套箍系数对圆台形钢管混凝土柱轴压性能影响的有限元分析

2022-09-15唐从荣张明权

新型建筑材料 2022年8期

唐从荣，张明权

（1.南京苏通路桥工程有限公司，江苏南京 210005；2.通力电梯有限公司，江苏昆山 215300）

0 引言

钢管混凝土作为一种具有高承载能力和变性能力且施工简便的结构，被广泛应用于超高建筑和重载建筑中[1]。随着钢管混凝土柱的应用范围不断扩大，被应用于桥墩、输电塔和桥拱肋等内力沿着长度方向不断变化的建筑中，因此设计人员往往将其设置为截面上小下大的变截面圆台形。Ren等[2]对26根空心变截面钢管混凝土柱进行轴压性能试验研究。黄鑫等[3]对3根圆台形混凝土短柱进行了轴压性能试验，分析了破坏形态和破坏机理，并提出了相应的计算方法。以上研究表明，变截面钢管混凝土柱的力学性能与上下截面的比值有较大关系。但国内外对于圆台形钢管混凝土柱的研究较少，且主要参数集中于锥形角度和含钢率对轴压性能的影响，对于套箍系数和长径比的影响尚未明确。

综上，为了推动该类变截面钢管混凝土柱的研究及应用，本文使用ABAQUS有限元分析软件对文献[3]中的试件进行建模计算和验证，在综合试验结果和有限元模拟结果取得良好效果的基础上，通过13个试件的拓展分析，探讨了钢管屈服强度、钢管厚度、套箍系数和柱中长径比对圆台形钢管混凝土柱轴压承载性能的影响规律。

1 试验

文献[3]以上下截面面积比为变化参数设计并制作了3根圆台形钢管混凝土柱，试件高度均为L=600 mm，试件构造如图1所示，详细设计参数如表1所示。试验所用纵钢管屈服强度fy和极限强度fu分别为331、482 MPa，弹性模量为201 GPa，泊松比0.31；所用C40混凝土立方体抗压强度fcu=48.6 MPa，轴心抗压强度fc=39.4 MPa。

表1 试件参数及计算结果

2 有限元模型建立

2.1 材料属性

（1）混凝土

式中：x和y——分别为应变和应力无量纲化后的坐标；

β0和η——与钢管套箍系数和混凝土材料特性相关的系数，计算方法见文献[1]。

（2）钢材

钢管和加载板采用S4R壳单元，钢材本构关系采用双折线理想塑性模型[4]（如图2），即屈服前为理想弹性，屈服后到极限强度前的硬化刚度为钢材弹性模量的0.01。其中fy和fu为屈服强度和极限强度；εy和εu为屈服应变和极限应变；E0为弹性模量，Es为硬化刚度，Es=0.01E0。

2.2 相互作用

钢管与混凝土之间采用“面对面接触”，法向采用“硬接触”，切向采用“罚”函数，摩擦系数取0.25[5]，以此模拟钢管和混凝土之间存在接触和分离的现象；加载板与混凝土进行“tie”连接，便于简化和收敛[6-10]。在加载板中心处设置参考点，并将参考点与加载板进行“耦合”，便于设置加载方式与边界条件[11-14]。

2.3 边界条件及加载方式

根据试验情况，约束了试件下部3个方向的位移，但不约束转动，模拟下部铰接；上部在加载点处进行位移加载。

2.4 网格划分

经试算，混凝土与钢管网格尺寸采用20 mm时可以保证较高的计算精度及计算效率，有限元模型如图3所示。

本文以新型面阵CMOS探测器[17-19]CMV4000为例，研究了多通道CMOS探测器的非均匀性特点，分析了非均匀性随光照度的变化规律，同时在传统的校正算法的基础上提出了改良算法，并在FPGA中实时实现。设计的所有模块包括滤波模块，非均匀校正模块，以及校正参数的存储模块都由FPGA编程实现，易于控制，系统重构性较高。实验证明，该系统能够有效的实时的对CMV4000进行非均匀性校正，校正后图像的非均匀性明显降低，适用于高速摄像，科学拍摄等应用场合。

2.5 模型验证

利用上述建模方法及材料属性对文献[3]中的3个圆台形钢管混凝土试件进行计算，所有试件的轴向应力-应变曲线对比如图4所示。

由图4可见，有限元模拟的应力-应变曲线趋势与试验结果具有极高的吻合性，均呈现了相同的趋势和相似的破坏过程，表现出了良好的塑性。

试件破坏形态及模拟的破坏形态时的应力云图如图5所示。

由图5可见，由于上表面面积较小，因此出现了较大的应力集中，导致出现了端部局部屈曲，这与测试结果一致。

对比表1可知，有限元结果和试验结果的极限承载力比值平均值μ=1.017，方差D=0.008，变异系数CV=0.007，本文建立的有限元模型得到验证，说明此模型能可靠地预测圆台形钢管混凝土柱的轴压力学行为。

3 参数分析

基于已验证的几何模型和本构模型，以钢管屈服强度fy、钢管厚度t和长径比λ（λ=L/Dup）为变化参数设计了13个试件，试件参数见表2。ξ为柱中套箍系数，ξ=Asfy/Acfc，As、Ac分别为柱中钢管和混凝土的截面积，mm2；fc为混凝土轴心抗压强度，MPa。

表2 拓展试件参数及结果

4 影响因素分析

4.1 钢管屈服强度的影响

图6为不同钢管屈服强度试件的轴向荷载-位移曲线。

由图6可见，各试件的荷载-位移曲线形状相似，初始刚度基本相等，说明提高钢管屈服强度对试件的轴压刚度影响不大。达到峰值荷载后均出现了缓慢的下降，但随着钢管屈服强度增大，曲线下降更平缓，说明增大钢管屈服强度能有效提高圆台形钢管混凝土柱达到峰值荷载后的变形能力。相较于钢管屈服强度fy=331 MPa的试件，钢管屈服强度为400、500、600、700 MPa试件的峰值荷载分别提高了9.2%、23.5%、37.8%、52.5%。

4.2 钢管厚度的影响

图7为不同钢管厚度试件的轴向荷载-位移曲线。

由图7可见，各试件的荷载-位移曲线形状相似，随着钢管厚度的增大，曲线的初始刚度越大，达到峰值点后曲线下降更平缓，说明增大钢管厚度不仅能提高圆台形钢管混凝土柱的强度和变形能力，还能有效提高其轴压刚度。相较于钢管厚度t=2 mm的试件，钢管厚度为3、3.85、5、6 mm试件的峰值荷载分别提高了14.6%、27.9%、46.9%、64.2%。

4.3 套箍系数的影响

图8为试件极限承载力随柱中套箍系数的变化。

由图8可见，随着柱中套箍系数的增大，试件的极限承载力呈线性提高，这说明了圆台形钢管混凝土柱的极限承载力与套箍系数呈线性相关。相较于ξ=0.1的试件，在ξ=0.4时极限承载力提高了95%。基于有限元结果，使用Origin软件进行最小二乘法线性拟合，得到圆台形钢管混凝土柱极限承载力提高系数Fu/Fu，ξ=0.1与套箍系数的关系如式（2）所示，相关系数R2=0.99，表明拟合程度极高。