配筋鋼管混凝土短柱軸心受壓有限元分析

繆 巍 沈卓華 杜紅亮

鋼管混凝土是在薄壁鋼管中填充混凝土，主要用于承受豎向荷載的構(gòu)件。隨著其軸心受壓荷載的增大，鋼管混凝土中的核心混凝土受到管壁的約束力，形成三向受力。鋼管對(duì)混凝土的約束使混凝土處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)之下，從而使混凝土的抗壓強(qiáng)度得以提高，塑性和韌性性能大為改善，延緩了受壓時(shí)的縱向開(kāi)裂，同時(shí)混凝土的存在也避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，增強(qiáng)了穩(wěn)定性，這樣彌補(bǔ)了兩種材料的各自缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)點(diǎn)，這正是鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)所在[1，2]。目前鋼管混凝土在我國(guó)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并在各行各業(yè)形成了成熟的應(yīng)用規(guī)范。近年來(lái)，日本等國(guó)家開(kāi)始嘗試通過(guò)在圓鋼管混凝土柱內(nèi)配置鋼筋，形成配筋圓鋼管混凝土，簡(jiǎn)稱(chēng)RCFT(Reinforced Concrete Filled Tube)，以進(jìn)一步提高柱的承載力和延性。本文通過(guò)有限元分析計(jì)算了配筋鋼管混凝土軸心受壓的理論解，并與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，分析了其中鋼筋的作用，揭示了其中受力機(jī)理。

圖1 普通箍筋配筋鋼管混凝土截面有限元模型

圖2 螺旋箍筋配筋鋼管混凝土有限元模型

考慮到混凝土單元為了避免應(yīng)力集中不應(yīng)劃分過(guò)小，但同時(shí)也能反映出其受力變化的規(guī)律，本文通過(guò)大量的試算，選取合理的尺寸控制，利用映射劃分法，對(duì)鋼管混凝土短柱進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，劃分后的鋼管和混凝土單元如圖3所示。

圖3 配筋鋼管混凝土單元網(wǎng)格劃分

1 配筋鋼管混凝土的有限元模型

本文采用ANSYS進(jìn)行實(shí)體建模[3，4]，在前處理中通過(guò)輸入實(shí)體各控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)來(lái)分別建立圓環(huán)，然后拉伸成鋼管體，中間混凝土為圓柱體。目前大多數(shù)學(xué)者在研究鋼管混凝土?xí)r，假定鋼管和混凝土之間完全粘結(jié)，本文在考慮兩者關(guān)系時(shí)，也同樣假定兩者完全粘結(jié)。創(chuàng)建完成后鋼管模型、混凝土模型及整體模型如圖1，圖2所示。

圖4 配筋鋼管混凝土短柱的整體變形圖

為了模擬試驗(yàn)加載過(guò)程中頂面上的一致變形，將鋼管混凝土頂面上所有節(jié)點(diǎn)的豎向位移耦合在一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上，鋼管混凝土柱的底面采用面上全約束方法模擬試驗(yàn)底部的固端。

材料參數(shù)見(jiàn)表1～表3，本文采用多線(xiàn)性等向強(qiáng)化模型模擬了兩種材料在非線(xiàn)性過(guò)程中的受力情況[5，6]。

表1 混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值N/mm2

表2 混凝土彈性模量×104N/mm2

表3 鋼管的材料特性

另外，鋼管和混凝土之間粘結(jié)也是影響其承載力的因素之一，目前大多數(shù)研究者在分析鋼管混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)都假定它們之間不存在滑移，抑或是在鋼單元和混凝土之間加入滑移單元或間歇單元(Gap Element)來(lái)研究鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，但結(jié)果表明考慮界面之間的粘結(jié)滑移性能對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的影響很小。因而，本文在管壁與混凝土間設(shè)立了接觸單元，并假定鋼管和混凝土之間完全粘結(jié)，不存在滑移。同時(shí)不考慮混凝土的收縮、徐變及破壞時(shí)鋼管的局部屈曲對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的影響。

2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)比作者在文獻(xiàn)[7]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表4所示，列出了有限元分析的最大極限承載力與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的最大極限承載力及其相對(duì)誤差，可以看出最大誤差不超過(guò)12%，說(shuō)明建立的模型是合理可行的，其中E40-A試件誤差較大可能是由于試驗(yàn)材料本身的誤差和離散性造成的。

表4 試件列表及其破壞荷載

混凝土強(qiáng)度對(duì)于配筋與無(wú)配筋鋼管混凝土具有相似的影響，對(duì)于C30以下的鋼管混凝土可有效提高其承載力，而對(duì)于C30以上的，則作用有限。鋼管混凝土承載力高，主要是因?yàn)榛炷恋臋M向變形被束縛，核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而大幅提升了其承載力。隨著混凝土強(qiáng)度的提高，其變形能力隨之下降。在鋼管混凝土中采用高強(qiáng)混凝土?xí)r，核心混凝土在荷載的作用下，產(chǎn)生了縱向和橫向的變形。由于高強(qiáng)混凝土的變形能力較弱，其橫向變形相對(duì)較小，鋼管無(wú)法有效約束其橫向變形，因而其承載力提高有限。

配筋鋼管混凝土的受力破壞過(guò)程與普通鋼管混凝土相似但略有不同，在本文中，通過(guò)對(duì)比有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)定，兩者破壞形態(tài)基本吻合，兩者破壞過(guò)程也基本相同，有限元模型忠實(shí)反映了配筋鋼管混凝土從加載到破壞的全過(guò)程，如圖4所示。由于配筋鋼管混凝土從加載到破壞的過(guò)程中，鋼管始終密封，無(wú)法直接觀察到配筋鋼管混凝土內(nèi)部破壞過(guò)程，因而必需要借助有限元軟件進(jìn)行分析。

在對(duì)比了試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果后，確定了兩者的一致性，并以配筋鋼管混凝土試驗(yàn)為基礎(chǔ)，配合非線(xiàn)性有限元分析結(jié)果，得出配筋鋼管混凝土的破壞過(guò)程:與一般鋼管混凝土類(lèi)似，在配筋鋼管混凝土的加載過(guò)程中，初始加載時(shí)，由于鋼材泊松比大于混凝土的泊松比，鋼管對(duì)混凝土不產(chǎn)生緊箍作用，縱向鋼筋、鋼管和混凝土共同承擔(dān)豎向荷載，此時(shí)配筋鋼管混凝土整體處于彈性階段。隨著荷載的加大，鋼管對(duì)混凝土產(chǎn)生了緊箍力，混凝土與鋼管的界面裂縫開(kāi)裂和擴(kuò)展就受到抑制，而箍筋也開(kāi)始發(fā)揮其緊箍作用，但其作用范圍僅限于核心混凝土。

隨著荷載的進(jìn)一步加大，鋼管混凝土進(jìn)入彈塑性階段，微裂縫繼續(xù)向內(nèi)擴(kuò)展，橫向變形增大，縱向鋼筋達(dá)到彈性極限狀態(tài)，并逐漸開(kāi)始側(cè)向彎曲，方向與柱整體橫向變形一致。隨著變形的進(jìn)一步增大，緊箍力對(duì)混凝土和縱筋的抑制作用仍然有效，裂縫的發(fā)展較緩慢，縱向鋼管也進(jìn)入了塑性工作狀態(tài)，如圖5所示，鋼筋的應(yīng)力基本相同。荷載進(jìn)一步加大，當(dāng)構(gòu)件工作進(jìn)入完全塑性階段，鋼管混凝土產(chǎn)生了貫通的裂縫，混凝土與縱向鋼筋產(chǎn)生剝離。隨著變形的進(jìn)一步增大，貫通的裂縫逐漸增多，核心混凝土整體性完全被破壞，見(jiàn)圖6，此時(shí)認(rèn)為配筋鋼管混凝土發(fā)生了破壞。

圖5 極限狀態(tài)時(shí)縱向鋼筋的應(yīng)變

圖6 極限狀態(tài)時(shí)縱向鋼筋的變形和應(yīng)力

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)配筋鋼管混凝土進(jìn)行有限元分析，主要得到以下結(jié)論:

在鋼管混凝土中增加縱向鋼筋能有效提高鋼管混凝土的承載能力。分析結(jié)果表明，其承載力的提高主要源于縱向鋼筋受多向約束，變得不易失穩(wěn)，從而有效提高了承載力;與此同時(shí)縱筋和箍筋對(duì)于核心混凝土的約束也對(duì)其承載力有一定貢獻(xiàn)。

[1]鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003:8.

[2]蔡紹懷.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1959.

[3]干 穎.鋼管混凝土性能分析[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士論文，2001.

[4]蔣友瓊.非線(xiàn)性有限元[M].北京:北京工業(yè)出版社，1988.

[5]何君毅，林祥都.工程結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性問(wèn)題的數(shù)值解法[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1994.

[6]李皓月，周田朋，劉相新.ANSYS工程計(jì)算應(yīng)用教程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2003.

[7]繆 巍.配筋鋼管混凝土短柱軸心承載力試驗(yàn)研究[J].山西建筑，2010，36(5):79-81.