內(nèi)配型鋼矩形鋼管混凝土軸壓短柱生命周期內(nèi)的力學性能

史艷莉，張文旭，賈志路，王文達

(蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

在建筑工程領(lǐng)域，生命周期設(shè)計理念是指在結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，考慮結(jié)構(gòu)建造和使用等階段的各種有利或不利因素對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，據(jù)此來優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程。內(nèi)配型鋼鋼管混凝土是指將型鋼嵌入鋼管內(nèi)部，再澆筑混凝土，形成鋼管、型鋼和混凝土能夠協(xié)同工作的一種組合結(jié)構(gòu)形式?；谏芷诘膬?nèi)配型鋼鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法需綜合考慮結(jié)構(gòu)建造和使用階段的荷載作用效應(yīng)[1]。

目前對內(nèi)配型鋼鋼管混凝土構(gòu)件生命周期工作機理的研究鮮有報道，但對鋼管混凝土構(gòu)件生命周期各階段的研究已有較多的成果。在建造階段，鐘善桐等[2-7]對考慮初應(yīng)力的鋼管混凝土構(gòu)件進行研究，初應(yīng)力對鋼管混凝土構(gòu)件剛度、強度和變形有影響；在使用階段，韓林海等[8-12]對有長期荷載作用的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進行研究，提出構(gòu)件承載力計算方法。對鋼管混凝土構(gòu)件生命周期的研究也有一些報道。Li等[13]對中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件生命周期內(nèi)的力學性能進行初步研究，提出該類構(gòu)件有限元分析方法。Han等[14-15]對考慮鋼管腐蝕和長期荷載作用的鋼管混凝土構(gòu)件進行試驗研究，結(jié)果表明，隨著腐蝕程度和長期荷載比的增大，構(gòu)件的強度和延性明顯降低。Hou等[16]對鋼管混凝土柱生命周期內(nèi)的力學性能進行數(shù)值研究，考慮初應(yīng)力、長期荷載和橫向沖擊等作用，得到鋼管混凝土柱在耦合荷載作用下強度退化程度大于單個荷載作用情況之和。Li等[17]對鋼管混凝土疊合柱在生命周期內(nèi)的力學性能進行試驗研究，提出該類結(jié)構(gòu)的簡化設(shè)計方法。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，本文將結(jié)構(gòu)建造階段的初應(yīng)力和使用階段的長期荷載進行耦合，利用ABAQUS建立有限元模型，對生命周期內(nèi)此類構(gòu)件的變形、強度和剛度等指標的變化情況進行初步探索，分析了初應(yīng)力系數(shù)、長期荷載比、鋼管含鋼率和型鋼含鋼率對構(gòu)件長期持荷階段的變形-時間曲線和生命周期過程中荷載-變形曲線的影響，以期為實際工程提供一定的參考。

1 有限元模型建立及驗證

1.1 有限元模型的建立

本文運用有限元軟件ABAQUS對內(nèi)配型鋼矩形鋼管混凝土軸壓短柱生命周期內(nèi)的力學性能進行研究。建模時，鋼材的本構(gòu)模型采用二次流塑模型；一次加載時混凝土本構(gòu)模型采用塑性損傷模型[1]；生命周期內(nèi)，混凝土本構(gòu)模型在不同的受力階段是不同的，長期持荷階段混凝土本構(gòu)模型采用黏彈性模型，利用ABAQUS提供的材料子程序UMAT定義長期持荷階段混凝土的本構(gòu)模型[18]；長期持荷后的加載破壞階段采用文獻[1]中的方法對混凝土本構(gòu)模型進行修正，即假設(shè)長期荷載作用不影響混凝土強度，只對應(yīng)變有影響。參考ACI 209，長期荷載作用時的應(yīng)變εt=[1+φ(t，τ0)]ετ0+εsh，其中，φ為徐變系數(shù)，t為長期荷載的持荷時間，τ0為加載齡期，ετ0為短期荷載下的應(yīng)變，εsh為混凝土的收縮應(yīng)變?；炷翍?yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)關(guān)系對比曲線如圖1所示，其中，σ0為混凝土在徐變開始時的應(yīng)力，ε0為長期荷載下的總縱向應(yīng)變，στ0為短期荷載下的應(yīng)力。

建模時，各部件均采用8節(jié)點完全積分三維實體單元(C3D8)。鋼管和型鋼與混凝土的界面模型由法向接觸和切向黏結(jié)滑移構(gòu)成：界面切向為面面接觸，采用庫侖摩擦模型，摩擦因數(shù)取為0.25，界面的法向采用硬接觸。鋼管、型鋼和混凝土與加載板之間采用“tie”綁定，即加載板與各部件之間無相對滑移。構(gòu)件的簡化模型如圖2所示，Ux,Uy,Uz分別表示x,y,z三個方向的約束。

1.2 模型驗證

目前國內(nèi)外對此類構(gòu)件生命周期的試驗研究較少，為了驗證上述有限元建模方法的可靠性，對生命周期內(nèi)各階段的試驗進行有限元模擬，即對文獻[4]中2根考慮鋼管初應(yīng)力的方鋼管混凝土軸壓柱、文獻[1]中2根考慮長期荷載作用的矩形鋼管混凝土軸壓柱和文獻[13]中1根中空夾層鋼管混凝土軸壓柱生命周期的試驗進行有限元模擬，試件基本參數(shù)如表1所示，其中，D為矩形鋼管橫截面長邊的外邊長，B為矩形鋼管橫截面短邊的外邊長，t為鋼管厚度，L為構(gòu)件計算長度，fcu為混凝土立方體抗壓強度，fty為鋼管屈服強度，Np為施加在鋼管上的初應(yīng)力，NL為施加的長期荷載。模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比曲線如圖3所示，其中，um為構(gòu)件中截面撓度。從整體模擬結(jié)果來看，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，說明此建模方法正確可靠，可用于有限元分析。由于有限元的計算過程不能完全反映試驗過程，這就有可能導致兩者的結(jié)果存在誤差。圖3(d)，(e)的對比結(jié)果相對誤差較大，可能是由于混凝土自身因素導致混凝土產(chǎn)生徐變變形的程度不同，或進行試驗時試件的邊界條件等因素的影響導致相對誤差較大。

2 生命周期內(nèi)的工作機理分析

運用有限元軟件ABAQUS對內(nèi)配型鋼矩形鋼管混凝土軸壓短柱生命周期內(nèi)的力學性能進行研究，典型算例參數(shù)為：矩形鋼管截面D=500 mm，B=400 mm，厚度t=10 mm，型鋼選用I36c，高度H=1 500 mm，鋼管含鋼率αst=0.1，型鋼含鋼率αss=0.05，混凝土強度fcu=60 MPa，鋼管屈服強度fty=345 MPa，型鋼屈服強度fsy=345 MPa，初應(yīng)力系數(shù)β=0.4，長期荷載比n=0.4，長期持荷時間為3 600 d。

2.1 生命周期內(nèi)的荷載-位移全過程曲線

圖4，5分別為生命周期內(nèi)的荷載-位移全過程曲線和荷載分配曲線，根據(jù)該類構(gòu)件的受力特點，在曲線上取5個特征點：A點為初應(yīng)力結(jié)束，即開始施加長期荷載；B點為開始持荷；C點為持荷結(jié)束；D點為構(gòu)件達到極限承載力；E點為荷載下降到極限荷載的85%。

表1試件基本參數(shù)Tab.1Basic Parameters of Specimens

(1)初應(yīng)力階段(OA段)：此階段采用力加載的方式給空鋼管施加初應(yīng)力，鋼管處于彈性狀態(tài)，曲線呈線性增長。此時混凝土和型鋼處于失活狀態(tài)，OA段混凝土和型鋼不承擔荷載。

(2)長期荷載階段(AB段)：此階段激活混凝土和型鋼，采用力加載的方式給構(gòu)件施加長期荷載，鋼管、混凝土和型鋼都承擔荷載，從圖4可知，此時構(gòu)件剛度和一次加載構(gòu)件剛度大致相同，由于混凝土和型鋼的貢獻，AB段剛度大于OA段剛度。

(3)持荷階段(BC段)：構(gòu)件進行長期持荷，長期荷載值不變，應(yīng)變隨時間增長，BC段荷載-變形曲線呈水平直線，從圖5可知，此時混凝土發(fā)生卸載，荷載下降30%左右，因為在常應(yīng)力作用下混凝土產(chǎn)生徐變，應(yīng)力降低，混凝土所卸荷載分配給鋼材，此時鋼材承擔的荷載持續(xù)增加。

(4)加載破壞階段(CD段)：持荷結(jié)束后，采用位移加載使構(gòu)件達到極限承載力D點，由圖5可知，構(gòu)件達到極限承載力之前，鋼材均屈服，混凝土承擔的荷載繼續(xù)增加，混凝土和組合構(gòu)件同時達到極限承載力，與一次加載相比，構(gòu)件承載力變化很小，極限承載力對應(yīng)的應(yīng)變增長84.2%，但此時構(gòu)件剛度明顯低于一次加載情況，因為初應(yīng)力和長期荷載會改變混凝土和鋼材的受力狀態(tài)。

(5)下降段(DE段)：D點之后，荷載值下降，混凝土應(yīng)力降低，鋼材應(yīng)力略有提高，構(gòu)件變形增大，最終發(fā)生破壞。

2.2 跨中截面各部件縱向應(yīng)力分布

為明確該類構(gòu)件生命周期過程中混凝土和鋼材在各特征點處的受力狀態(tài)，圖6～10給出了圖4各特征點處構(gòu)件跨中截面縱向應(yīng)力分布，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負。在初應(yīng)力階段，混凝土和型鋼不參與受力，圖6(a)，(c)中混凝土和型鋼的縱向應(yīng)力為0。由圖6可知，初應(yīng)力階段鋼管有縱向應(yīng)力，混凝土和型鋼無縱向應(yīng)力，與圖5荷載分配曲線描述情況一致。由圖7，8可知，B點到C點混凝土應(yīng)力減小(主要在型鋼翼緣周圍)，即混凝土發(fā)生卸載，而鋼材應(yīng)力增加，因為長期荷載階段混凝土有徐變變形，混凝土和鋼材之間發(fā)生內(nèi)力重分布，混凝土卸下的荷載分配給鋼材，此時混凝土和鋼材應(yīng)力均小于材料極限應(yīng)力。由圖8，9可知，混凝土和鋼材應(yīng)力明顯增大，且達到材料極限應(yīng)力，三組件均屈服，構(gòu)件到達極限荷載，型鋼翼緣先于腹板屈服，因為BC段由混凝土卸下的荷載分配給翼緣較多，腹板較少，翼緣相對于腹板承擔更多的荷載。由圖10可知，極限荷載Nu下降到約0.85Nu時，構(gòu)件中截面處鋼管和混凝土變形較大，鋼管有側(cè)向鼓曲，混凝土四周區(qū)域的應(yīng)力小于中心區(qū)域，因為鋼管和混凝土有脫開趨勢，鋼管對混凝土的約束作用減弱，混凝土中心區(qū)域應(yīng)力較大，因為型鋼對混凝土有約束作用，導致此處混凝土應(yīng)力較大。

2.3 接觸應(yīng)力對比

圖11為該類構(gòu)件不同高度處鋼管與混凝土之間相互作用力-應(yīng)變(P-ε)曲線。由圖11可知，2種情況下的相互作用力變化規(guī)律類似，構(gòu)件H/2處相互作用力最大，沿構(gòu)件縱向向兩端減小，因為端板和邊界約束對構(gòu)件的約束較強，限制端部的變形，端部變形小，中截面變形大，導致中截面處相互作用力最大。一次加載過程中，構(gòu)件縱向應(yīng)變約為660×10-6時，構(gòu)件中截面處產(chǎn)生相互作用力，生命周期過程中，構(gòu)件縱向應(yīng)變約為2 400×10-6時，構(gòu)件中截面處產(chǎn)生相互作用力。因為生命周期過程中的初應(yīng)力階段先給鋼管施加初應(yīng)力，鋼管產(chǎn)生變形，混凝土不參與受力，且混凝土泊松比小于鋼材，鋼管橫向變形能力大于混凝土，鋼管與混凝土之間有脫開趨勢，當構(gòu)件的變形達到一定程度，混凝土橫向變形能力大于鋼管時，鋼管與混凝土之間才會產(chǎn)生相互作用力，所以在生命周期過程中，鋼管與混凝土之間產(chǎn)生相互作用力的時間晚于一次加載的情況。

2.4 鋼材與混凝土之間的接觸應(yīng)力

圖12為該類構(gòu)件生命周期內(nèi)鋼材與混凝土在各特征點處的接觸應(yīng)力云圖，在長期持荷階段，鋼管與混凝土之間并沒有接觸應(yīng)力的產(chǎn)生，所以圖12(a)，(b)中鋼管與混凝土之間的接觸應(yīng)力為0。初應(yīng)力階段鋼材與混凝土之間無接觸應(yīng)力，此時鋼管承擔初應(yīng)力，混凝土和型鋼未受力。由圖12(a)，(b)可知：長期持荷結(jié)束之前，鋼管與混凝土無接觸應(yīng)力，因為此時鋼管橫向變形能力大于混凝土，鋼管與混凝土有脫開趨勢；由B點到C點，型鋼與混凝土的接觸應(yīng)力減小，可能由持荷時混凝土的徐變引起。由圖12(c)可知，鋼管與混凝土在構(gòu)件角部產(chǎn)生接觸應(yīng)力，型鋼與混凝土的接觸應(yīng)力增大。由圖12(d)可知，鋼材與混凝土的接觸應(yīng)力從構(gòu)件端部向跨中增大，因為構(gòu)件達到極限承載力之后，構(gòu)件端部受到端板和外部的約束，端部變形小，跨中區(qū)域變形大，且此時混凝土橫向變形能力大于鋼材，但混凝土的橫向變形又受到鋼材的制約，所以鋼材與混凝土的接觸應(yīng)力會增大。

2.5 生命周期內(nèi)的承載力對比

表2為典型算例的該類構(gòu)件生命周期內(nèi)的承載力對比結(jié)果，其中，Nu0為軸壓柱一次加載時的極限承載力，Nu為軸壓柱各工況下的極限承載力。與一次加載相比，構(gòu)件在各工況下極限承載力的變化不大，但極限承載力對應(yīng)的應(yīng)變變化較大。

圖13為各荷載工況下構(gòu)件達到極限承載力時混凝土、鋼管和型鋼對構(gòu)件極限承載力的貢獻比例。由圖13可知：一次加載時三部件對承載力的貢獻比例分別為49.6%，33.3%，17.1%；考慮初應(yīng)力時三部件的貢獻比例分別為48.2%，34.4%，17.4%；考慮長期荷載時三部件的貢獻比例分別為49.6%，生命周期。

表2極限承載力對比Tab.2Comparison of Ultimate Bearing Capacity

注：R表示一次加載；P表示初應(yīng)力；L表示長期荷載；P+L表示

33.1%，17.3%；考慮生命周期時三部件的貢獻比例分別為48.7%，33.7%，17.6%。

3 參數(shù)分析

對影響該類構(gòu)件生命周期內(nèi)的荷載-變形曲線和變形-時間曲線的參數(shù)進行分析，模型仍采用典型算例模型。分析的主要參數(shù)為初應(yīng)力系數(shù)β、長期荷載比n、鋼管含鋼率αst和型鋼含鋼率αss。

3.1 初應(yīng)力系數(shù)

圖14為初應(yīng)力系數(shù)對變形-時間曲線和荷載-變形曲線的影響，n為0.4，β為0～0.6。由圖14(a)可知，不同初應(yīng)力系數(shù)對構(gòu)件持荷階段的變形-時間曲線影響較大，變形隨著初應(yīng)力系數(shù)的增大而增大。由圖14(b)可知，不同初應(yīng)力系數(shù)對荷載-變形曲線影響較小。

3.2 長期荷載比

圖15為長期荷載比對變形-時間曲線和荷載-變形曲線的影響，β為0.4，n為0～0.6。當n為0時，構(gòu)件無持荷階段，所以無變形-時間曲線。由圖15(a)可知，長期荷載比對構(gòu)件持荷階段的變形-時間曲線影響較大，變形隨著長期荷載比的增大而增大。由圖15(b)可知，長期荷載比對荷載-變形曲線影響較小，與n為0時相比，構(gòu)件承載力平均提高2.6%，極限承載力對應(yīng)的應(yīng)變平均增長66.3%。

3.3 鋼管含鋼率

圖16為鋼管含鋼率對變形-時間曲線和荷載-變形曲線的影響，β和n均為0.4，假定鋼管截面不變，改變鋼管厚度，使αst為0.05～0.20。由圖16(a)可知，鋼管含鋼率對持荷階段的變形影響較大，變形隨著鋼管含鋼率增大而減小，在長期持荷階段，混凝土比鋼管更容易受到長期荷載的影響，隨著鋼管含鋼率增大，橫截面混凝土的比重減小，導致構(gòu)件變形減小。由圖16(b)可知，鋼管含鋼率對荷載-變形曲線影響較大，隨著鋼管含鋼率的增大，構(gòu)件承載力顯著增強，原因是鋼管越厚，對混凝土的約束作用越強。

3.4 型鋼含鋼率

圖17為型鋼含鋼率對變形-時間曲線和荷載-變形曲線的影響，β和n均為0.4，αss為0.03～0.09。由圖17(a)可知，型鋼含鋼率對構(gòu)件持荷階段的變形影響不明顯。由圖17(b)可知，型鋼含鋼率對構(gòu)件荷載-變形曲線影響較大，隨著型鋼含鋼率的增大，構(gòu)件極限承載力顯著增強。

4 結(jié) 語

(1)內(nèi)配型鋼矩形鋼管混凝土軸壓短柱生命周期內(nèi)的極限承載力與一次加載相比變化不明顯，極限承載力對應(yīng)的應(yīng)變增長84.2%；在生命周期過程中的長期持荷階段，混凝土發(fā)生卸載，其承擔的荷載約下降30%，鋼管和型鋼承擔了混凝土卸下的荷載。

(2)生命周期內(nèi)，內(nèi)配型鋼矩形鋼管混凝土軸壓短柱中型鋼與混凝土之間的接觸應(yīng)力比鋼管與混凝土之間的接觸應(yīng)力出現(xiàn)早；接觸應(yīng)力在跨中截面處最大，沿構(gòu)件縱向向兩端逐漸減小。

(3)參數(shù)分析表明：在生命周期內(nèi)，初應(yīng)力系數(shù)和長期荷載比對該類構(gòu)件承載力影響較小；鋼管和型鋼含鋼率對該類構(gòu)件承載力影響較大，增加含鋼率可以顯著提高構(gòu)件承載力；初應(yīng)力系數(shù)、長期荷載比和鋼管含鋼率對構(gòu)件長期持荷階段變形影響較大，而型鋼含鋼率對變形影響不明顯。