圓中空夾層鋼管混凝土內(nèi)管徑厚比限值探討

黃宏

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌 330013）

圓中空夾層鋼管混凝土內(nèi)管徑厚比限值探討

黃宏

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌 330013）

圓中空夾層鋼管混凝土是一種新型的組合結(jié)構(gòu)，合理確定其內(nèi)鋼管的徑厚比限值對該類構(gòu)件的設(shè)計(jì)有著重要指導(dǎo)作用。采用有限元軟件ABAQUS建模，對軸心受壓下圓中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件的內(nèi)鋼管與混凝土的相互作用進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果可模擬內(nèi)管的邊界條件，進(jìn)而研究內(nèi)管徑厚比對構(gòu)件承載力的影響，研究結(jié)果表明內(nèi)管徑厚比越大，就越早出現(xiàn)局部屈曲。對比不同徑厚比情況下局部屈曲對內(nèi)管和外管承載力的影響，結(jié)果表明局部屈曲對外管承載力的影響要略大于內(nèi)管，建議內(nèi)管徑厚比限值可采用外管的徑厚比限值。

中空夾層鋼管混凝土；內(nèi)管；徑厚比

中空夾層鋼管混凝土是指將兩層鋼管同心放置，并在夾層之間填充混凝土而形成的構(gòu)件。其具有承載力高、抗震性能好和抗彎剛度大等優(yōu)點(diǎn)，適合于用作高架橋橋墩、建筑物中的大直徑柱以及其它高聳構(gòu)筑物。其內(nèi)、外鋼管可采用圓、方、矩形或其他截面形狀鋼管，本文擬對內(nèi)外管均為圓形的構(gòu)件進(jìn)行研究。自上個世紀(jì)90年代以來，美、日、澳大利亞和我國的部分學(xué)者先后開展了一些有關(guān)其力學(xué)性能的研究工作[1]。作者所在課題組已經(jīng)對此類構(gòu)件的軸壓、純彎、壓彎、滯回性能進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究，研究成果已經(jīng)在國內(nèi)外期刊發(fā)表[2-7]。該類構(gòu)件在受力過程中，內(nèi)鋼管對混凝土起支撐作用，如果內(nèi)鋼管徑厚比過大，在受力過程中內(nèi)鋼管會提前出現(xiàn)局部屈曲，對混凝土的支撐作用也減弱，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度不能充分發(fā)揮；由于內(nèi)鋼管靠近截面形心，對于抗彎剛度的貢獻(xiàn)較小，如果內(nèi)鋼管徑厚比較小，會浪費(fèi)材料；基于上述因素，合理確定內(nèi)鋼管的徑厚比限值對該類構(gòu)件的設(shè)計(jì)有著重要指導(dǎo)作用。但目前國內(nèi)外尚無內(nèi)管徑厚比限值研究的報(bào)道。

本文擬采用有限元軟件ABAQUS建模，對軸心受壓下圓中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件的內(nèi)鋼管與混凝土的相互作用進(jìn)行分析，進(jìn)而研究內(nèi)管徑厚比對構(gòu)件承載力的影響，最后提出內(nèi)管徑厚比限值的建議。

1 相互作用力分析

中空夾層鋼管混凝土中的內(nèi)管由于受到了混凝土的約束作用，討論其徑厚比限值之前要先了解其與混凝土之間的相互作用力。

采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模，對圓中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件在軸壓荷載作用下受力全過程進(jìn)行計(jì)算，由于篇幅所限，詳細(xì)的建模過程見文獻(xiàn)[4]或文獻(xiàn)[6]。

典型算例的基本計(jì)算條件為：構(gòu)件長度L=1 200 mm，外管直徑Do=400 mm，厚度to=9.31 mm，徑厚比Do/to=43，內(nèi)管直徑Di=191 mm，同時為了明確內(nèi)管徑厚比對內(nèi)管與混凝土之間的相互作用pi的影響，本文選取內(nèi)管管壁厚度ti=3.18，1.9，1.3 mm，由此得內(nèi)管的徑厚比Di/ti=60，100，147，內(nèi)外鋼管屈服強(qiáng)度fyo=fyi=345 MPa，混凝土強(qiáng)度fcu=60 MPa。

圖1為構(gòu)件跨中截面處相互作用力pi隨構(gòu)件縱向應(yīng)變的變化曲線。由圖可見，在加載初期（應(yīng)變約0.001 4以內(nèi)），由于鋼管的泊松比（γc=0.3）要大于混凝土的泊松比（γc=0.2），鋼管的橫向變形要大于混凝土，因而混凝土對內(nèi)鋼管有微小的壓應(yīng)力。隨著縱向應(yīng)變的增長，混凝土進(jìn)入彈塑性階段，混凝土的微裂縫不斷發(fā)展，其橫向變形系數(shù)開始超過鋼管，內(nèi)管對混凝土的微小壓應(yīng)力逐漸減弱為0，并出現(xiàn)拉應(yīng)力，表明此時內(nèi)管與混凝土有分離的趨勢?；炷吝_(dá)到峰值應(yīng)力以后，由于混凝土向外的橫向變形受到外管較強(qiáng)的約束，橫向變形的速度減小，內(nèi)管在進(jìn)入彈塑性后的橫向變形速度趕上了混凝土，重新對混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力。內(nèi)管徑厚比越大，內(nèi)管與混凝土之間的相互作用力pi越小。

2 徑厚比的影響

上述建模方法可以對內(nèi)管與混凝土的相互作用進(jìn)行研究，但是由于無法正確模擬內(nèi)管的局部屈曲，也就無法考察徑厚比對內(nèi)管承載力的影響。下面將采用一種近似的方法對內(nèi)管的受力過程進(jìn)行模擬，以期模擬出與實(shí)際接近的破壞模態(tài)，進(jìn)而對徑厚比的影響進(jìn)行分析。

由內(nèi)管與混凝土的相互作用力分析可知，內(nèi)管受到了混凝土的約束作用，其向外的屈曲受到了限制，為了模擬內(nèi)管的力和位移邊界條件，將內(nèi)管放入剛性較大的筒體當(dāng)中，內(nèi)管與筒體之間的接觸條件為無摩擦的硬接觸，如圖2所示。先對內(nèi)管施加一定環(huán)向壓應(yīng)力，壓應(yīng)力大小由內(nèi)管與混凝土的相互作用力分析得到（因?yàn)榄h(huán)向壓應(yīng)力對內(nèi)管的向內(nèi)屈曲是不利的邊界條件，壓應(yīng)力大小取pi-ε關(guān)系曲線中最大值），再對內(nèi)管施加軸向的位移荷載。

在對內(nèi)管的破壞形態(tài)分析時，需要合理地考慮初始缺陷影響。內(nèi)管向外的屈曲受到混凝土的限制，參考實(shí)心鋼管混凝土中鋼管向外的屈曲位移函數(shù)[8]，本文假設(shè)內(nèi)管向內(nèi)的屈曲位移函數(shù)為

式中：ω0為最大缺陷位移，其取值參照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范（GB 50205-2001）》對鋼管外形尺寸允許偏差的規(guī)定取D/500（D為鋼管直徑）；z為構(gòu)件長度方向的坐標(biāo)；L為構(gòu)件長度；m為半波數(shù)，這里取1。下面采用上述有限元模型對不同徑厚比的內(nèi)管的破壞形態(tài)和受力過程進(jìn)行分析。

圖3為不同徑厚比的內(nèi)管首次出現(xiàn)局部屈曲時的應(yīng)變值比較。由圖可知，內(nèi)管徑厚比越大，越早出現(xiàn)局部屈曲。圖4是縱向平均應(yīng)變?yōu)?.05時不同徑厚比的內(nèi)管的破壞形態(tài)。由圖可見，所有內(nèi)管都出現(xiàn)了不同程度的向內(nèi)的屈曲，這種破壞模態(tài)與實(shí)驗(yàn)[6]的情況相同。隨著徑厚比的的增大，內(nèi)管向內(nèi)的屈曲的程度和范圍也相應(yīng)的增大。這說明徑厚比對內(nèi)管的破壞形態(tài)影響較大，徑厚比越大，內(nèi)管向內(nèi)的屈曲破壞越嚴(yán)重。

圖5為不同徑厚比內(nèi)管的平均應(yīng)力（σ）和縱向應(yīng)變（ε）關(guān)系曲線。由圖可見，在彈性階段徑厚比對曲線無影響，徑厚比越大，內(nèi)管的屈服應(yīng)力越小。這是由于徑厚比越大，局部屈曲出現(xiàn)越早的緣故。

3 內(nèi)管徑厚比限值的探討

目前對于實(shí)心鋼管混凝土中外管的徑厚比限值已經(jīng)有相應(yīng)的規(guī)范規(guī)定。下面將通過對比內(nèi)管和外管的徑厚比對承載力的影響，來探討內(nèi)管的徑厚比限值。當(dāng)圓鋼管作為鋼管混凝土的外管時，其所受到的約束條件與內(nèi)管相反，即向內(nèi)的屈曲受到限制，且內(nèi)側(cè)管壁受到混凝土的壓應(yīng)力作用。參照內(nèi)管的有限元模型來建立近似的外管受力模型，在圓鋼管內(nèi)創(chuàng)建剛性較大的圓柱體，以此模擬外管的向內(nèi)屈曲受到限制，對外管的管壁內(nèi)側(cè)施加均勻分布的壓應(yīng)力，壓應(yīng)力的數(shù)值參考了外鋼管與混凝土的相互作用力[6]。

圖6為同一鋼管分別作為內(nèi)管和外管時，在軸向荷載作用下縱向應(yīng)力σ和縱向應(yīng)變ε的關(guān)系曲線比較。圖中比較了三種徑厚比的鋼管，由圖可見，用作內(nèi)管的承載力整體上比用作外管的承載力高；當(dāng)徑厚比D/t=147時，由于內(nèi)管局部屈曲的發(fā)展，其σ-ε關(guān)系曲線出現(xiàn)了小幅度的短暫下降，隨后又繼續(xù)平穩(wěn)的上升，說明在徑厚比D/t較大的情況下，內(nèi)管具有較高的后屈曲強(qiáng)度。由此，可以推測圓鋼管用作內(nèi)管和用作外管時，局部屈曲對其承載力的影響接近，因此圓鋼管作為內(nèi)管時，其徑厚比限值可以采用外管的徑厚比限值，即鋼管的徑厚比不得大于空鋼管徑厚比限值的1.5倍[9]，其中空鋼管徑厚比限值可參考文獻(xiàn)[10]取值（即23 500/fy，fy為鋼管的屈服強(qiáng)度）。

4 結(jié)語

通過本文的分析可得如下結(jié)論：

1）內(nèi)管徑厚比越大，內(nèi)管與混凝土之間的相互作用力越小。

2）內(nèi)管徑厚比越大，越早出現(xiàn)局部屈曲，內(nèi)管向內(nèi)的屈曲破壞越嚴(yán)重。

3）內(nèi)管的徑厚比限值可采用1.5倍的空鋼管徑厚比限值。

[1]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實(shí)踐[M].2版.北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]HAN LINHAI，HUANG HONG，TAO ZHONG，ZHAO XIAO LING.Concrete-filled double skin steel tubular（CFDST）beam-columns subjected to cyclic bending[J].Engineering Structures，2006，28（12）：1698-1714.

[3]黃宏，韓林海，陶忠.圓中空夾層鋼管混凝土純彎力學(xué)性能研究[J].工業(yè)建筑，2006，36（11）：15-18.

[4]黃宏，韓林海，陶忠.圓中空夾層鋼管混凝土軸壓工作機(jī)理研究[J].工業(yè)建筑，2006，36（11）：11-14.

[5]HAN LINHAI，HUANG HONG，ZHAO XIAOLING.Analytical behaviour of concrete-filled double skin steel tubular（CFDST）beam-columns under cyclic loading[J].Thin-Walled Structures.2009，47（6）：668-680.

[6]HUANG HONG，HAN LINHAI，TAO ZHONG，ZHAO XIAO LING.Analytical behaviour of concrete-filled double skin steel tubular（CFDST）stub columns[J].Journal of Constructional Steel Reasearch，2010，66（4）：542-555.

[7]黃宏，黃斌潔.圓中空夾層鋼管混凝土純扭構(gòu)件工作機(jī)理研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，27（6）：1-6.

[8]BRADFORD M A，LOH H Y，UY B.Slenderness limits for filled circular steel tubes[J].Journal of Constructional Steel Research，2002，58（2）：243-252.

[9]Architectural Institute of Japan（AIJ-1997）.Recommendations for Design and Construction of Concrete Filled Steel Tubular Structures[S].

[10]GB 50017-2003.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)-鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Limitation of Diameter to Thickness Ratio of Concrete-filled Double-skin Steel Tubular Column（CHS inner and CHS outer）

Huang Hong
（School of Civil Engineering andArchitecture，East of China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Concrete filled double-skin steel tubular（CFDST）column is a new type of composite structure.It will be helpful to design this type of structure if the limitation of diameter to thickness ratio is reasonable.The interaction between the inner steel tube and concrete of CFDST column subjected to axial compression is analyzed by ABAQUS software.On this basis，boundary conditions can be simulated，and the interaction of capacity with different diameter to thickness ratio is researched.The results indicate that the larger diameter to thickness ratio is，the earlier local buckling appears.Influences of local buckling on bearing capacity of internal pipe and outer pipe are compared.The results show that influences of local buckling on bearing capacity of outer pipe are larger than that of internal pipe.It is suggested that the limitation of diameter to thickness ratio of internal pipe can adopt that of outer pipe.

concrete filled double-skin steel tubular（CFDST）；inner steel tube；diameter to thickness ratio

TU312

A

1005-0523（2011）03-0031-04

2011-04-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51008122）；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2009GZC0023）

黃宏(1977－),女，副教授，博士，主要從事組合結(jié)構(gòu)研究。