帶縱肋圓鋼管混凝土短柱壓彎受力性能分析

魏 華，孫斯紋

（沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

鋼管混凝土具有套箍混凝土的強度高、重量輕、塑性好、耐疲勞等優(yōu)點[1],但鋼管極易發(fā)生局部屈曲，降低結(jié)構(gòu)的承載能力，為此,國內(nèi)外研究者先后提出一些抵消這種影響的構(gòu)造措施,主要包括設(shè)置縱向加勁肋、采用約束拉桿和角部隅撐這三種方法[2],其中設(shè)置縱向加勁肋的方法制作的構(gòu)件較少,加勁肋和鋼管焊在一起,整體性好,有利于提高鋼管和混凝土的共同工作性能,同時還有利于提高構(gòu)件的抗火性能[3]。國內(nèi)外研究者對帶肋薄壁方鋼管混凝土短柱已進行了不少試驗研究和理論分析[2-5],而對于帶縱肋圓鋼管壓彎的研究鮮有報道?；诖?，本文分析了混凝土強度、鋼管徑厚比、加強肋的設(shè)置等參數(shù)對帶肋圓形鋼管混凝土短柱力學(xué)性能的影響，為圓形帶縱肋鋼管混凝土短柱的應(yīng)用提供參考。

1 本構(gòu)模型

1.1 鋼材

本文選用等向混合強化模型，鋼材的本構(gòu)關(guān)系選為二次塑流模型。

1.2 核心混凝土

本文采用的核心混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線是在韓林海研究的基礎(chǔ)上，由劉威提出的應(yīng)力-應(yīng)變模型。

2 有限元模型建立

2.1 單元選取及網(wǎng)格劃分

本文在建立模型的過程中，鋼管、縱肋、核心混凝土均采用C3D8R 單元 ，即8 節(jié)點六面體線性減縮積分單元。鋼材彈性模量取206000MPa，泊松比取0.3。

2.2 接觸設(shè)置

鋼管和混凝土法向作用采用硬接觸，混凝土為主面，鋼管為從面，切向作用采用常用的庫倫摩擦模型，且摩擦系數(shù)選為0.6；加勁肋和鋼管為焊接，在ABAQUS 有限元模擬中定義為綁定約束。

2.3 邊界條件及加載方式

本文采用了柱端加載的加載方式，加載分為兩個步驟，第一步首先在柱端耦合參考點加載柱端軸力，第二步在柱端加載水平位移。其中柱端為完全自由，柱底部采用固端約束。

2.4 模型信息

本文建立的模型直徑均為150mm，加勁肋均是截面尺寸為5mm*30mm 的鋼板，加勁肋鋼板強度為Q345，截面尺寸示意圖如圖4所示，其余各參數(shù)如表1 所示。

圖4 帶肋構(gòu)件截面尺寸示意圖

3 模型計算結(jié)果

本文利用 ABAQUS 軟件建立13 個短柱模型，通過改變鋼材強度、長細比、徑厚比等參數(shù)，分析了各參數(shù)變化對帶縱肋圓鋼管短柱骨架曲線、剛度退化以及強度退化、延性等力學(xué)性能的影響。

3.1 是否帶肋的影響

本節(jié)通過研究構(gòu)件是否帶肋對各項指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)縱向肋的增加使得構(gòu)件剛度退化加快、延性系數(shù)提高，構(gòu)件變形能力得到明顯改善。

3.2 混凝土強度的影響

當(dāng)混凝土強度增大時，有利于抑制構(gòu)件的剛度退化。延性系數(shù)對比可見隨著混凝土強度的增大，構(gòu)件的延性系數(shù)略有浮動，其中混凝土強度為C50 時構(gòu)件延性系數(shù)最大，構(gòu)件變形能力最好。

3.3 鋼管強度的影響

當(dāng)鋼管強度提高時，構(gòu)件極限承載力有明顯提高，但剛度退化影響不大。構(gòu)件的延性系數(shù)略有增大，其中鋼管強度為Q345 時構(gòu)件延性系數(shù)最大，構(gòu)件變形能力最好。

3.4 長細比的影響

增大長細比使得構(gòu)件的極限承載力大幅降低，且有利于抑制構(gòu)件的剛度退化。隨著長細比的增大，構(gòu)件的延性系數(shù)大幅下降，說明長細比增大不利于改善構(gòu)件變形能力。

3.5 徑厚比的影響

增大徑厚比使得構(gòu)件的極限承載力略有降低，證明徑厚比對構(gòu)件承載能力有較大影響。徑厚比的增大有利于抑制帶縱肋短柱構(gòu)件剛度退化且影響較明顯。隨著徑厚比的增大，構(gòu)件的延性系數(shù)略有浮動，其中徑厚比為25時構(gòu)件延性最好，但徑厚比為21.4 時承載力最高，說明在設(shè)計時應(yīng)綜合考慮各因素，不可盲目追求一方的最大化。

4 結(jié)論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

帶縱向肋圓鋼管混凝土短柱較不帶肋時承載力明顯增大，一定程度改善構(gòu)件的延性，但不利于改善構(gòu)件剛度。

加載角度對構(gòu)件的承載力、剛度退化影響并不明顯，但當(dāng)加載角度與肋呈45°時構(gòu)件的延性系數(shù)與極限承載力均最優(yōu)。

混凝土強度對構(gòu)件的承載力、剛度退化以及延性影響不大。

鋼管強度的提高對構(gòu)件的剛度影響并不明顯，當(dāng)鋼管強度從Q235 提高到Q345 時，構(gòu)件承載力與延性系數(shù)都得到明顯提高，但當(dāng)鋼管強度由Q345 提高到Q460 時構(gòu)件承載力得到提高而延性較Q345 鋼略低，說明在實際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合需求適當(dāng)提高鋼管強度。

長細比的降低對構(gòu)件承載力的增大和抑制剛度退化以及提高變形能力均有積極影響。

鋼管厚度的增加使構(gòu)件的承載力有所提高，但加速了剛度退化。當(dāng)鋼管厚度為6mm時構(gòu)件的變形能力最強。