離心鋼管混凝土偏心受壓構(gòu)件力學(xué)性能研究

趙 昕 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

0 前言

離心鋼管混凝土是在鋼管內(nèi)填充混凝土，采用離心法成型并通過(guò)蒸汽養(yǎng)護(hù)制成的鋼管混凝土構(gòu)件。對(duì)于離心鋼管混凝土柱受壓時(shí)，工作性能與承載力的研究大多集中于軸壓性能研究。鐘善桐、徐國(guó)林[1～2]分析軸壓下離心鋼管混凝土柱受力特點(diǎn)并基于鋼管混凝土統(tǒng)一理論，導(dǎo)出適用于不同截面形式的實(shí)心和離心鋼管混凝土柱強(qiáng)度和承載力設(shè)計(jì)公式。王宏偉[3～4]進(jìn)行了55個(gè)離心鋼管混凝土短柱和11個(gè)長(zhǎng)柱軸壓實(shí)驗(yàn)，研究了截面形式、空心率及長(zhǎng)細(xì)比的影響。對(duì)于偏心受壓研究，主要以實(shí)心鋼管混凝土為主，丁發(fā)興等[5]進(jìn)行了8根圓截面鋼管自密實(shí)混凝土偏壓柱實(shí)驗(yàn)，分析了偏心率和含鋼率等影響。陳寶春[6-8]進(jìn)行了實(shí)心鋼管混凝土偏心受壓相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，研究參數(shù)為偏心率和材料性能，并提出相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變模型；鐘善桐[9-10]引入等效緊箍力概念，采用壓潰理論進(jìn)行偏壓實(shí)心鋼管混凝土柱強(qiáng)度和穩(wěn)定承載力計(jì)算，并導(dǎo)出偏壓短柱強(qiáng)度承載力計(jì)算公式。周廣師[11]針對(duì)實(shí)心鋼管混凝土偏心受壓構(gòu)件穩(wěn)定問(wèn)題，運(yùn)用耶碩克近似分析法，導(dǎo)出穩(wěn)定臨界力理論計(jì)算公式。

基于實(shí)心鋼管混凝土偏壓理論，通過(guò)ABAQUS有限元軟件建立離心鋼管混凝土柱偏壓數(shù)值分析模型，深入研究偏心距、鋼管壁厚以及空心率等參數(shù)對(duì)其影響，揭示其偏心受壓下受力特點(diǎn)，提出相應(yīng)的離心鋼管混凝土偏壓承載力計(jì)算方法。

1 材料本構(gòu)關(guān)系

1.1 鋼材

建筑工程中鋼材一般采用低碳軟鋼，具有明顯的屈服階段，并考慮其強(qiáng)化階段對(duì)強(qiáng)度的提高，故采用二次塑流模型。鋼材與混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1(a)所示。

圖1 材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

其中鋼材應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式如式(1)。

式中，tgθ′=ES′=0.01ES，ES為鋼材彈性階段的彈性模量，εy為彈性極限應(yīng)變；fy為鋼材屈服強(qiáng)度。

1.2 混凝土

偏心受壓時(shí)，核心混凝土所處的應(yīng)力狀態(tài)不清晰，且鋼管對(duì)于核心混凝土的約束作用較弱，造成對(duì)于核心混凝土本構(gòu)關(guān)系模型的選擇困難。

劉威[12]提出的關(guān)于鋼管混凝土的混凝土本構(gòu)關(guān)系弱化了核心混凝土極限強(qiáng)度的提高，僅考慮混凝土到達(dá)峰值應(yīng)力之后混凝土塑性的提高，對(duì)于偏壓狀態(tài)下的混凝土具有更好的擬合度，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線如圖1(b)所示，計(jì)算表達(dá)式如式（2）。

根據(jù)上式，當(dāng)時(shí)，核心混凝土未達(dá)到峰值應(yīng)變時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系與美國(guó)E.Hongestad建議的模型相似。當(dāng)x＞1時(shí)，曲線下降段中系數(shù)β0體現(xiàn)了核心區(qū)混凝土的延性程度。而β0是與約束效應(yīng)系數(shù)ζ有關(guān)，隨ζ變化而變化。

2 離心鋼管混凝土偏壓模型建立

本文離心鋼管混凝土柱偏壓數(shù)值模擬，分別對(duì)偏心距、鋼管壁厚以及空心率三個(gè)因素進(jìn)行研究。離心鋼管混凝土柱偏壓基本模型尺寸采用300×3×1000mm(D×t×L)，其中混凝土層40mm?；谏鲜瞿Ｐ蛯?duì)不同偏心距分別進(jìn)行模擬分析。保持偏心距為80mm不變，基于上述模型尺寸，更改鋼管壁厚和空心率參數(shù)，分析對(duì)離心鋼管混凝土柱偏壓承載力的影響。

離心鋼管混凝土柱有限元模型中鋼管和混凝土分別采用8節(jié)點(diǎn)減縮積分的三維實(shí)體單元C3D8R和非協(xié)調(diào)模式的三維實(shí)體單元C3D8I進(jìn)行模擬。計(jì)算模型單元?jiǎng)澐秩鐖D2。

考慮到鋼管與混凝土之間的接觸問(wèn)題，依據(jù)Dai[13]等人的研究，將切向行為定義為類(lèi)型“罰”，摩擦系數(shù)設(shè)為0.3，法向行為采用“硬接觸”。端板與離心鋼管混凝土柱設(shè)置為“綁定”，為了實(shí)現(xiàn)偏心加載，在上端板上設(shè)計(jì)刀口，并在其上設(shè)置耦合點(diǎn)與刀口耦合，荷載施加在耦合點(diǎn)上，采用位移加載。對(duì)于邊界條件，柱下端固定除UR1外所有自由度，加載端為自由端，施加位移，直到破壞。

3 參數(shù)分析

3.1 偏心距

不同的偏心距對(duì)離心鋼管混凝土柱力學(xué)性能及極限承載力的影響，如圖3、圖4所示。

圖3 偏心距對(duì)偏壓荷載(N)—軸向變形(Uz)的影響

圖4 偏心距對(duì)極限承載力(Nmax)的影響

計(jì)算結(jié)果表明，離心鋼管混凝土柱偏心受壓時(shí)，隨著偏心距增大，其極限承載力在逐步下降，且呈現(xiàn)近似于線性變化；并且偏心受壓承載力比其軸心受壓承載力要小得多。從圖3可知，當(dāng)偏心距增大時(shí)，試件的荷載與軸向變形關(guān)系曲線的線性階段逐步縮短，并且達(dá)到極限承載力時(shí)，其自身軸向變形量也在緩慢增加。對(duì)于實(shí)際工程中離心鋼管混凝土構(gòu)件存在偏心受壓狀況時(shí)，應(yīng)考慮其承載力的降低和變形特點(diǎn)。

3.2 鋼管壁厚

鋼管壁厚對(duì)離心鋼管混凝土柱力學(xué)性能及極限承載力的影響，如圖5、圖6所示。

圖5 鋼管壁厚對(duì)偏壓荷載(N)—軸向變形(Uz)的影響

圖6 鋼管壁厚對(duì)極限承載力(Nmax)的影響

計(jì)算結(jié)果表明，與3mm相比，4mm與5mm偏壓極限承載力分別提高8.95%和20.59%。隨著鋼管厚度的增加，試件偏壓極限承載力逐步增加，極限承載力位移并沒(méi)有太大的變化，但隨著鋼管厚度增加，構(gòu)件承載力下降到達(dá)強(qiáng)化階段，鋼管越厚，構(gòu)件承載力上升趨勢(shì)越明顯。

3.3 空心率

空心率對(duì)其力學(xué)性能的影響，如圖7、圖8所示。

結(jié)果表明，與空心率50.9%相比，41.8%與33.6%偏壓極限承載力分別提高11.29%和16.32%，隨著空心率減小，離心鋼管混凝土柱極限承載力也隨之增加，但增長(zhǎng)幅度降低；其自身極限承載力位移和構(gòu)件彈性剛度沒(méi)有太大變化。

圖7 空心率對(duì)偏壓荷載(N)—軸向變形(Uz)的影響

圖8 空心率對(duì)極限承載力(Nmax)的影響

4 偏壓極限承載力計(jì)算

國(guó)家電力行業(yè)頒布的《鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5058—1999）中提出的實(shí)心鋼管混凝土偏壓承載力計(jì)算公式，影響系數(shù)較多，計(jì)算較為復(fù)雜，并不適合在實(shí)際工程中應(yīng)用[14]。

建筑材料行業(yè)頒布的《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（JCJ 01—89），沿用鋼筋混凝土偏壓構(gòu)件計(jì)算方法提出實(shí)心鋼管混凝土偏壓承載力計(jì)算公式（3），使用比較方便，但考慮因素較少，不能完全反映構(gòu)件實(shí)際承載力狀況[15]。

式中：φe為實(shí)心鋼管混凝土偏壓構(gòu)件承載力折減系數(shù)；K1為核心混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)；γ為φe的修正值。

本文基于鋼管混凝土統(tǒng)一理論，將鋼管混凝土看成一種單一材料進(jìn)行研究，用構(gòu)件的整體幾何特性和組合性能指標(biāo)，計(jì)算構(gòu)件極限承載力。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合獲得下列計(jì)算公式，其表達(dá)式如下：

式中：Asc為離心鋼管混凝土構(gòu)件截面面積；fysck為離心鋼管混凝土軸壓構(gòu)件組合強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算公式詳見(jiàn)文獻(xiàn)[16]；e為偏心距，公式(4)適用范圍為（0＜e≤D/2）；φ1為長(zhǎng)細(xì)比影響承載力折減系數(shù)，，考慮到離心鋼管混凝土截面特性，i為環(huán)形截面的慣性半徑，其計(jì)算公式，其中，α=d/D，d與D分別為環(huán)形截面的內(nèi)直徑和外直徑。

計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果比較如下表。

計(jì)算結(jié)果表明，公式（4）的計(jì)算值與有限元計(jì)算結(jié)果的比值（Nsc/Nm）的均值為1.009，方差為0.0003。因此，本文所提出的離心鋼管混凝土柱偏壓極限承載力計(jì)算公式具有一定的參考意義。

計(jì)算結(jié)果比較

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)偏壓狀態(tài)下離心鋼管混凝土柱的數(shù)值分析和承載力計(jì)算方法研究，得出以下結(jié)論。

①影響離心鋼管混凝土柱偏壓極限承載力的因素有偏心距、鋼管壁厚、空心率。其中偏心距影響較為明顯；鋼管壁厚對(duì)離心鋼管混凝土構(gòu)件彈性剛度的影響較大。

②基于鋼管混凝土統(tǒng)一理論，結(jié)合實(shí)心鋼管混凝土偏壓承載力計(jì)算公式及空心鋼管混凝土軸壓承載力計(jì)算公式，推導(dǎo)出適用于實(shí)際的離心鋼管混凝土偏壓承載力計(jì)算公式。結(jié)合結(jié)果對(duì)比分析，公式(5)具有較好的一致性及合理性，為后期研究提供一定的借鑒。