复式钢管混凝土轴压承载力有限元分析

刘永超 王振吉

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司公路养护技术研发中心，辽宁 沈阳 110111)

复式钢管混凝土轴压承载力有限元分析

刘永超 王振吉

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司公路养护技术研发中心，辽宁 沈阳 110111)

通过建立有限元分析模型，从空心率、钢管强度、混凝土强度等方面，分析了影响复式钢管混凝土轴压承载力的主要因素，并提出了轴压承载力计算公式，发现由公式得出的承载力与有限元分析值及试验值吻合较好。

复式钢管混凝土，加劲肋，轴压承载力，有限元分析

外钢管为方形的中空夹层钢管混凝土与外钢管为圆形的中空夹层钢管混凝土相比具有较大的抗弯刚度，稳定性更好；节点构造更为简单，便于连接施工，且外形整洁美观[1]；另一方面，圆钢管抵抗局部屈曲的能力较强，对混凝土的约束作用比方形钢管更显著[2，3]，而外方内圆中空夹层钢管混凝土同时具备了以上优点，具有广阔的应用空间。

研究表明，外方内圆中空夹层钢管混凝土轴压破坏主要表现为内外钢管的局部屈曲[4]。钢管的局部屈曲影响了钢管与混凝土之间的相互作用及钢管强度的充分利用。而在内外钢管之间增设加劲肋能够有效解决内外钢管局部屈曲问题，同时构成了一种新型复式钢管混凝土(截面形式见图1)。本文通过有限元方法对此种复式钢管混凝土短柱的轴压承载力展开研究。

1 有限元分析模型的建立

1.1 材料的本构关系模型

钢材本构关系采用五阶段模型[3]，具体表达式如下：

(1)

钢材的弹性模量为2.06×106MPa，泊松比为0.3[5]。

混凝土的本构关系模型考虑了钢管对其产生的套箍效应的影响，具体表达式如下[5]：

(2)

1.2 接触设置

钢管与混凝土之间采用共节点接触模型，计算精度能够得到保证，而且大大减少了计算量。

1.3 边界条件及网格划分

由于轴压构件的几何形状和边界条件在X，Y，Z三个方向上均对称，为了节省计算时间，取1/8构件进行建模分析。在与坐标轴的3个方向对应的对称面上设置相应的对称边界条件，并在顶部施加Y方向的轴压荷载。混凝土和钢管均采用C3D8R实体单元进行模拟，该类型单元不仅适用于大应变分析，还适用于接触分析[8]。具体边界条件及网格划分情况如图2所示。

2 轴压承载力参数影响分析

本节系统研究了空心率、混凝土强度、钢材强度及钢管的尺寸对轴压承载力的影响。

为了研究加劲肋对轴压承载力的影响，比较了有限元法计算的承载力Nc1与简单叠加法计算的承载力N0的大小。N0=fcAc+fyiAsi+fysAss+fyoAso，其中，Ac，Ass，Asi及Aso分别为混凝土、加劲肋、内钢管及外钢管的横截面面积；fys，fyi及fyo分别为加劲肋、内钢管及外钢管的屈服强度；fc为混凝土的轴心抗压强度。各参数具体设置情况及承载力计算结果见表1。

表1 轴压承载力有限元结果与简单叠加公式计算结果比较

2.1 空心率

图3给出了空心率对构件轴压承载力的影响规律。

随着空心率χ的增大，承载力越来越小，且减小的越来越快，可见空心率对承载力具有很大的影响。因此，在轴压力较大的情形下构件的空心率不宜过大。

2.2 钢材强度

图4给出了内外钢管和加劲肋强度对承载力的影响。可知，外钢管的强度对轴压承载力影响比较显著，内钢管和加劲肋的强度对轴压承载力的影响相对较小。主要是因为外钢管强度的提高，改善了自身抵抗屈曲变形的能力，改善了构件的变形性能，另外，提高了对混凝土的约束作用，使得混凝土的抗压强度得到了提高。

2.3 混凝土强度

图5给出了混凝土强度对承载力的影响情况。

由图5可见，当混凝土的强度增大时，构件的轴压承载力几乎呈线性增加。

2.4 钢板尺寸

从图6中可以看到，当含钢率不断增加时，构件的承载力也不断提高。

另外，由表1可知，当外方钢管、加劲肋宽厚比及内钢管径厚比不断增加时，承载力呈减小的趋势。且外钢管的尺寸比加劲肋及内钢管的尺寸对承载力的影响更为显著。这是因为减小外钢管宽厚比改善了自身抵抗屈曲变形的能力，另外，混凝土所受到的套箍效应增强，使得混凝土的抗压强度得到了提高。

3 轴压承载力计算公式

当选用同一种钢材时，简单叠加承载力变为：

Nc2=fcAc+fyAs

(3)

由表1可知，有限元法计算的承载力明显比简单叠加法计算的承载力大，这是因为加劲肋改善了构件的变形性能，增强了对混凝土的套箍效应。本文采用ξ来表征钢材对混凝土的套箍效应，给出承载力的计算公式[3]，ξ=αfyo/fc，α=Aso/Ac。由于加劲肋的存在，使得混凝土受到的套箍效应增强，故考虑加劲肋对混凝土轴压强度提高所做的贡献，即α1=(Aso+Ass)/Ac。本节采用ξ对混凝土强度fc进行了修正，并设混凝土强度的提高系数为η。构件中混凝土强度提高系数η与套箍系数ξ的关系如图7所示。

混凝土强度提高系数η与套箍系数ξ的拟合曲线方程为：η=0.1ξ+1.054。故本文复式钢管混凝土轴压承载力计算公式为：

Nc2=(0.1ξ+1.054)fcAc+fyAs

(4)

图8给出了式(4)与有限元法计算结果的对比情况。

由图8可知，Nc2与Nc1和45°等值线靠的非常近，且Nc2/Nc1的均值为0.96，Nc2/Nc1的方差为0.038。说明式(4)能够准确计算构件的轴压承载力，具有合理性。

另外，还对比了式(4)计算结果与文献[9]中的试验值，如表2所示。

表2 公式计算结果与试验值的对比

在表2中，试验结果用Nu表示。通过计算可知，Nc2/Nu的平均值为0.96，Nc2/Nu的方差为0.011，可见二者吻合较好。

4 结论

1)复式钢管混凝土空心率变大，承载力减小；钢管强度及混凝土强度变大，承载力增大；钢管厚度变大，承载力变大。特别地，增加外钢管的厚度或强度能够明显提升承载力。

2)考虑钢管对混凝土的套箍作用，给出了复式钢管混凝土短柱轴压承载力的计算公式，公式计算值与有限元分析结果和试验结果吻合较好，其具有较好的适用性。

[1] 李宁波.复合钢管高强混凝土柱抗震性能研究[D].北京:清华大学,2013.

[2] 钟善桐.钢管混凝土结构[M].北京:清华大学出版社,2003.

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

[4] X L ZHAO, R GRZEBIETA. A.Ukur， M.Elchalakani. Tests of Concrete-Filled Double Skin (SHS Outer and CHS Inner) Composite Stub Columns[J].Advances in Steel Structures,2002(5):567-574.

[5] GB 50017—2003,钢结构设计规范[S].

[6] 刘 威.钢管混凝土局部受压时的工作机理研究[D].福州:福州大学,2005.

[7] ACI 318—05，Building code requirements for structural concrete and commentary[S].

[8] 查小雄.空心和实心钢管混凝土结构[M].北京:科学出版社,2011.

[9] 王志浩,成 戎.复合方钢管混凝土短柱的轴压承载力[J].清华大学学报(自然科学版),2005,45(12):1596-1599.

Finite element analysis on axial compression carrying capacity of multibarrel tube-confined concrete

Liu Yongchao Wang Zhenji

(HighwayMaintenanceTechnologyResearchandDevelopmentCenteroftheTrafficPlanningandDesignInstituteCo.,LtdofLiaoningProvince,Shenyang110111,China)

By establishing the finite element analysis model, the paper analyzes the main factors affecting the axial compression carrying capacity of multibarrel tube-confined concrete from the hollow ratio, steel tube strength, and concrete strength, points out the formula for the axial pressure loading capacity, and concludes from the formula that the loading capacity, finite element analysis value and trial value are consistent.

multibarrel tube concrete, rib, axial compression loading capacity, finite element analysis

1009-6825(2017)05-0066-03

2016-12-10

刘永超(1991- )，男，助理工程师； 王振吉(1990- )，男，助理工程师

TU311.4

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