空间钢构架—钢管混凝土柱受力性能有限元分析

贾　欢，唐兴荣，李伟强

(苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室, 江苏苏州215011)



空间钢构架
—钢管混凝土柱受力性能有限元分析

贾欢，唐兴荣，李伟强

(苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室, 江苏苏州215011)

摘要：在空间钢构架混凝土柱中埋钢管形成空间钢构架—钢管混凝土柱。为了探索空间钢构架—钢管混凝土柱的受力性能，采用ABAQUS有限元分析软件, 建立了空间钢构架—钢管混凝土柱受力性能的非线性有限元分析模型，分析了轴压比、内埋钢管混凝土的套箍指标、外部空间钢构架的角钢肢长、缀条间距、缀条宽度等参数对空间钢构架—钢管混凝土柱受力性能的影响。分析表明：空间钢构架—钢管混凝土柱有很好的延性和较高的承载力，轴压比、外部空间钢构架混凝土的套箍系数和内埋钢管混凝土的套箍指标是影响组合柱延性和承载力的主要因素，轴压比减小、空间钢构架混凝土套箍系数增大和钢管混凝土套箍指标减小都有利于试件承载力的提高。这些结论为空间钢构架—钢管混凝土柱的工程应用提供了技术依据。

关键词：空间钢构架混凝土；钢管混凝土；组合柱；有限元分析；受力性能

0引言

目前国内外对钢骨混凝土柱和空间钢构架—钢管混凝土柱的研究[1-6]较为全面，得到了一些有益的结论，为在实际工程应用提供了技术依据，但其结构形式都存在着一些不足。为此，利用空间钢构架对核心混凝土的约束作用，在空间钢构架混凝土柱中内埋钢管形成空间钢构架—钢管混凝土柱，这是一种新型的组合柱形式，其截面形式由核心钢管混凝土和钢管外空间钢构架混凝土两部分组成(图1)。空间钢构架—钢管混凝土柱兼有空间钢构架约束混凝土和钢管约束混凝土的双重约束特征，具有明显的优势，但目前开展的试验研究和理论分析还很少[7-8]，尚需要对其开展全面的试验研究和理论分析。为此，本课题组进行了6个空间钢构架—钢管混凝土柱在低周往复荷载作用下抗震性能试验研究，并采用ABAQUS有限元软件对影响空间钢构架—钢管混凝土柱延性和承载力的主要因素进行了模拟分析，本文主要介绍影响空间钢构架—钢管混凝土柱受力性能主要因素的模拟分析结果，为空间钢构架—钢管混凝土柱的工程应用提供依据，并为后续的试验研究提供参考。

图1空间钢构架—钢管混凝土柱截面形式

Fig.1Section forms of spatial steel frame concrete filled steel tube column

1空间钢构架—钢管混凝土柱有限元模型的建立

这里以文献[7]中的试件R3-0.6为例(图2)，说明空间钢构架—钢管混凝土柱有限元非线性模型的建立过程。

1.1材料本构关系

利用ABAQUS进行有限元模拟时，混凝土采用混凝土损伤塑性(Concrete damaged plasticity)模型[9-10]，并考虑钢管、空间钢构架对混凝土的约束作用，膨胀角ψ=38°，黏性系数μ=0.005。

图2　试件R3-0.6尺寸和配筋

1.1.1核心区约束混凝土本构模型

考虑钢管对核心区混凝土的约束作用，核心区约束混凝土的应力—应变(σ-ε)关系取钢管约束混凝土本构模型[11]，即：

当ε≤ε0时，

y=2x-x2，

(1)

当ε≻ε0时，

(2)

(3)

ε0=εcc+800×ξ0.2×10-6，

(4)

(5)

(6)

(7)

1.1.2空间钢构架约束混凝土本构模型

已有的试验[12-14]研究表明，空间钢构架对核心内有效约束区的混凝土具有约束作用,可提高混凝土强度和变形能力。因此，在分析时还应考虑空间钢构架对钢管与空间钢构架之间混凝土的约束作用。空间钢构架约束混凝土本构关系如下[12]：

(8)

①空间钢构架约束混凝土的峰值应力σcc为：

(9)

②空间钢构架约束混凝土的峰值应力对应的应变εcc为：

(10)

③横向缀条的有效约束应力为：

(11)

(12)

(13)

1.1.3钢材本构模型

图3　钢材的应力—应变曲线Fig.3　Stress-strain curve of steel

钢材的本构关系采用强化的二折线模型(图3)，泊松比νs为0.3。

1.2模型建立

1.2.1单元选取

混凝土采用8节点线性缩减积分式单元(C3D8R)；钢材部分，由于钢管、角钢、缀条的长度远大于它的厚度，且可忽略沿厚度方向的应力，因此钢管、角钢、缀条采用壳单元(S4)，并且壳单元厚度方向采用9积分点的Simpson积分，从而达到必要的精度；钢筋部分采用2节点桁架单元(T3D2)。

1.2.2定义装配件

混凝土部分，将柱子角钢约束混凝土(钢管和角钢之间的混凝土)和底座混凝土合并(merge)成一个整体。钢材部分，将柱身角钢和箍筋合并成一个整体；底座纵筋和箍筋合并成一个整体，并将其定义为truss桁架单元(T3D2)。最后将各个部件按照实际位置进行安装(图4)。

(a) 空间钢构架(b) 钢管(c) 核心混凝土(d) 钢管外混凝土

图4试件R3-0.6各部分模块

Fig.4Modules of R3-06 specimens

1.2.3定义分析步

建立两个分析步：在Step1中施加柱顶的集中力；在Step2中施加位于柱端侧面的位移。

1.2.4定义边界条件和荷载

边界条件：底座采用固结，柱顶段采用铰接。

荷载：为防止应力集中，水平力(位移加载)和竖向力的加载点与所在的面采用耦合来考虑对应的相互作用。

1.2.5定义相互作用

混凝土部分，将核心区约束混凝土和空间钢构架约束混凝土绑定在一起。

钢材部分，将钢管、空间钢构架和底座钢筋笼内置于整个模型中。

模拟中不考虑各种材料之间的相对滑移，各接触面上只有力的传递，而没有相对位移。

2空间钢构架—钢管混凝土柱有限元模型验证

为了验证上述空间钢构架—钢管混凝土柱有限元分析模型的准确性，以文献[7]中的5个试件为分析对象。各试件混凝土强度等级C60.1，轴心抗压强度fc=38.4 MPa；内埋钢管实测屈服强度292.0 MPa，弹性模量Ea=2.06×105MPa；空间钢构架角钢实测屈服强度342 MPa(L50×3),238 MPa(L40×3),335 MPa(L30×3)，其弹性模量Es分别为1.94×105MPa,2.01×105MPa,2.1×105MPa；空间钢构架缀条(箍筋)实测屈服强度382.0 MPa、弹性模量2.11×105MPa，其余参数详见文献[7]。

图5给出了各试件的荷载—位移(P-δ)骨架曲线比较。由图5可见：有限元模拟所得骨架曲线与试验值比较吻合，各试件的水平峰值荷载的平均比值为0.95，对应位移的平均比值为0.73。由于有限元模型的理想均质性，以及试件制作和试验过程中不可避免的差异性，所以两者误差处于可以接受范围内，表明该模型可以较好地模拟空间钢构架—钢管混凝土柱的受力过程。

(a) 试件R3-0.6

(b) 试件R4-0.6

(c) 试件R5-0.8

(d) 试件R5-0.6

(e) 试件R5-0.4

3影响空间钢构架—钢管混凝土柱受力性能的综合因素分析

为了进一步研究各参数对空间钢构架—钢管混凝土柱受力性能的影响，采用上述建立的有限元非线性分析模型对本课题组进行的6个试件(试件SRCSZ1～试件SRCSZ6)和另外14个试件(试件SRCSZ7～试件SRCSZ20)进行模拟分析。各试件的混凝土强度等级均为C30，内埋方形钢管、空间钢构架的弦杆(角钢)和缀条采用Q235。试件SRCSZ2内埋方形钢管的外径D×壁厚ts为150 mm×4 mm，外侧空间钢构架的弦杆(角钢)为L50×4，缀条宽度d×厚度t为26 mm×3 mm，其间距s为100 mm，试件的几何尺寸和配筋详见图6。

①试件SRCSZ5、SRCSZ2、SRCSZ6的轴压比n分别为0.3、0.5和0.7，其余条件均相同；

②试件SRCSZ3、SRCSZ2、SRCSZ4角钢的厚度均为4 mm，肢长分别为40 mm,50 mm和63 mm，其余条件均相同；

③试件SRCSZ7、SRCSZ8、SRCSZ2、SRCSZ9、SRCSZ10缀条间距s分别为50 mm,75 mm,100 mm,125 mm和150 mm，其余条件均相同；

④试件SRCSZ2、SRCSZ11～SRCSZ15缀条宽度d分别为26 mm,40 mm,50 mm,60 mm,70 mm和80 mm，其余条件相同；

⑤试件SRCSZ16、SRCSZ17、SRCSZ2、SRCSZ18、SRCSZ19内埋钢管壁厚ts均为4 mm，直径D分别为114 mm,133 mm,150 mm,167 mm和184 mm，其余条件均相同；

⑥试件SRCSZ1、SRCSZ4为一组对比试件，试件SRCSZ1为钢骨混凝土柱，外侧钢筋骨架与试件SRCSZ4外侧空间钢构架等承载力相等等效，其余条件均相同。

⑦试件SRCSZ2、SRCSZ20为一组对比试件，试件SRCSZ20无内埋钢管，为空间钢构架混凝土柱，外侧空间钢构架同试件SRCSZ2。

采用上述建立的Abaqus有限元非线性分析模型，对上述各试件进行有限元模拟分析，图7给出了不同参数变化时，各试件荷载—位移骨架曲线(P-δ)比较。

(a) 轴压比变化

(b) 角钢肢长变化

(c) 缀条间距变化

(d) 缀条宽度变化

(e) 钢管外径变化

(f) 外侧钢骨形式变化

(g) 有无内埋钢管

①由图7(a)可见，在其他条件不变的条件下，空间钢构架—钢管混凝土柱的水平峰值荷载随着轴压比的减小而有所提高，且其延性也有提高。

②由图7(b)可见，在其他条件不变的条件下，随着空间钢构架弦杆(角钢)肢长的增大，角钢之间净距减小，空间钢构架—钢管混凝土柱的水平峰值荷载提高。

③由图7(c)可见，在其他条件不变的情况下，随着空间钢构架缀条间距的增大，空间钢构架—钢管混凝土柱的水平峰值荷载降低。

④由图7(d)可见，在其他条件不变的情况下，随着空间钢构架缀条宽度的增大，空间钢构架—钢管混凝土柱的水平峰值荷载提高。

⑤由图7(e)可见，在其他条件不变的情况下，随着空间钢构架—钢管混凝土柱内埋钢管径厚比的增大，其水平峰值荷载相应提高。

⑥由图7(f)可见，试件SRCSZ4的水平峰值荷载比试件SRCSZ1有所提高，且峰值荷载对应的位移增大，试件的变形能力得到提高。这是由于外围空间钢构架对钢管外混凝土的约束作用比普通钢筋骨架要强多的缘故。

⑦由图7(g)可见，试件SRCSZ2的水平峰值荷载(Pu=116.0 kN)比试件SRCSZ20的水平峰值荷载(Pu=87.2 kN)提高了约33%，且峰值荷载对应的位移增大，试件的变形能力得到提高。这表明空间钢构架混凝土柱中内埋钢管可较大地提高柱的水平承载力和延性性能。

为了进一步探讨上述各参数对空间钢构架—钢管混凝土柱承载力的影响，选择轴压比n、钢管混凝土套箍指标ξ和空间钢构架混凝土套箍系数λs三个主要影响参数进行分析。

内埋钢管混凝土的套箍指标ξ按下式确定：

(14)

式中，As和Ac分别为钢管截面面积和管内混凝土的截面面积；fs为钢管的屈服强度； fc为混凝土轴心抗压强度。

(15)

(16)

式中：ρv为横向缀条的体积配箍率，按式(16)计算；fyv为缀条的抗拉屈服强度；fc为混凝土单轴抗压强度；Asvl为单侧缀条的截面面积。

图8给出了空间钢构架—钢管混凝土柱水平峰值荷载Pu与轴压比n的关系曲线；图9给出了空间钢构架—钢管混凝土柱水平峰值荷载与钢管混凝土套箍指标ξ关系曲线，图10给出了空间钢构架—钢管混凝土柱水平峰值荷载Pu与空间钢构架混凝土套箍指标λs关系曲线。由图8～图10可见：

①在其他条件不变的条件下，随着试件轴压比n的增大，空间钢构架—钢管混凝土柱的水平峰值荷载Pu降低。

②空间钢构架—钢管混凝土柱的水平极限承载力Pu与内埋钢管的套箍指标ξ呈对数关系，钢管混凝土套箍指标ξ减小，试件的水平极限承载力Pu增大。

③空间钢构架—钢管混凝土柱的水平极限承载力Pu与空间钢构架的套箍指标λs呈对数关系，钢管混凝土套箍指标λs增大，试件的水平极限承载力Pu增大。

图8水平峰值荷载Pu与轴压比n关系曲线

Fig.8Horizontal peak load and axial compressionratio(Pu～n)relation curve

图9水平峰值荷载Pu与钢管套箍指标ξ关系曲线

Fig.9Horizontal peak load and the confinement indexof concrete-filled steel tube(Pu～ξ) relation curve

图10　水平峰值荷载Pu与空间钢构架套箍系数λs关系曲线

4结论

①空间钢构架—钢管混凝土柱具有较高的承载能力和延性性能，空间钢构架、钢管的存在能有效地改善柱子的受力性能。轴压比n、空间钢构架混凝土的套箍系数λs和内埋钢管混凝土的套箍指标ξ是影响空间钢构架—钢管混凝土柱承载力和延性的主要因素。

②内埋钢管的径厚比是影响钢管混凝土柱的主要因素之一，随着内埋钢管径厚比的增大，试件的水平峰值荷载增大，可用钢管混凝土的套箍指标ξ来表示，分析表明：空间钢构架—钢管混凝土柱的水平峰值荷载Pu与钢管混凝土的套箍指标ξ呈线性关系。

③影响空间钢构架约束核心混凝土效果的主要因素有弦杆(角钢)肢长(角钢间净距)、缀条间距和缀条宽度等，可以用空间钢构架混凝土套箍系数λs来综合表示。随着套箍系数λs增大，空间钢构架对混凝土的约束作用增强，试件的水平峰值荷载增大，且试件水平峰值荷载与空间钢构架混凝土的套箍系数大致呈线性关系。

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(责任编辑唐汉民梁碧芬)

收稿日期：2016-04-20；

修订日期：2016-04-29

基金项目：建设部科技研究项目(99-031-2)

通讯作者：唐兴荣(1963—)，男，江苏苏州人，苏州科技大学教授，工学博士；E-mail：tangxingrong01@163.com。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0615

中图分类号：TU389

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)03-0615-11

FEM analysis for mechanical behavior of spatial steel frame concrete filled steel tube column

JIA Huan，TANG Xing-rong，LI Wei-qiang

(Jiangsu Province Key Laboratory of Structure Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011, China)

Abstract：Spatial steel frame concrete filled steel tube column was formed by embedding steel tube within concrete of spatial steel frame column. In order to explore the mechanical behavior of this new type of composite column, a nonlinear finite element model of the column is established by using ABAQUS software. The influence of parameters, such as the axial compression ratio, confinement index of concrete filled steel tube and the chord limb length, the spacing and its width of the lacing bar of spatial steel frame etc., on the mechanical behaviors of the column was analyzed. The analysis results show that the column has good ductility and high bearing capacity;that the main influential factors to the ductility and bearing capacity of the column are the axial compression ratio, the confinement coefficient of the concrete of the spatial steel frame and the confinement index of the concrete filled steel tube. It benefits the bearing capacity of the column by reducing the axial compression rations or the confinement index of the concrete filled steel tube, or increasing the confinement coefficient of the concrete of the spatial steel frame. These conclusions can provide basis for engineering application of the column.

Key words:spatial steel frame concrete；concrete filled steel tube；composite column；FEM analysis；mechanical behavior

引文格式：贾欢，唐兴荣，李伟强.空间钢构架—钢管混凝土柱受力性能有限元分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(3)：615-625.