系数，ξ=fty.At/fc.Ac,且fc=0.67fcu

Gf=α(0.1fc)0.7

(1)

(2)

1.3 单元划分、接触类型及加载边界条件

核心混凝土和刚性垫块均采用C3D8R单元来划分网格，而外部的方钢管和内置的工字钢由于厚度相对很小，类似壳体，所以采用4节点壳单元S4来划分网格。方钢管和混凝土接触类型采用库伦摩擦模型，切向定义为摩擦接触，法向定义为硬接触。摩擦系数选取0.5。型钢与核心混凝土之间的接触采用Embedded region,同时为了防止试件产生局压破坏，采用常用的处理方法在柱顶和柱底分别加一块刚度很大的刚性垫块。核心混凝土与垫块建立Tie约束，方钢管、内置工字钢和垫块建立shell-to-solid coupling约束。柱顶的边界条件为U1=U2=0,柱底边界条件为U1=U2=U3=0。为了使模型更加容易收敛，故本文采用位移加载方式。图2给出了组合柱的加载方式和边界条件。

2 有限元计算结果及分析

从开始加载伴随着荷载的不断加大，方钢管-钢骨高强混凝土组合柱主要经历了三个阶段。第一段是弹性阶段，这一阶段的主要特征就是轴向荷载-纵向应变关系曲线(N-ε曲线)基本成线性走势。但由于钢管对于核心混凝土的约束和内置型钢对于方钢管-钢骨高强混凝土组合柱的承载力贡献作用的缘故，使得方钢管-钢骨高强混凝土组合柱的弹性阶段长于普通钢筋混凝土柱。第二个阶段是弹塑性阶段，伴随着外钢管、内置型钢的屈服，混凝土所受的荷载加大并且混凝土内部出现一些裂缝，造成方钢管-钢骨高强混凝土组合柱的刚度下降，表现为N-ε曲线出现拐点，此时方钢管-钢骨高强混凝土组合柱进入了弹塑性阶段。第三个阶段是破坏阶段，随着荷载进一步加大，外部方钢管发生了局部屈曲和内置型钢发生屈曲。核心混凝土中部被压坏并产生了灯笼状鼓曲破坏，方钢管-钢骨高强混凝土组合柱最终发生破坏。

方钢管-钢骨高强混凝土组合柱最终的破坏形态总体可以归纳为：大约在柱长1/2处的四个侧面产生了局部鼓曲，使外部方钢管丧失了对核心混凝土的约束作用，同时内置的型钢也在中部产生了很大的局部屈曲，导致丧失稳定继而发生破坏。最终核心混凝土被压碎呈现鼓曲破坏，导致方钢管-钢骨高强混凝土组合柱试件最终发生破坏。图3～图6给出了方钢管-钢骨高强混凝土组合柱整体典型破坏形态以及钢管、混凝土、钢骨的典型破坏形态。

3 组合柱承载力影响因素分析

4 结论

通过对12个方钢管-钢骨高强混凝土组合柱的轴压有限元分析与研究，主要得出如下结论，同时给出几点相关建议。

(1)方钢管-钢骨高强混凝土组合柱具有良好的协同工作性能，同时该种组合柱具有较高的承载力和延性。

(2)由于混凝土的强度等级对于承载力和延性的双重影响，因此工程中在选择混凝土时要兼顾承载力和延性的这二个因素，合理地选取混凝土的强度等级。

(3)方钢管的强度和含骨率对于方钢管-钢骨高强混凝土组合柱的承载力和延性的影响因素较大，因此建议采用强度较高(例如Q345型号钢材)的钢材来制作钢管，同时在有条件情况下可以适当加大含骨率来改善方钢管-钢骨高强混凝土组合柱的受力性能。

(4)宽厚比对于方钢管-钢骨高强混凝土组合柱的延性影响较大，所以要限制宽厚比来保证方钢管-钢骨高强混凝土组合柱具有一定的延性。

[1] 徐亚丰,姜桂兰,向常艳,等.轴心受压下钢管-钢骨混凝土组合短柱承载力研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2005,21(6):640-643.

[2] 韩林海. 钢管混凝土结构理论与实践[M]. 北京：科学出版社, 2004.

[3] 江见鲸,陆新征, 叶列平. 混凝土结构有限元[M]. 北京：清华大学出版社, 2005.

[4] 朱美春. 钢骨-方钢管自密实高强混凝土柱力学性能研究[D]. 大连：大连理工大学, 2005.

[5] 赵同峰, 王连广. 方钢管钢骨高强混凝土轴压短柱承载力分析[J].东北大学学报，2008，29(10)：1401-1403.

[6] 肖阿林.钢骨-钢管高性能混凝土轴压组合柱受力性能与设计方法研究[D].长沙：湖南大学,2009.

[7] 赵同峰，王连广，赵爽.方钢管钢骨高强混凝土轴压短柱承载力分析[J]. 东北大学学报，2008，29(10):1502-1504.

Study on Bearing Capacity of Steel Tubular Columns Filled with Steel-Reinforced High Strength Concrete under Axial Compression

SONGFu-chun,ZHAOJie

(School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168,China)

According to the different forms of square steel tube filled with steel reinforced high strength concrete composite columns under axial compression mechanical properties of finite element analysis. Study on the concrete strength, steel strength, the strength of steel bone, steel bone ratio and flakiness ratio than the other steel tube - mechanical performance of steel reinforced high strength concrete composite column. The finite element analysis results show that concrete and steel square tube, good working performance of the square steel tube filled with steel reinforced high strength concrete composite column has higher bearing capacity. Enhance the strength of the concrete can improve the square steel tube filled with steel reinforced high strength concrete effectively the bearing capacity of composite columns but the ductility decreased. The strength and reinforced index square steel pipe is the main factor affecting the square steel tube filled with steel reinforced high strength concrete composite column's bearing capacity, at the same time generous have larger effects than other steel tube steel high strength concrete composite columns ductility.

Square steel tube filled with steel reinforced high strength concrete column; Finite element analysis; Reinforced index; Flakiness ratio

1673-6052(2016)11-0004-05

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.11.002

U441

A