內灌砂鋼管柱受力性能有限元分析

徐　鑫， 陳建兵， 俞志豪

(蘇州科技大學 土木工程學院， 江蘇 蘇州　215011)

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內灌砂鋼管柱受力性能有限元分析

徐鑫， 陳建兵， 俞志豪

(蘇州科技大學 土木工程學院， 江蘇 蘇州215011)

摘要：內灌砂鋼管柱是目前橋梁施工中常用的一種臨時支撐結構，為研究其受力特征，采用ABAQUS軟件建立其不同構造參數的有限元模型。經模擬計算分析，得到了軸心荷載作用下各模型的極限承載能力，對比了鋼管柱、混凝土鋼管柱與內灌砂鋼管柱的荷載-位移曲線、荷載-應變曲線變化規(guī)律。在內灌砂密實度相同情況下，討論了長細比、徑厚比、含鋼率等3參數對內灌砂鋼管柱的縱向位移和縱向應變的影響，且其承載力隨三者變化也較為顯著。該研究結果對內灌砂鋼管柱在橋梁施工中的推廣應用提供了參考。

關鍵詞：內灌砂鋼管柱； 受力性能； 軸心受壓； 有限元； 承載力

0引言

隨著國民經濟的高速發(fā)展，各類重大工程、建設項目包括大跨度空間結構、高層結構也日益增多。為了滿足這些大型結構的施工順利進行和施工質量的保證，需要搭設穩(wěn)定的臨時結構來輔助施工。當前常用的臨時支撐可分為整體式穩(wěn)定體系、半穩(wěn)定體系、單點支撐體系三種類型[1]。在施工中由于鋼管柱單點支撐安裝簡單、施工成本少、并可周轉使用等特點，所以在工程施工較為常見，且備受工程界青睞[2]。

在鋼管中灌入砂子而形成的支撐柱，由于其承載能力、穩(wěn)定性等特性皆較空心鋼管支撐優(yōu)越，近幾年來，工程界已對其進行相關應用及研究。如文獻[3]把內灌砂鋼管柱作為鋼筋混凝土樁的接長支架結構、文獻[4]把灌砂鋼管柱成功應用于基坑圍護中、文獻[5]研究了砂卵石的不同壓實度對內灌砂卵石方薄壁鋼管柱承載力性能的影響。但內灌砂鋼管柱獨立作為支撐結構，例如如圖1所示，還鮮見有相關研究報道。因而，有必要對其受力性能進行研究。

圖1　某橋梁內灌砂鋼管臨時支撐柱

本文采用ABAQUS有限元軟件建立了砂鋼管柱的結構模型，通過對其長細比、徑厚比、含鋼率等參數研究，分析了其對砂鋼管柱受力性能的影響。

1構件設計

參照圖1中內灌砂鋼管支撐柱的實際尺寸進行縮尺，設計了直徑分別為89、108、133 mm 等3種不同長細比的內灌砂鋼管柱，鋼管皆采用強度等級為Q235的鋼。為對比其受力性能，又分別設計了1根鋼管柱和內灌C20混凝土的鋼管混凝土柱。構件設計參數見表1所示。在表1中，SFST表示鋼管砂；CFST表示鋼管混凝土；ST表示空心鋼管；D為鋼管外直徑；L為試件長度；λ為長細比；α為含鋼率。

表1 構件設計參數試件編號D/mmL/mmt/mmλα/%SFST18953546.0117.2SFST210855045.0914.3SFST310845044.1714.3SFST410865046.0114.3SFST510855055.0917.7SFST610855035.0910.8SFST713379946.0111.7ST110855045.0914.3CFST110855045.0914.3

2模型建立

2.1組建構件

根據表1中的構件設計參數，建模時內灌砂鋼管柱采用全截面形式，并在柱上下端各設置尺寸為170 mm×170 mm×10 mm的剛度無窮大的墊塊作為加載板。底墊塊板采用固定端約束，頂墊塊板約束X和Y方向自由度。其組成結構如圖2所示。

圖2　支撐柱組成結構(單位： mm)

2.2材料本構模型

應力-應變關系是工程結構受力過程中材料受力和變形關系的概括，是內部微觀機理的宏觀表現。對應力-應變關系模型準確的確立關系到有限元軟件模擬的準確性，以下依次對鋼材、混凝土、砂子的本構模型參數進行確定。

2.2.1鋼材本構模型

鋼材本構模型選取雙直線模型[6]，其應力-應變關系為：

(1)

式中：σ為鋼材等效應力；取fu=1.5 fs；鋼管的彈性模量為Es=2.1×105MPa；εi為鋼管的等效應變；εy為鋼管屈服時應變；εst為鋼管強化時的應變；εu為鋼管達到極限強度時的應變，取εst=12εy，εu=120εy，ζ=1/216。

2.2.2混凝土本構模型

混凝土本構關系模型采用ABAQUS中自帶的混凝土損傷塑性模型，其受壓應力-應變關系模型參數取值參考文獻[6]。具體表達式如下：

(2)

2.2.3砂子本構模型

ABAQUS中拓展的Drucker-Prager模型根據屈服面在子午面上的形狀分為3種：線性D-P模型，雙曲線D-P模型和指數型D-P模型。文中砂子本構采用線性D-P模型，該模型是目前為止巖土工程方面運用十分廣泛的本構模型，可以很好地反映巖土非線性變形的特點[7，8]。

線性Drucker-Prager模型的屈服函數為[8]：

F=t-ptanβ-d=0

2.3加載方法

在有限元求解過程中考慮相關非線性因素，采用位移增量迭代法加載的方式施加荷載，利用Amplitudes方法建立加載規(guī)律，將位移加在軸心RP1點與上墊塊的耦合處。進而利用位移反算荷載以得到荷載-位移曲線、荷載-應變曲線。

2.4有限單元劃分及界面的處理

圓鋼管砂中的鋼管采用4節(jié)點殼單元(S4R)，砂和混凝土以及剛性加載板均采用8節(jié)點三維實體單元(C3D8R)，該種單元類型計算精度比較低，但計算自由度可以減少很多，從而加快有限元軟件計算速度。整個模型采用六面體結構化網格劃分，在進行網格劃分的時候，根據計算精度要求，對鋼管、砂子、混凝土進行精細化劃分，加載板則粗略劃分。網格劃分見圖3所示。

　a) 有限元模型　　b) 加載板剛體　　c) 砂實體單元　　d) 鋼管殼單元　

為考慮受壓過程中鋼管和砂協(xié)同受力，本文定義加載板與內灌砂為綁定約束，加載板和鋼管端采用殼實體耦合，鋼管和砂之間定義庫倫摩擦，具體參數參見文獻[7]，該模型有法向接觸和切向黏結構成。

3計算結果分析

ABAQUS模擬計算所得到的各個模型極限承載力及縱向位移的計算值，其中CFST1柱抗壓承載能力為791.43 kN，約為SFST2柱承載力的1.32倍，SFST2柱的峰值荷載相比與ST1柱提高了約35%左右。不同長細比、徑厚比、含鋼率砂柱的極限承載力也有所不同，但較純鋼管柱都有所提高，見表2所示。

3.1灌砂柱受力特征

這里僅以模型SFST2為例進行內灌砂鋼管柱的受力分析，其在軸心壓力下的變形及云應力分布如圖4所示。

在模擬計算過程中，當加載接近極限荷載600 kN時，受壓柱兩端發(fā)生局部屈曲，壓力稍微增加模型呈現出破壞現象，表明其已喪失承載能力。從圖4b、圖4c可以看出鋼管和砂子整體壓應力分布均勻，但在荷載作用下鋼管首先受力，之后內灌注砂即協(xié)同鋼管共同受力。由于鋼管的約束效應，靠近鋼管外圍的砂子首先出現了屈服，其應力明顯大于管內近圓心砂子。

表2 各模型參數模擬值試件編號Δ/mmNu/kNμ1SFST12.5574.981.23SFST22.56600.781.29SFST32.56680.121.45SFST42.54557.811.19SFST52.52654.471.4SFST62.52554.471.19SFST72.5399.970.86ST12.49467.481CFST12.62791.431.69 注:Δ為縱向位移;Nu為極限承載力;μ1為各試件的極限承載力與試件ST1承載力之比。

　a) 整體變形圖　　b) 鋼管云應力　　c) 砂柱云應力　

3.2荷載-縱變形曲線

圖5給出了CFST1和ST1與基本模型SFST2的荷載-縱向變形對比曲線。從圖中曲線變化可以看出，CFST1柱在彈性階段荷載上升比較快，說明在開始階段就具有較高的剛度，進入屈服階段后縱向位移逐漸增大。ST1和SFST2在彈性階段曲線幾乎重合，隨后ST1先開始出現屈服，SFST2柱仍繼續(xù)上升，其峰值點荷載較ST1明顯提升。3種模型的峰值荷載對應的縱向位移基本相同，在加載后期鋼管砂柱荷載值略微下降，曲線下降段較小而鋼管混凝土柱和純鋼管柱則無明顯下降段。

圖5　荷載-縱變形曲線

3.3荷載-縱應變曲線

模型CFST1、ST1、SFST2的荷載-縱向應變曲線如圖6所示，可以看出在相同條件下鋼管混凝土柱的應變延性最好，相比于鋼管柱，砂管柱具有較好的抵抗變形能力，其縱向應變約為鋼管柱的2倍左右?？梢赃@么認為，具有一定壓實度的內灌砂鋼管柱可以增強鋼管柱的自生穩(wěn)定性，從而保證構件具有更高的承載能力。

圖6　荷載-縱應變曲線

3.4結構參數對灌砂柱的影響

3.4.1長細比

圖7為不同長細比λ的鋼管砂柱的荷載-縱向位移曲線、荷載-應變曲線。從中可以看出，長細比λ=4.17的SFST3荷載曲線上升最快，峰值荷載達到700 kN左右，而后逐漸略微有所下降。當長細比由4增加到6時，承載力下降了約19%。這是由于隨著長細比的增大，構件開始由短柱向長柱發(fā)展，承載力會逐漸減小，因而長細比為4左右的鋼管砂具有最大承載力。隨著λ的增加荷載-應變曲線也開始下降，構件的后期延性略有降低，如圖7b所示。

圖7　不同長細比影響

3.4.2徑厚比

圖8a所示，在其它條件相同的情況下，SFST2、SFST5、SFST6灌砂柱的荷載-位移曲線的彈性階段幾乎重合，表明這三類砂柱具有相近的初始剛度。隨著管壁的厚度(徑厚比)增加，構件的極限承載能力也有所提高，如t=5 mm(徑厚比為21.6)比t=3(徑厚比為36)的構件提高約20%，但荷載后期縱向位移變化則基本一致，可以說明具有相近的延性。圖8b可以看出，這些構件達到峰值荷載時對應的縱向應變基本差不多，相比于厚度小的鋼管砂柱，厚度大的具有更高的抵抗變形能力。

圖8　不同徑厚比影響

3.4.3含鋼率

含鋼率對構件的承載力也很大，如圖9所示，不同含鋼率α變化范圍為11.7%～17.2%時的3種構件的荷載-位移曲線、荷載-應變曲線。結果表明，在其他條件相同的情況下，構件SFST1較SFST7的α的增加了47%，其承載值提高了70%左右。圖9b結果表明，隨著α的變化，縱向應變也相應的提高，但在后期荷載中不為明顯。

圖9　不同含鋼率影響

4結論

1) 在軸心受壓作用力下，具有一定壓實度的灌砂鋼管柱由于砂和圓鋼管共同作用，一定程度上延緩了圓鋼管柱的屈曲，改善鋼管柱的整體穩(wěn)定性。相比于鋼管柱，灌砂鋼管柱的軸心抗壓承載能力提高了約35%左右。相對于鋼管混凝土柱，這種新型的灌砂鋼管柱臨時支撐可以重復利用原料，具有經濟性和環(huán)保性的特點。

2) 長細比不同的鋼管砂柱，在軸心受壓作用力下，長細比為4的構件具有最高的承載力，隨著長細比的增加，極限承載力隨之下降，各構件的荷載位移、荷載應變形狀基本相似。長細比變化對構件的極限承載力較為明顯。

3) 徑厚比和含鋼率對鋼管砂柱的承載能力有一定的影響，尤其是含鋼率的變化更為明顯。含鋼率提升6%左右，其鋼管砂柱的極限承載能力提高了70%左右。

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文章編號：1008-844X(2016)02-0165-05

收稿日期:2016-01-07

作者簡介:徐鑫( 1991-) ，男，碩士研究生，主要從事橋梁結構的研究

通訊作者:陳建兵( 1968-) ，男，教授，主要從事橋梁結構的研究。

中圖分類號：U 445

文獻標識碼：A