基于ABAQUS的复式圆钢管柱滞回性能分析

马江萍

摘 要：为研究分析复式圆钢管混凝土柱的滞回性能，利用ABAQUS建立了混凝土与钢管强度、弹性模量均相同的9个模型，对比分析了剪跨比、轴压比对模型极限承载力与延性系数的影响。结果表明：复式圆钢管混凝土柱在剪跨比相同时，随轴压比增大模型的极限承载力逐渐减小，延性系数呈先增大后减小的发展趋势;在轴压比相同时，随剪跨比增大模型的极限承载力大幅递减，模型的延性系数在轴压比为0.4时对剪跨比不敏感，在轴压比为0.2时有近25%的提高，但延性系数在轴压比为0.6时大幅下降。

关键词：复式圆钢管;滞回性能;剪跨比;轴压比;有限元分析

中图分类号：TU398.9 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）04-0175-05

Abstract： In order to study and analyze the hysteretic behavior of the compound concrete-filled circular steel tube column， 9 models with the same strength and elastic modulus of concrete and steel tube were established by ABAQUS， and the shear-span ratio and axial compression ratio were compared with the ultimate bearing capacity and ductility coefficient of model. The results show that when the shear-span ratio of the compound round steel tube column is the same， the ultimate bearing capacity of the model gradually decreases with the increase of the axial compression ratio， and the ductility coefficient shows a development trend of first increasing and then decreasing. When the axial compression ratio is the same， as the shear-span ratio increases， the ultimate bearing capacity of the model decreases significantly. When the axial compression ratio is 0.4， the ductility coefficient of the model is not sensitive to the shear-span ratio. When the axial compression ratio is 0.2， there is an increase of nearly 25%. However， when the axial compression ratio is 0.6， the ductility coefficient drops significantly.

Key words：  compound round steel pipe; hysteretic behavior; shear-span ratio; axial compression ratio; finite element analysis

復式钢管混凝土柱兼具钢管与混凝土的优势[1-3]，且内外钢管作为混凝土施工的模板、混凝土为钢管提供侧向支撑，因此在建筑中的应用愈加广泛。对于复式钢管混凝土柱构件的研究，国内外学者在理论研究、试验分析以及数值模拟推演等方面已做了大量工作[4-10]。

国内学者蔡绍怀等[11]基于2种截面形式（同心配置的三重钢管、钢管束）的复式钢管混凝土柱试验研究结果，分析了复式钢管混凝土柱的力学性能和极限承载力，推导并计算验证了2种截面形式复式钢管混凝土柱的极限承载力公式。张玉芬[12]分析了4种截面形式（内圆钢管、型钢、CFRP筒增强型钢管及复式空心钢管）的复式钢管混凝土柱，验算了4种截面形式的复式钢管混凝土柱轴压刚度、抗震性能，建立了统一可行的刚度和承载力计算方法。张冬芳等[13]基于复式钢管混凝土柱-钢梁节点的试验研究，分析了内外钢管与钢梁在受力过程中的应力分布，探索了此类节点的应力分布与破坏形态，研究了型钢梁强度等级、外钢管柱强度等级、外方钢管柱壁厚以及柱轴压比对复式钢管混凝土柱节点性能的影响。赵立东等[14]进行了3种截面形式（单腔钢管、复式钢管、分腔复式 钢管）共计6个足尺圆钢管混凝土柱的拟静力试验研究，分析了3种截面形式钢管混凝土柱的破坏特征、滞回性能、承载能力、变形能力、刚度退化以及耗能能力，为复式钢管混凝土柱在实际工程中的应用提供了参考依据。本文基于文献[14]采用有限元软件分析了以轴压比与剪跨比为变化参数的大截面尺寸复式钢管混凝土柱的滞回性能，对细部参数的分析与滞回行为的探讨，获得合适的参数取值，为更好地研究复式钢管混凝土柱在复杂受力中的抗震性能提供参考建议。

1  有限元验证

1.1 试验概况

文献[14]的拟静力试验中有2个复式圆钢管混凝土柱试件，柱身高度为1 270 mm，试验仪器球铰高度为 250 mm，试验装置如图1所示。

按照轴压比0.46，在柱顶施加9 180 kN的竖向压力。钢材材性试验数据如表1所示，钢材弹性模量取2.07×105  MPa，泊松比取0.3。内填混凝土立方体抗压强度标准值57.88 MPa，轴心抗压强度平均值47.98 MPa，弹性模量 Ec为33.5 GPa。

经转化计算，试验按照位移幅值1.52、3.04 、5.07与6.08 mm各往复加载1次，7.6、10.13、15.2 、20.26、30.4、46.06、60.8 mm各往复加载2次的加载法。

1.2 有限元模型的建立

对文献[14]中的试件CFST1-2运用ABAQUS6.14-2进行建模分析，模型尺寸与试验中试件尺寸相同，考虑钢管与混凝土柱的几何非线性与状态非线性，模型均采用了实体单元，内外钢管与内外混凝土均采用了C3D8R减缩积分单元进行建模，各部分的网格划分如图2所示。

模型钢材采用von Mises屈服准则，钢材等效单轴应力应变关系采用二折线弹塑性本构模型：

σs = Esεs                       εs≤εy

σs = fy+k（εs-εy）                      εy≤εs≤εu

上式中：σS为钢材的应力;ES为钢材的弹性模量;fy钢材的屈服强度;k为强化段的斜率，取值为0.01ES[15];

混凝土采用ABAQUS提供Concrete Plastic Damage 模型，混凝土的塑性膨胀角取30°，双軸抗压强度与单轴抗压强度的比值取1.16，黏滞系数取0.000 5。核心混凝土与外混凝土在内外钢管的约束下强度与塑性性能均有一定程度的提高，因此混凝土的受压本构关系采用韩林海[16]提出的考虑约束效应的混凝土本构关系，采用沈聚敏等[17]提出的混凝土受拉应力-应变关系作为约束混凝土柱的受拉本构关系。

外钢管与外混凝土、外混凝土与内钢管、内钢管与内混凝土之间均采用硬接触，切线方向摩擦系数取0.6;模型柱顶在x方向施加与试验相同的位移进行水平往复加载，柱底采用U1=U2=UR1=UR2=UR3=0的约束，在U3方向施加轴向压力。

1.3 有限元成果的验证

试件与有限元模型变形对比如图3所示，由图可知试件与有限元模型均在柱底约150 mm处形成鼓状屈曲变形。

试验与有限元模拟所得滞回曲线如图4所示。

对试验与有限元模拟所得滞回曲线分析结果如表2所示，可知有限元模拟所得滞回曲线与试验滞回曲线吻合度较高。说明本文的有限元模拟方法有效，可用于后续有限元参数模拟分析。

2 有限元参数拓展分析

2.1 模型参数设计

本节进行复式钢管混凝土柱的参数拓展分析，设计A～C共计3组模型，3组模型中内外钢管、内外混凝土横截面尺寸均与试验一致，3组模型中内外钢管、内外混凝土材料属性也均与试验相同。各组内柱高与剪跨比保持不变，对轴压比与轴压力进行调整;各组之间调整柱高与剪跨比，模型参数如表3所示。

2.2 轴压比对模型滞回性能的影响

由图5的P-△滞回曲线对比图可知，剪跨比为3时，3个模型的滞回曲线都呈现出饱满的梭形，耗能性能良好。随着剪跨比的增大滞回曲线饱满程度出现了下降，尤其在大剪跨比、高轴压比的情况下，模型滞回曲线出现了严重的不对称现象，并且滞回环面积退化明显，主要原因是加载中二阶效应造成了模型的弯曲变形，使模型在往复荷载作用下较早退出了工作。

轴压比影响下模型滞回性能相关参数的对比计算结果如表4所示，在剪跨比为3的模型中，极限承载力与延性系数都较高，随着轴压比的增大极限承载力有所下降而延性有大幅提高，轴压比为0.4与0.6时两个模型的极限承载力变化不大;在剪跨比为4与5的两组模型中，极限承载力出现了急剧的下降，在n≤0.4时，随着轴压比的增大模型延性系数有所提高，当n>0.4时，随着轴压比的增大模型延性系数大幅下降。主要原因是在轴压比较小时，在轴压力的作用下模型内外钢管对内外混凝土提供了较为有效的约束作用，避免了混凝土裂缝的发展，所以模型有较高的极限承载力;随着轴压力增大，模型的二阶效应越为凸显，尤其在剪跨比较大的模型中，双重效应使得模型较早发生屈曲破坏，因而极限承载力与延性系数均出现显著下降。

2.3 剪跨比对模型滞回性能的影响

由图6的P-△滞回曲线对比图可知，轴压比为0.2时，3个模型普遍耗能性能良好;当轴压比为0.4与0.6时，剪跨比为3的模型CFST-A2与CFST-A3滞回曲线依然比较饱满，具有良好的耗能能力，而其余模型呈扁平状，耗能能力不足。主要原因是剪跨比为3的模型在轴压力作用下主要出现弯剪破坏，剪跨比为4、5的模型在轴压力作用下主要出现弯曲破坏，而轴压比较大时还会伴随出现明显的P-△效应，使模型极限承载力与延性系数都退化严重。

剪跨比影响下模型滞回性能相关参数的对比计算结果如表5所示，模型随剪跨比增大极限承载力锐减，主要原因是较大的剪跨比对模型的屈曲临界力不利;轴压比小于0.4时，模型延性随剪跨比增大有所提高，轴压比等于0.4时，模型延性随剪跨比增大变化不明显，轴压比大于0.4时，模型延性随剪跨比增大严重下降，主要原因是在轴压力较小时，钢管的套箍作用使混凝土的裂缝发展缓慢，混凝土为钢管提供了有效的侧向支撑，但轴压力较大时，钢管的套箍还未发挥作用，混凝土已出现损坏，模型提前破坏退出工作。

3 结语

在混凝土强度与弹性模量相同，钢管强度与弹性模量相同的情况下，对复式圆钢管混凝土柱的滞回性能利用有限元软件分析后，在本文研究参数范围内，得出以下结论：

（1）复式圆钢管混凝土柱在剪跨比为3时，钢管柱底虽出现明显的鼓曲变形，但钢管的套箍作用有效控制了混凝土裂缝的发展，模型整体表现出良好的耗能行为;

（2）复式圆钢管混凝土柱在剪跨比大于3时，模型的极限承载力随着轴压比的增大大幅减小，模型的延性系数随着轴压比的增大呈先增大后减小的趋势;

（3）增加剪跨比会大幅消减模型的极限承载力，剪跨比越大模型的极限承载力对轴压比越为敏感;模型的延性系数在轴压比为0.2时有较为可观的提高，在轴压比为0.4时变化不大，但在轴压比为0.6时大幅下降。

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