鋼管鋼骨混凝土組合柱偏壓力學(xué)性能研究

陳培超 馮衛(wèi)平

（1.河南理工大學(xué)鶴壁工程技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030；2.河南理工大學(xué)鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030）

作為繼鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)之后發(fā)展起來(lái)的第五大結(jié)構(gòu)體系，鋼管混凝土由于其良好的塑性性能和抗彎能力在建筑工程領(lǐng)域有較好的應(yīng)用。深圳賽格廣場(chǎng)、香港金融中心大廈、東莞臺(tái)商銀行均采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。但對(duì)于純鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)外圍鋼管在高溫的作用下會(huì)發(fā)生軟化的現(xiàn)象，失去對(duì)核心區(qū)混凝土的約束能力。基礎(chǔ)此，可在混凝土中加入工字鋼而形成鋼管鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)。發(fā)生火災(zāi)時(shí)即便外圍鋼管發(fā)生軟化，由于內(nèi)部純?cè)谥ぷ咒?，可以保證結(jié)構(gòu)的承載力。但對(duì)于實(shí)際工程中，真正的軸心受壓是不存在的，因?yàn)闃?gòu)件設(shè)計(jì)制作、材料使用及施工等因素均會(huì)引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生誤差，柱子在實(shí)際使用的過(guò)程必定是處于偏心受壓的狀態(tài)。本文就鋼管鋼骨混凝土組合柱的偏壓力學(xué)性能進(jìn)行分析，利用ABAQUS 軟件模擬出鋼管鋼骨混凝土組合柱在不同偏心距、不同加載方向情況下的力學(xué)性能和變形性能，為工程建設(shè)提供了依據(jù)。

1 參數(shù)選擇及加載方式

在普通的鋼筋混凝土柱中，偏心距的不同會(huì)造成柱子發(fā)生大偏壓或者小偏壓破壞。鋼管鋼骨混凝土柱也會(huì)因?yàn)槠木嗟牟煌a(chǎn)生不同的破壞形態(tài)。為了研究不同偏心距對(duì)組合柱偏壓力學(xué)性能的影響，以及模型建立的正確性。本文采用文獻(xiàn)[15]中柱子截面尺寸的相關(guān)參數(shù)，來(lái)研究不同偏心距情況下偏心受壓柱的力學(xué)性能，主要參數(shù)見表1，由于鋼管有內(nèi)徑和外徑，d代表鋼管外徑、t 代表著鋼管厚度、l 為鋼管長(zhǎng)度，為增加核心混凝土的抗變形能力，核心混凝土配有工字鋼，核心混凝土采用高強(qiáng)混凝土。由于工字鋼兩對(duì)稱軸慣性矩不用，故抗彎剛度EI 也不一樣。因此偏壓荷載的加載方向分為兩個(gè)加載方向如圖1 所示，偏心距選為20mm、40mm 和60mm。在建模時(shí)，根據(jù)表3.1 中的e0和強(qiáng)弱軸加載方向調(diào)整加載點(diǎn)的位置。

表1 構(gòu)件參數(shù)Table 1 Component parameters

對(duì)于鋼管混凝土在設(shè)置約束條件時(shí)，采用一端完全固定、一端不完全固定的方式進(jìn)行約束。在固定端限制其X、Y、Z 三個(gè)方向的線位移以及XOZ、XOY、YOZ 三個(gè)平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在加載端限制Y、Z 兩個(gè)方向的線位移以及XOZ、XOY、YOZ 三個(gè)平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，而放松其在Z 方向的位移，使其在Z 方向有一個(gè)自由度，可以通過(guò)位移加載法進(jìn)行加載。本次加載時(shí)，使其在自由端的Z 方向有20mm 的位移，得出固定端的支座反力。

試件名稱 d×t×l（mm）長(zhǎng)細(xì)比加載方向偏心距(mm) 套箍指標(biāo)配骨指標(biāo)

PY1 165×4.2×550 13.3 軸心 0 0.76 0.47

PY2 165×4.2×550 13.3 強(qiáng)軸 20 0.76 0.47

PY3 165×4.2×550 13.3 強(qiáng)軸 40 0.76 0.47

PY4 165×4.2×550 13.3 強(qiáng)軸 60 0.76 0.47

PY5 165×4.2×550 13.3 弱軸 20 0.76 0.47

PY6 165×4.2×550 13.3 弱軸 40 0.76 0.47

在ABAQUS 模塊中，有多個(gè)模塊對(duì)構(gòu)件進(jìn)行模擬分析。主要有：part 模塊進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)，property 模塊進(jìn)行材料屬性的定義，在assembly 模塊進(jìn)行構(gòu)件的組裝。

本次模擬試驗(yàn)中，在part 模塊，由于鋼管在受力的過(guò)程中會(huì)發(fā)生屈曲變形。故不能定義為實(shí)體，僅能定義為殼體進(jìn)行分析。對(duì)于鋼管內(nèi)部的和核心混凝土與鋼骨可為實(shí)體。為防止在模擬加載的過(guò)程當(dāng)中造成鋼骨滑出，將兩端蓋板定義為剛體，并在約束條件中限制蓋板的位移，完成各構(gòu)件的組建。

在屬性模塊，由于混凝土處于三向受壓狀態(tài)，故輸入的本構(gòu)關(guān)系為鋼管約束后的核心混凝土的本構(gòu)關(guān)系，并非普通混凝土的本構(gòu)關(guān)系。用Excel 表格編輯約束混凝土的本構(gòu)關(guān)系曲線，得出本構(gòu)關(guān)系，并輸入型鋼與鋼管的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線用來(lái)賦予不同構(gòu)件相應(yīng)的材料和截面屬性。

2 壓彎模擬偏心荷載影響

施加不同偏心荷載的影響方式，與壓彎構(gòu)件受力性能接近。故采用不同偏心距荷載的加載方式，來(lái)模擬壓彎構(gòu)件的受力性能。得出的支反力-最大位移關(guān)系曲線如圖1 所示。

圖1 偏心荷載影響下承載力-位移關(guān)系曲線Fig 1 Bearing capacity displacement curve under eccentric load

由于受到穩(wěn)定性的影響，不同長(zhǎng)細(xì)比的構(gòu)件，其力學(xué)性能不相同。為了消除長(zhǎng)細(xì)比的影響，得到真正的偏壓承載力，選取了長(zhǎng)細(xì)比為13.3 的短柱進(jìn)行模擬分析。通過(guò)分析，得到如圖1 所示的，不同偏心距影響下的承載力-撓度關(guān)系曲線。加載的方法采用的是等速率的加載方法，荷載從“零”開始，以0-0.45MPa/s 的速率進(jìn)行加載。從四條曲線中可以看出，全過(guò)程曲線分為三個(gè)階段：在荷載剛開始加載時(shí)，由于荷載較小組合構(gòu)件處于彈性狀態(tài)，為直線段的彈性階段，彈性狀態(tài)結(jié)束時(shí)的荷載約為最大承載力的70%；之后曲線開始向橫坐標(biāo)方向彎曲，斜率減小，即進(jìn)入了彈塑性工作階段。且隨著偏心距的增加，曲率也增加，直至達(dá)到最大承載力時(shí)，曲線表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)。

3 強(qiáng)弱軸加載的影響

由于核心混凝土內(nèi)部配有工字鋼，工字鋼在兩個(gè)主軸方向的慣性矩不一樣，導(dǎo)致其抗彎剛度EI 不一樣。圖2 為強(qiáng)軸方向加載（偏心距為20mm、40mm）和弱軸方向加載（偏心距為20mm、40mm）時(shí)的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，強(qiáng)軸的承載力高于弱軸的承載力。從高低程度上來(lái)看，當(dāng)偏心距較小時(shí)，弱軸加載與強(qiáng)軸加載的降低幅度，要高于偏心距較大時(shí)，弱軸加載與強(qiáng)軸加載的降低幅度。偏心距較小時(shí)約為偏心距較大是的5 倍。具體原因可以通過(guò)圖3 中帶中性軸的四個(gè)圖進(jìn)行解釋。在偏心距較小的a、c 兩圖中，遠(yuǎn)軸力端的受拉區(qū)面積較小，故而承載力降低程度較?。欢赽 與d 圖中，在偏心距較大的情況下，遠(yuǎn)軸力側(cè)的受拉區(qū)面積增加，故而承載力降低程度較大。

圖2 不同加載方向的N-u 關(guān)系曲線Fig 2 the N-u curve of different loading direction

圖3 強(qiáng)弱軸加載示意圖Fig3 Schematic diagram of strong and weak axis loading

4 結(jié)論

（1）偏心距對(duì)偏壓柱的承載的影響。在偏心距方面，組合構(gòu)件的極限承載力隨著偏心距的增大而減小，且減小速度較快。

（2）在軸向受壓時(shí)，混凝土?xí)a(chǎn)生向外的橫向膨脹變形。由于外部鋼管的約束作用，可限制混凝土的橫向膨脹變形，從而使得其曲線的下降段較為平緩，構(gòu)件的延性性能得以增強(qiáng)。強(qiáng)弱軸加載方向不同，構(gòu)件的承載力不同?？紤]到內(nèi)部鋼骨翼緣與鋼管對(duì)混凝土的橫向約束作用，強(qiáng)軸強(qiáng)于弱軸。

（3）內(nèi)部鋼骨的存在對(duì)混凝土的橫向膨脹變形也起到了一定的約束作用，使得混凝土柱的軸向抗壓承載力得以提高。又由于鋼骨具有較高的抗彎剛度，構(gòu)件的抗變形能力得到增強(qiáng)。