赵国辉 何兆芳 王 红

(中国十七冶新型建筑制品与物流公司，安徽 马鞍山 243000)

·结构·抗震·

钢骨—方钢管混凝土柱偏压受力性能的有限元分析

赵国辉 何兆芳 王 红

(中国十七冶新型建筑制品与物流公司，安徽 马鞍山 243000)

基于15根方钢管混凝土柱偏压受力试验，用ANSYS软件对试验结果进行对比分析，当两者吻合较好的情况下，在组合柱中心设置十字形钢骨，进一步扩大试验参数范围，并根据试验和数值模拟结果对钢骨—方钢管混凝土柱在不同钢管宽厚比和套箍系数影响下的偏压受力性能做出了推论，以供参考。

钢骨，方钢管混凝土柱，偏压受力，套箍系数，配骨率

1 概述

钢管混凝土结构不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能够充分发挥两者的优点,因而在实际工程中被广泛的应用，但国内对钢骨—方钢管混凝土柱的研究不多[1]。王著等用切线模量理论对方钢管混凝土轴压柱承载力做了分析，将核心混凝土等效成钢来讨论，避免了求解时的迭代；吕西林等通过试验研究指出方钢管混凝土短柱在大宽厚比情况下也能达到并超过二者承载力之和，超过幅度在其试验中为5%～30%[2]；韩林海等通过理论分析和试验研究指出，方钢管对其核心混凝土的约束效果不如圆钢管显著，但仍有良好的效果，并用约束效应系数来估算这种约束作用[3]。

2 材料参数及本构关系模型

2.1 材料参数

本文中方钢管和混凝土的材料参数均来自于试验，十字形钢骨取自于文献[4]。各材料的性质如表1～表3所示。

表1 方钢管的材料参数

表2 混凝土的材料参数

2.2 材料本构关系模型

2.2.1 核心混凝土本构关系模型

表3 钢骨的材料参数

在综合考虑各种本构关系对方钢管混凝土柱的适用性后，本文采用美国E.Hognestad建议的混凝土本构关系模型[5]。

2.2.2 钢材的本构关系模型

本文钢材的本构关系均采用双直线的理想弹塑性模型(Drucker Prager)[5]。

2.3 试验简介

本试验在内蒙古科技大学结构实验室5 000 kN长柱试验机上进行,采用刀口铰加载[6]。从已计算出的诸多试件中选出四根，其试验的设计参数如表4所示。

表4 试验数据

3 方钢管混凝土柱的有限元分析与试验对比

诸多试验结果证明，在保证型钢表面混凝土厚度的条件下，它们之间的粘结滑移是很小的，因此在进行有限元分析时，可忽略型钢与混凝土之间的滑移[7]。

方钢管和钢骨采用Solid45号单元，混凝土则采用Solid65号单元。

3.1 边界约束与加载

为了获得较为规则的六面体单元，需沿钢管壁厚方向进行切割，并采用映射网格划分单元。为了精确地模拟试验，在柱顶施加20 mm厚刚性垫块，其弹性模量设为2.0×1011，泊松比仍为0.3，此垫块仍为Solid45,在柱底面节点施加三个方向(X，Y，Z)的位移全约束，柱顶施加偏心位移荷载，提取柱底面约束反力，并采用多荷载步加载，其荷载与位移约束见图1。

3.2 有限元求解结果分析

图1为所有组合柱的荷载—位移关系曲线，并与试验所得曲线进行对比。

由图1荷载—位移曲线可得出以下结论：

1)15根试件的数值计算所得的荷载—位移曲线与试验结果吻合较好，从图上看，整个试件受荷都经历三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段。

2)由荷载—位移图可知，数值模拟结果均小于试验值。原因是：有限元模拟只要有局部压应力或拉应力过大而超过材料应力许可范围，最终导致局部破坏，有限元就会终止计算。而试验则不同，只要试件整体不失稳，仍能继续受力，直至试件完全破坏，但这并不影响结果分析。

3)数值模拟所得的屈服荷载与极限荷载与试验值大致吻合，误差不超过9.7%，其中FGZ-6和GZ-9误差较大，这可能是由于试验的离散型所致。

4)随着混凝土强度减小、偏心率增大以及柱长增加，组合柱极限承载力不断地减小。

3.3 钢骨—方钢管混凝土柱的有限元分析

3.3.1 钢骨—方钢管混凝土柱有限元模型的建立

利用分离式建模，并假设钢管与混凝土以及钢骨与混凝土之间无滑移，并认为它们之间完全粘结，目前大多数研究者通常采用此种方法。

组合柱截面见图2。

组合柱有限元模型见图3。

3.3.2 有限元计算结果

笔者经过大量计算，本文以+FGZ1-8柱为例，分析有限元计算结果，具体参数见表5。

钢骨—方钢管混凝土柱破坏形态分析:

从图4a)～图4d)可以看出：在钢骨—方钢管混凝土柱达到极限荷载时，受压侧钢管和钢骨已经屈服，而受拉侧钢管和钢骨均未屈服，即未出现屈服应力；

从图4e)和图4f)可以看出，混凝土受压侧应力应变强度不是很高，这说明由于方钢管和钢骨的存在，使混凝土处于三向受压状态，其强度得以提高。

3.4 影响钢骨—方钢管混凝土柱偏压受力性能的各因素分析

根据前面的分析，方钢管混凝土柱的偏压承载力受到众多因素的影响，经过数值模拟来进行计算分析。本文就针对钢管宽厚比以及套箍系数对组合结构柱偏压受力性能的影响，分别进行了研究。

3.4.1 方钢管宽厚比β的影响

在混凝土强度为32.82 MPa,柱长为2.165 m，偏心率为0.333，方钢管截面尺寸分别为150 mm×150 mm，200 mm×200 mm，400 mm×400 mm,钢骨厚度为8 mm时，分别分析不同的钢骨—方钢管混凝土柱的偏压受力性能。

荷载—位移关系对比：

图5为不同宽厚比影响下的荷载—位移关系曲线，在其他条件不变的情况下，可以得出以下结论：随着宽厚比的增大，组合柱的承载力迅速增大，尤其是极限承载力大幅提高，这说明增大柱截面，可以使组合柱的抗压强度得到很大提高；随着宽厚比的增大，曲线上升段的斜率和下降段的斜率在增大，这表明柱的刚度得以提高。

3.4.2 套箍系数ξ的影响

在混凝土强度为30.41 MPa，偏心率为0.333，柱长为1.3 m,方钢管截面尺寸分别为200 mm×200 mm×4.5 mm，200 mm×200 mm×

6.0 mm，200 mm×200 mm×7.8 mm时,分别分析钢骨—方钢管混凝土柱的偏压受力性能。

注：套箍系数：

ξ=Asfy/Acfck。

其中，As和Ac分别为钢管和混凝土的横截面面积；fy为钢材的屈服强度；fck为混凝土抗压强度标准值。

从图6可以看出，随着套箍系数的增大，提高了组合柱的偏压承载力。这主要是因为钢管对混凝土能提供足够的约束，使核心混凝土的强度得到提高。套箍系数能很好反映钢管和混凝土组合作用的强弱；随着套箍系数的增大，曲线上升段的斜率明显变大，这说明套箍系数不但增大了核心混凝土的强度，而且还提高了混凝土的延性。

4 结语

本文方钢管混凝土柱的有限元模拟与试验结果吻合良好，其最大极限承载力误差不超过9.7%，说明本文模型的建立、边界条件的施加以及材料本构关系的选取基本正确。

通过对钢骨—方钢管混凝土柱偏压受力性能的有限元分析，可知：

1)组合柱的承载力随着混凝土强度的提高而增大，但延性却逐渐降低。

2)组合柱的承载力随钢管宽厚比的增大而迅速增大，同时柱延性和刚度大大增加。

3)由于钢管对核心混凝土能提供足够的约束，不但增大柱的承载力，而且延性也有所增加。

[1] 钟善桐.钢管混凝土结构[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1994.

[2] 蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3] 韩林海.钢管混凝土结构[M].北京：科学出版社，2004.

[4] 徐亚峰，宋玉峰，丁 或，等.十字形钢骨混凝土异形柱轴心受压承载力研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2007，23(6)：39-40.

[5] 东南大学，天津大学，同济大学，等.混凝土结构设计原理[M].第3版.北京：中国建筑工业出版社，2004.

[6] 闻 洋，郝铭科，李 斌.方钢管混凝土偏压柱受力性能的试验研究[D].包头：内蒙古科技大学，2009.

[7] 薛建阳.型钢混凝土柱粘结滑移性能及ANSYS数值模拟方法研究[J].建筑钢结构进展，2009(5)：17-18.

Steel bone-column bias stress finite element analysis of the performance of concrete filled square steel tubes

ZHAO Guo-hui HE Zhao-fang WANG Hong

(China17thMetallurgyNewBuildingProductandLogisticCompany,Ma’anshan243000,China)

Basing on the 15 squares steel pipe concrete column bias stress test, comparison and analysis of test results are performed by using of ANSYS software, when both are good circumstances, cross-shaped steel bone is set in the center of the composite column, further expand the scope of the test parameters, according to the result of experiment and numerical simulation of steel bone-square steel pipe concrete column, biasing force performance is concluded in different the influence of steel ratio and charity set and coefficient of ferrule, for reference.

steel bone, square steel pipe concrete column, bias stress, coefficient of ferrule, bone ratio

1009-6825(2014)11-0029-03

2014-02-08

赵国辉(1984- )，男，硕士，助理工程师； 何兆芳(1970- )，女，硕士，教授级工程师； 王 红(1967- )，女，助理政工师

TU398

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