鋼管混凝土短柱的位移變形分析

張 旭

（河北大學(xué)建筑工程學(xué)院， 河北 保定 071000）

1 概述

鋼管混凝土是一種通過(guò)在鋼管中灌注混凝土而形成的支護(hù)構(gòu)件，鋼管混凝土兼具了兩類(lèi)材料的優(yōu)點(diǎn)，既有鋼材的強(qiáng)度和延性，又具備混凝土抗壓性好的特點(diǎn)，在地面建筑中已得到廣泛應(yīng)用[1-3]。在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，由于鋼管和混凝土之間的粘結(jié)力較好，當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)局部區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力時(shí)，混凝土可以在鋼管良好抗拉能力的幫助下避免其發(fā)生拉伸破壞，并改善混凝土的受力狀況，從而使混凝土的抗壓性能得到充分發(fā)揮。

2 模型建立與加載求解

支架模擬分析前，本節(jié)先應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)U型鋼短柱、方形鋼管混凝土短柱和圓形鋼管混凝土短柱進(jìn)行加載模擬，對(duì)比分析加載結(jié)果，觀察三種短柱的變形趨勢(shì)。

根據(jù)以往的試驗(yàn)［4］表明，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)的高寬比h/b＞3時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，因此，一般規(guī)定用 h/b=3-4的混凝土來(lái)測(cè)試單軸均勻受壓時(shí)的抗壓強(qiáng)度。因此建立三種短柱結(jié)構(gòu)模型時(shí)，將試件的高度(L)設(shè)計(jì)為截面長(zhǎng)邊B的3倍，即取L/B=3。U型鋼短柱模型為標(biāo)準(zhǔn)U29型鋼截面，高450mm；圓形混凝土短柱和方形混凝土短柱考慮等截面，圓形鋼管混凝土短柱模型的截面直徑 170mm，高450mm；方形混凝土短柱截面邊長(zhǎng)為150mm，高450mm。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中選擇C30強(qiáng)度的混凝土。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，混凝土彈性模量 Ec＝3×104MPa，軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t＝1.43 MPa，抗壓強(qiáng)度f(wàn)c＝14.3MPa，泊松比μ=0.2；鋼筋的彈性模量Es=210GPa，泊松比μ=0.3。

鋼管混凝土短柱模型建立有分離式建模和整體式建模兩種方法，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，本文選用分離式建模。該方法是將鋼管混凝土結(jié)構(gòu)分成鋼管和混凝土兩種單元進(jìn)行建模處理。其優(yōu)點(diǎn)就在于將混凝土與鋼管接觸之間的粘結(jié)和滑移考慮在內(nèi)，這樣可以將混凝土的開(kāi)裂寬度更加精確的計(jì)算出來(lái)，但由于參數(shù)設(shè)置比較繁瑣，且與本文涉及不深，所以本文在模擬時(shí)并沒(méi)有對(duì)此加以考慮。建立鋼管混凝土短柱模型時(shí)，鋼管采用的是solid45單元，混凝土則采用ANSYS實(shí)體單元中的 Concrete65單元進(jìn)行模擬，該單元是模擬混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)選用的主要單元，在考慮了混凝土的拉裂和壓碎情況之外，該單元還對(duì)混凝土的蠕變和塑性變形效果加以分析，作為一種每個(gè)節(jié)點(diǎn)上分布有3個(gè)方向自由度的八節(jié)點(diǎn)單元，solid65單元在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建模時(shí)得到了廣泛應(yīng)用。

設(shè)置混凝土參數(shù)［5］時(shí)，選擇線性等向強(qiáng)化模型作為其本構(gòu)關(guān)系，綜合以往模擬和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，本文將混凝土幵 口裂縫的剪力傳遞系數(shù)設(shè)置為0.5，閉口裂縫的剪力傳遞系數(shù)設(shè)置為1.0。為防止格柵混凝土短柱在計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)個(gè)別混凝土單元被壓碎，進(jìn)而造成單元自由度發(fā)散的現(xiàn)象，本文模擬時(shí)不對(duì)混凝土的壓碎加以考慮，以保證計(jì)算的順利進(jìn)行。因此，在對(duì)混凝土進(jìn)行賦參時(shí)，將混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度設(shè)置為-1，以關(guān)閉其壓碎功能，這樣模型在運(yùn)算的時(shí)候就更容易收斂。

3 鋼管混凝土短柱變形位移分析

在方形短柱中，分別在X、Y向選取四個(gè)節(jié)點(diǎn)，X向四個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為X軸與鋼管外壁左右交點(diǎn)的縱軸上中部節(jié)點(diǎn)和頂部節(jié)點(diǎn)，Y向節(jié)點(diǎn)選取規(guī)律一致。由結(jié)果可以看出，X、Y向規(guī)律一致，同時(shí)Z方向的變形規(guī)律一致。

由于模型的對(duì)稱(chēng)性，X、Y方向位移變形量規(guī)律一致，且不隨Z方向位移而變化，本文在方形鋼管混凝土短柱中Z=450mm平面中選取X正半軸六個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，順著X正方向節(jié)點(diǎn)編號(hào)依次為：N0249、N3326、N3328、N3330、N4932、N4930。從結(jié)果中可以看出六條曲線均呈線性，其中最大變形量為5mm，隨著X方向的坐標(biāo)值越大，曲線的斜率越大，變形量增長(zhǎng)的速度越大。N0249節(jié)點(diǎn)位移變化曲線為一條水平曲線，節(jié)點(diǎn)在X方向無(wú)位移變形。N3326節(jié)點(diǎn)離原點(diǎn)最近，X方向位移增量最少，增長(zhǎng)速率最小，最大變形量為 1.7mm。N3328節(jié)點(diǎn)的最大變形量為3.1mm，N3330節(jié)點(diǎn)的變形量為4.1mm，N4932節(jié)點(diǎn)的變形量為4.6mm，N4930節(jié)點(diǎn)的變形量為5.0mm。其中N4932、N4930節(jié)點(diǎn)在外層鋼管上。

同理，圓形鋼管混凝土短柱中Z=450mm平面上選取X正半軸六個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，順著X正方向節(jié)點(diǎn)編號(hào)依次為：N1、N28、N31、N34、N14、N3941。對(duì)比方形和圓形鋼管混凝土短柱中Z=450mm平面上X正半軸6節(jié)點(diǎn)的X位移，得出短柱的整體變形量一致，對(duì)比數(shù)據(jù)看出對(duì)比內(nèi)部節(jié)點(diǎn)方形短柱的位移量稍微大于圓形短柱的位移量。但由于方形和圓形網(wǎng)格劃分有所區(qū)別，疏密程度不一致，因此對(duì)應(yīng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的X方向位移有所差別。

綜上分析得出，由于鋼管的約束作用，混凝土材料的變形量相對(duì)較鋼管的變形量小。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠更好的實(shí)現(xiàn)鋼管與混凝土雙材料的結(jié)構(gòu)耦合支護(hù)效果。鋼管對(duì)混凝土的約束作用進(jìn)一步的提高了混凝土抗壓性能，鋼管由于自身的材料特性和結(jié)構(gòu)的耦合作用，進(jìn)一步提高了鋼管的抗拉強(qiáng)度。

［1］ 杜國(guó)鋒，徐禮華，徐浩然，等．鋼管混凝土組合 T 形短柱軸壓力學(xué)性能研究［J］西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版，2008，52( 4) : 110－116．

［2］AvalS B B，Saadeghvaziri M A，Golafshani A A． Comprehensivecomposite inelastic fiber element for cyclic analysis of concrete－filled steel tube column［J］.Journal of Engineering Mechanics，ASCE，2002，128( 4) : 428－437．

［3］祝雯．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．廣州建筑，2011，39( 1) : 5－10．

［4］Ellobody E，Young B.Experimental investigation of concrete－filledcoldformed high strength stainless steel tube columns［J］．Jour-nal of Constructional Steel research，2006，62( 5) : 484－492．

［5］劉學(xué)軍,魏德敏圓形鋼管混凝土柱承載力計(jì)算綜述科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì),2000,10．