钢骨—方钢管高强混凝土组合柱双向偏心受压力学性能

朱业鹏，金松，张铭

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168）

0 引言

随着超高层建筑和大跨度结构的迅速发展，结构承担的荷载越来越大，如何保证结构在各种灾害下安全，成为结构设计的关键问题。柱子作为结构的关键构件，在地震作用下应该具有较高的承载力和延性，避免形成倒塌机构。文献[1]提出了钢骨-钢管高强混凝土组合柱这种新型组合柱的设计模式。文献[2-3]进行了13根钢骨-钢管高强混凝土组合柱进行偏心受压有限元分析，研究了偏心距、配骨指标，长细比等参数对组合柱偏心受压承载力及延性的影响。并且提出偏心受压承载力简化计算公式。文献[4]进行了14根钢骨-方钢管高强混凝土柱偏心受压有限元分析。考虑不同参数对方形组合柱偏心受压承载力的影响，同时也提出了方形组合柱偏心受压承载力计算公式。文献[5]进行了钢骨-圆钢管高强混凝土组合柱抗弯力学性能研究，不同受力阶段的应力分布规律以及破坏模态，同时考虑不同参数对组合柱抗弯力学性能的影响，并提出组合柱抗弯承载力简化计算公式。文献[6]进行了14根钢骨-方钢管高强混凝土柱试件在高轴向压力和低周反复水平荷载作用下的试验，对钢骨-方钢管高强混凝土柱的抗震性能进行分析。但实际工程中由于偶然因素作用，柱子常常处于双向偏心受压状态。但目前对于该种类型组合柱的双向偏心受压的力学性能研究的相关报道较少，因此有必要展开相关研究，笔者采用非线性有限元软件ABAQUS对该类型组合柱在双向偏心受压荷载下的力学性能展开研究。通过上述研究，为该种新型组合柱在工程设计中运用提供参考和指导。

1 有限元分析模型

1.1 试件设计

图1 试件截面形式Fig.1 Specimen cross section form

表1 试件参数Table 1 Specimen parameters

1.2 材料本构关系模型及接触约束

对于外部钢管和内置的钢骨采用文献[7]中建议的二次塑性流动模型。混凝土本构采用文献[8]中的韩林海建议的模型。钢管、钢骨采用四节点减缩积分格式的壳单元(S4R)，在壳单元的厚度方向，采用9个积分点。核心混凝土采用八节点减缩积分格式的三维实体单元。钢管和混凝土接触面界面模型采用库仑摩擦类型来模拟，钢骨采用嵌入的命令将其嵌入到核心混凝土中，不考虑其滑移。在有限元计算模型加载端设置刚度很大垫块模拟加荷端板，弹性模量取1012MPa，泊松比取为0.0001[9]。通过在垫块上设置偏心加载线来模拟偏心加载，同时采用旋转垫块的方法来模拟双向偏心受压的不同加载角度。组合柱双偏压位移边界条件及加载方式如图2所示。

图2 组合柱位移边界条件及加载方式Fig.2 Displacement boundary condition and loading method of composite columns

1.3 有限元分析模型验证

目前，对于钢骨-钢管高强混凝土组合柱双向偏心受压国内外报道较少，为了有效验证组合柱双向偏心受压有限元分析模型的合理性和有效性，本文在文献[10]试验研究的基础上，选取其中6组典型的试件进行有限元模型的有效性验证，图3给出了有限元计算结果与试验结果比较。从图3来看非线性有限元计算结果与试验结果在试件弹性阶段吻合良好，在非弹性阶段有限元计算结果较试验结果偏高，主要是由于有限元无法考虑混凝土开裂后造成的刚度退化而造成的承载力下降。

2 有限元模拟结果及分析

图3 有限元计算结果试验结果与比较Fig.3 Test results and comparison of finite element calculation results

通过后处理得到组合柱双向偏心受压典型试件的荷载-侧向挠度关系曲线，典型试件荷载-侧向挠度曲线主要可以分为以下四个主要阶段:

弹性工作阶段（OA），弹塑性阶段（AB），下降段（BC），其中N表示纵向荷载，表示组合柱中截面的侧向挠度(如图4所示)。

（1）第一段是加载初期的弹性阶段（OA）：这一阶段的主要特征就是荷载-侧向挠度关系曲线基本呈线性关系；此时外部方钢管、核心混凝土、内置钢骨几乎单独受力，外部方钢管与核心混凝土之间相互作用力很小，外部方钢管、内置钢骨和核心混凝土均处于弹性工作状态。A点可以看作弹性段的比例极限(弹塑性阶段起点 )。

（2）第二个阶段是屈服阶段（AB）：随着外部的荷载不断增大，组合柱试件变形不断增长，由受压区的核心混凝土与方钢管开始产生不均匀的相互作用，此时组合柱试件开始进入弹塑性变形阶段，荷载-侧向挠度曲线开始表现出非线性关系。

（3）第三个阶段是破坏阶段（BC）：加载超过峰值荷载点（C点）时，由于内外力无法达到平衡，试件的承载力进入下降段。加载超过C点以后，由于钢骨对于组合柱承载力的贡献作用，曲线开始进入平缓阶段。

图4 典型组合柱试件曲线Fig.4 Typical composite column specimencurve

2.1 试件典型破坏模态

钢管破坏模态类似于组合长柱整体破坏模态，核心混凝土在钢管发生局部屈曲部位产生，达到较大的纵向压应力，最终被压碎，钢骨由于中部产生较大的侧向挠曲变形最终发生破坏。组合柱各个部件的破坏模态如图5所示：

图5 典型试件破坏模态Fig.5 Failure mode of typical specimen

2.2 参数分析

影响钢骨-方钢管高强混凝土组合柱双偏压力学性能的主要因素有混凝土强度等级、配骨指标、钢材强度、加载角度、偏心率、长细比。随着混凝土强度等级提高，组合柱双向偏心受压承载力不断增大(如图6 (a)所示)，混凝土强度从C60提高到C90组合柱双向偏心受压承载力提高28.4%。混凝土强度等级的提高对于组合柱的初始刚度和后期刚度影响都不明显。随着配骨指标的提高，组合柱双向偏心受压承载力不断提高，配骨指标从0.76增长到0.78，组合柱承载力提高5.6%，但由于配骨指标变化范围很小，所以组合柱承载力提高不明显(如图6 (b)所示)。随着钢材强度提高，组合柱双向偏心受压承载力大幅度提高，其中以钢材强度从235 MPa增长到345 MPa组合柱承载力增长的幅度最大，组合柱的承载力增长17.5%，钢材强度超过345 MPa以后，提高钢材强度组合柱双向偏心受压承载力提高幅度下降。同时提高钢材强度对于组合柱的初始刚度和曲线的形状走势影响很小(如图6(c)所示)。不同偏心率对于组合柱双向偏心受压承载力影响较大，偏心距从20 mm提高40 mm，组合柱双向偏心受压承载力下降14.5%，偏心距从40 mm增长到60 mm，组合柱双向偏心受压承载力下降14.9%，同时随着偏心率不断增大，组合柱初始刚度出现大幅度下降(如图6 (d)所示)。

图6 不同参数下曲线Fig.6 Under different parameterscurve

3 结论

（1）双向偏心受压组合柱在整个受力过程中，钢骨和钢管应力发生重分布，核心混凝土的应力按加载角度呈现带状分布。破坏时外部方钢管发生一定的屈曲变形。

（2）采用的有限元分析的计算荷载-挠度曲线与试验结果吻合较好，说明采用的有限元分析方法及本构关系是合理的。

（3）钢材的强度，混凝土强度、偏心率，长细比对组合柱双向偏心受压承载力影响较大。加载角和配骨指标影响很小。同时当钢材强度超过235 MPa时，双向偏心受压承载力增长较小。