离心钢管混凝土偏心受压构件力学性能研究

2020-09-05安徽省建筑科学研究设计院安徽合肥230031

安徽建筑 2020年9期

赵昕（安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥 230031）

0 前言

离心钢管混凝土是在钢管内填充混凝土，采用离心法成型并通过蒸汽养护制成的钢管混凝土构件。对于离心钢管混凝土柱受压时，工作性能与承载力的研究大多集中于轴压性能研究。钟善桐、徐国林[1～2]分析轴压下离心钢管混凝土柱受力特点并基于钢管混凝土统一理论，导出适用于不同截面形式的实心和离心钢管混凝土柱强度和承载力设计公式。王宏伟[3～4]进行了55个离心钢管混凝土短柱和11个长柱轴压实验，研究了截面形式、空心率及长细比的影响。对于偏心受压研究，主要以实心钢管混凝土为主，丁发兴等[5]进行了8根圆截面钢管自密实混凝土偏压柱实验，分析了偏心率和含钢率等影响。陈宝春[6-8]进行了实心钢管混凝土偏心受压相关实验研究，研究参数为偏心率和材料性能，并提出相应的应力-应变模型；钟善桐[9-10]引入等效紧箍力概念，采用压溃理论进行偏压实心钢管混凝土柱强度和稳定承载力计算，并导出偏压短柱强度承载力计算公式。周广师[11]针对实心钢管混凝土偏心受压构件稳定问题，运用耶硕克近似分析法，导出稳定临界力理论计算公式。

基于实心钢管混凝土偏压理论，通过ABAQUS有限元软件建立离心钢管混凝土柱偏压数值分析模型，深入研究偏心距、钢管壁厚以及空心率等参数对其影响，揭示其偏心受压下受力特点，提出相应的离心钢管混凝土偏压承载力计算方法。

1 材料本构关系

1.1 钢材

建筑工程中钢材一般采用低碳软钢，具有明显的屈服阶段，并考虑其强化阶段对强度的提高，故采用二次塑流模型。钢材与混凝土应力—应变关系曲线如图1(a)所示。

图1 材料应力—应变关系曲线

其中钢材应力—应变关系表达式如式(1)。

式中，tgθ′=ES′=0.01ES，ES为钢材弹性阶段的弹性模量，εy为弹性极限应变；fy为钢材屈服强度。

1.2 混凝土

偏心受压时，核心混凝土所处的应力状态不清晰，且钢管对于核心混凝土的约束作用较弱，造成对于核心混凝土本构关系模型的选择困难。

刘威[12]提出的关于钢管混凝土的混凝土本构关系弱化了核心混凝土极限强度的提高，仅考虑混凝土到达峰值应力之后混凝土塑性的提高，对于偏压状态下的混凝土具有更好的拟合度，其应力—应变关系曲线如图1(b)所示，计算表达式如式（2）。

根据上式，当时，核心混凝土未达到峰值应变时，应力—应变关系与美国E.Hongestad建议的模型相似。当x＞1时，曲线下降段中系数β0体现了核心区混凝土的延性程度。而β0是与约束效应系数ζ有关，随ζ变化而变化。

2 离心钢管混凝土偏压模型建立

本文离心钢管混凝土柱偏压数值模拟，分别对偏心距、钢管壁厚以及空心率三个因素进行研究。离心钢管混凝土柱偏压基本模型尺寸采用300×3×1000mm(D×t×L)，其中混凝土层40mm。基于上述模型对不同偏心距分别进行模拟分析。保持偏心距为80mm不变，基于上述模型尺寸，更改钢管壁厚和空心率参数，分析对离心钢管混凝土柱偏压承载力的影响。

离心钢管混凝土柱有限元模型中钢管和混凝土分别采用8节点减缩积分的三维实体单元C3D8R和非协调模式的三维实体单元C3D8I进行模拟。计算模型单元划分如图2。

考虑到钢管与混凝土之间的接触问题，依据Dai[13]等人的研究，将切向行为定义为类型“罚”，摩擦系数设为0.3，法向行为采用“硬接触”。端板与离心钢管混凝土柱设置为“绑定”，为了实现偏心加载，在上端板上设计刀口，并在其上设置耦合点与刀口耦合，荷载施加在耦合点上，采用位移加载。对于边界条件，柱下端固定除UR1外所有自由度，加载端为自由端，施加位移，直到破坏。

3 参数分析

3.1 偏心距

不同的偏心距对离心钢管混凝土柱力学性能及极限承载力的影响，如图3、图4所示。

图3 偏心距对偏压荷载(N)—轴向变形(Uz)的影响

图4 偏心距对极限承载力(Nmax)的影响

计算结果表明，离心钢管混凝土柱偏心受压时，随着偏心距增大，其极限承载力在逐步下降，且呈现近似于线性变化；并且偏心受压承载力比其轴心受压承载力要小得多。从图3可知，当偏心距增大时，试件的荷载与轴向变形关系曲线的线性阶段逐步缩短，并且达到极限承载力时，其自身轴向变形量也在缓慢增加。对于实际工程中离心钢管混凝土构件存在偏心受压状况时，应考虑其承载力的降低和变形特点。

3.2 钢管壁厚

钢管壁厚对离心钢管混凝土柱力学性能及极限承载力的影响，如图5、图6所示。

图5 钢管壁厚对偏压荷载(N)—轴向变形(Uz)的影响

图6 钢管壁厚对极限承载力(Nmax)的影响

计算结果表明，与3mm相比，4mm与5mm偏压极限承载力分别提高8.95%和20.59%。随着钢管厚度的增加，试件偏压极限承载力逐步增加，极限承载力位移并没有太大的变化，但随着钢管厚度增加，构件承载力下降到达强化阶段，钢管越厚，构件承载力上升趋势越明显。

3.3 空心率

空心率对其力学性能的影响，如图7、图8所示。

结果表明，与空心率50.9%相比，41.8%与33.6%偏压极限承载力分别提高11.29%和16.32%，随着空心率减小，离心钢管混凝土柱极限承载力也随之增加，但增长幅度降低；其自身极限承载力位移和构件弹性刚度没有太大变化。

图7 空心率对偏压荷载(N)—轴向变形(Uz)的影响

图8 空心率对极限承载力(Nmax)的影响

4 偏压极限承载力计算

国家电力行业颁布的《钢—混凝土组合结构技术规程》（DL/T 5058—1999）中提出的实心钢管混凝土偏压承载力计算公式，影响系数较多，计算较为复杂，并不适合在实际工程中应用[14]。

建筑材料行业颁布的《钢管混凝土结构设计与施工规程》（JCJ 01—89），沿用钢筋混凝土偏压构件计算方法提出实心钢管混凝土偏压承载力计算公式（3），使用比较方便，但考虑因素较少，不能完全反映构件实际承载力状况[15]。

式中：φe为实心钢管混凝土偏压构件承载力折减系数；K1为核心混凝土强度提高系数；γ为φe的修正值。

本文基于钢管混凝土统一理论，将钢管混凝土看成一种单一材料进行研究，用构件的整体几何特性和组合性能指标，计算构件极限承载力。通过数据拟合获得下列计算公式，其表达式如下：

式中：Asc为离心钢管混凝土构件截面面积；fysck为离心钢管混凝土轴压构件组合强度标准值，计算公式详见文献[16]；e为偏心距，公式(4)适用范围为（0＜e≤D/2）；φ1为长细比影响承载力折减系数，，考虑到离心钢管混凝土截面特性，i为环形截面的惯性半径，其计算公式，其中，α=d/D，d与D分别为环形截面的内直径和外直径。

计算公式的计算结果与数值模拟结果比较如下表。

计算结果表明，公式（4）的计算值与有限元计算结果的比值（Nsc/Nm）的均值为1.009，方差为0.0003。因此，本文所提出的离心钢管混凝土柱偏压极限承载力计算公式具有一定的参考意义。