復(fù)式鋼管混凝土軸壓承載力有限元分析

劉永超 王振吉

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心，遼寧 沈陽 110111)

復(fù)式鋼管混凝土軸壓承載力有限元分析

劉永超 王振吉

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心，遼寧 沈陽 110111)

通過建立有限元分析模型，從空心率、鋼管強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度等方面，分析了影響復(fù)式鋼管混凝土軸壓承載力的主要因素，并提出了軸壓承載力計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)由公式得出的承載力與有限元分析值及試驗(yàn)值吻合較好。

復(fù)式鋼管混凝土，加勁肋，軸壓承載力，有限元分析

外鋼管為方形的中空夾層鋼管混凝土與外鋼管為圓形的中空夾層鋼管混凝土相比具有較大的抗彎剛度，穩(wěn)定性更好；節(jié)點(diǎn)構(gòu)造更為簡(jiǎn)單，便于連接施工，且外形整潔美觀[1]；另一方面，圓鋼管抵抗局部屈曲的能力較強(qiáng)，對(duì)混凝土的約束作用比方形鋼管更顯著[2，3]，而外方內(nèi)圓中空夾層鋼管混凝土同時(shí)具備了以上優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用空間。

研究表明，外方內(nèi)圓中空夾層鋼管混凝土軸壓破壞主要表現(xiàn)為內(nèi)外鋼管的局部屈曲[4]。鋼管的局部屈曲影響了鋼管與混凝土之間的相互作用及鋼管強(qiáng)度的充分利用。而在內(nèi)外鋼管之間增設(shè)加勁肋能夠有效解決內(nèi)外鋼管局部屈曲問題，同時(shí)構(gòu)成了一種新型復(fù)式鋼管混凝土(截面形式見圖1)。本文通過有限元方法對(duì)此種復(fù)式鋼管混凝土短柱的軸壓承載力展開研究。

1 有限元分析模型的建立

1.1 材料的本構(gòu)關(guān)系模型

鋼材本構(gòu)關(guān)系采用五階段模型[3]，具體表達(dá)式如下：

(1)

鋼材的彈性模量為2.06×106MPa，泊松比為0.3[5]。

混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型考慮了鋼管對(duì)其產(chǎn)生的套箍效應(yīng)的影響，具體表達(dá)式如下[5]：

(2)

1.2 接觸設(shè)置

鋼管與混凝土之間采用共節(jié)點(diǎn)接觸模型，計(jì)算精度能夠得到保證，而且大大減少了計(jì)算量。

1.3 邊界條件及網(wǎng)格劃分

由于軸壓構(gòu)件的幾何形狀和邊界條件在X，Y，Z三個(gè)方向上均對(duì)稱，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，取1/8構(gòu)件進(jìn)行建模分析。在與坐標(biāo)軸的3個(gè)方向?qū)?yīng)的對(duì)稱面上設(shè)置相應(yīng)的對(duì)稱邊界條件，并在頂部施加Y方向的軸壓荷載。混凝土和鋼管均采用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行模擬，該類型單元不僅適用于大應(yīng)變分析，還適用于接觸分析[8]。具體邊界條件及網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

2 軸壓承載力參數(shù)影響分析

本節(jié)系統(tǒng)研究了空心率、混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度及鋼管的尺寸對(duì)軸壓承載力的影響。

為了研究加勁肋對(duì)軸壓承載力的影響，比較了有限元法計(jì)算的承載力Nc1與簡(jiǎn)單疊加法計(jì)算的承載力N0的大小。N0=fcAc+fyiAsi+fysAss+fyoAso，其中，Ac，Ass，Asi及Aso分別為混凝土、加勁肋、內(nèi)鋼管及外鋼管的橫截面面積；fys，fyi及fyo分別為加勁肋、內(nèi)鋼管及外鋼管的屈服強(qiáng)度；fc為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。各參數(shù)具體設(shè)置情況及承載力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 軸壓承載力有限元結(jié)果與簡(jiǎn)單疊加公式計(jì)算結(jié)果比較

2.1 空心率

圖3給出了空心率對(duì)構(gòu)件軸壓承載力的影響規(guī)律。

隨著空心率χ的增大，承載力越來越小，且減小的越來越快，可見空心率對(duì)承載力具有很大的影響。因此，在軸壓力較大的情形下構(gòu)件的空心率不宜過大。

2.2 鋼材強(qiáng)度

圖4給出了內(nèi)外鋼管和加勁肋強(qiáng)度對(duì)承載力的影響?？芍?，外鋼管的強(qiáng)度對(duì)軸壓承載力影響比較顯著，內(nèi)鋼管和加勁肋的強(qiáng)度對(duì)軸壓承載力的影響相對(duì)較小。主要是因?yàn)橥怃摴軓?qiáng)度的提高，改善了自身抵抗屈曲變形的能力，改善了構(gòu)件的變形性能，另外，提高了對(duì)混凝土的約束作用，使得混凝土的抗壓強(qiáng)度得到了提高。

2.3 混凝土強(qiáng)度

圖5給出了混凝土強(qiáng)度對(duì)承載力的影響情況。

由圖5可見，當(dāng)混凝土的強(qiáng)度增大時(shí)，構(gòu)件的軸壓承載力幾乎呈線性增加。

2.4 鋼板尺寸

從圖6中可以看到，當(dāng)含鋼率不斷增加時(shí)，構(gòu)件的承載力也不斷提高。

另外，由表1可知，當(dāng)外方鋼管、加勁肋寬厚比及內(nèi)鋼管徑厚比不斷增加時(shí)，承載力呈減小的趨勢(shì)。且外鋼管的尺寸比加勁肋及內(nèi)鋼管的尺寸對(duì)承載力的影響更為顯著。這是因?yàn)闇p小外鋼管寬厚比改善了自身抵抗屈曲變形的能力，另外，混凝土所受到的套箍效應(yīng)增強(qiáng)，使得混凝土的抗壓強(qiáng)度得到了提高。

3 軸壓承載力計(jì)算公式

當(dāng)選用同一種鋼材時(shí)，簡(jiǎn)單疊加承載力變?yōu)椋?/p>

Nc2=fcAc+fyAs

(3)

由表1可知，有限元法計(jì)算的承載力明顯比簡(jiǎn)單疊加法計(jì)算的承載力大，這是因?yàn)榧觿爬吒纳屏藰?gòu)件的變形性能，增強(qiáng)了對(duì)混凝土的套箍效應(yīng)。本文采用ξ來表征鋼材對(duì)混凝土的套箍效應(yīng)，給出承載力的計(jì)算公式[3]，ξ=αfyo/fc，α=Aso/Ac。由于加勁肋的存在，使得混凝土受到的套箍效應(yīng)增強(qiáng)，故考慮加勁肋對(duì)混凝土軸壓強(qiáng)度提高所做的貢獻(xiàn)，即α1=(Aso+Ass)/Ac。本節(jié)采用ξ對(duì)混凝土強(qiáng)度fc進(jìn)行了修正，并設(shè)混凝土強(qiáng)度的提高系數(shù)為η。構(gòu)件中混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)η與套箍系數(shù)ξ的關(guān)系如圖7所示。

混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)η與套箍系數(shù)ξ的擬合曲線方程為：η=0.1ξ+1.054。故本文復(fù)式鋼管混凝土軸壓承載力計(jì)算公式為：

Nc2=(0.1ξ+1.054)fcAc+fyAs

(4)

圖8給出了式(4)與有限元法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比情況。

由圖8可知，Nc2與Nc1和45°等值線靠的非常近，且Nc2/Nc1的均值為0.96，Nc2/Nc1的方差為0.038。說明式(4)能夠準(zhǔn)確計(jì)算構(gòu)件的軸壓承載力，具有合理性。

另外，還對(duì)比了式(4)計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[9]中的試驗(yàn)值，如表2所示。

表2 公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的對(duì)比

在表2中，試驗(yàn)結(jié)果用Nu表示。通過計(jì)算可知，Nc2/Nu的平均值為0.96，Nc2/Nu的方差為0.011，可見二者吻合較好。

4 結(jié)論

1)復(fù)式鋼管混凝土空心率變大，承載力減??；鋼管強(qiáng)度及混凝土強(qiáng)度變大，承載力增大；鋼管厚度變大，承載力變大。特別地，增加外鋼管的厚度或強(qiáng)度能夠明顯提升承載力。

2)考慮鋼管對(duì)混凝土的套箍作用，給出了復(fù)式鋼管混凝土短柱軸壓承載力的計(jì)算公式，公式計(jì)算值與有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，其具有較好的適用性。

[1] 李寧波.復(fù)合鋼管高強(qiáng)混凝土柱抗震性能研究[D].北京:清華大學(xué),2013.

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

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

[4] X L ZHAO, R GRZEBIETA. A.Ukur， M.Elchalakani. Tests of Concrete-Filled Double Skin (SHS Outer and CHS Inner) Composite Stub Columns[J].Advances in Steel Structures,2002(5):567-574.

[5] GB 50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] 劉 威.鋼管混凝土局部受壓時(shí)的工作機(jī)理研究[D].福州:福州大學(xué),2005.

[7] ACI 318—05，Building code requirements for structural concrete and commentary[S].

[8] 查小雄.空心和實(shí)心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

[9] 王志浩,成 戎.復(fù)合方鋼管混凝土短柱的軸壓承載力[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,45(12):1596-1599.

Finite element analysis on axial compression carrying capacity of multibarrel tube-confined concrete

Liu Yongchao Wang Zhenji

(HighwayMaintenanceTechnologyResearchandDevelopmentCenteroftheTrafficPlanningandDesignInstituteCo.,LtdofLiaoningProvince,Shenyang110111,China)

By establishing the finite element analysis model, the paper analyzes the main factors affecting the axial compression carrying capacity of multibarrel tube-confined concrete from the hollow ratio, steel tube strength, and concrete strength, points out the formula for the axial pressure loading capacity, and concludes from the formula that the loading capacity, finite element analysis value and trial value are consistent.

multibarrel tube concrete, rib, axial compression loading capacity, finite element analysis

1009-6825(2017)05-0066-03

2016-12-10

劉永超(1991- )，男，助理工程師； 王振吉(1990- )，男，助理工程師

TU311.4

A