帶肋“十”字形鋼管混凝土柱的軸壓性能

任曼妮，范定堅(jiān)

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院 第一設(shè)計(jì)所，陜西 西安 710021）

0 引言

鋼管混凝土柱是由鋼管中填充混凝土而形成，在受壓過(guò)程中，鋼管對(duì)內(nèi)部混凝土有約束作用.混凝土可以有效改善鋼管管壁的穩(wěn)定性，2 種不同性質(zhì)材料的組合能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，彌補(bǔ)各自的材料缺點(diǎn)，有效提高截面剛度，減少屈曲的發(fā)生.但異形鋼管混凝土中約束效應(yīng)主要集中在角部，鋼管管壁對(duì)混凝土約束較弱，局部屈曲問(wèn)題比較突出，使得組合效應(yīng)降低.為加強(qiáng)異形鋼管與核心混凝土的共同作用，最有效的方法之一是在管內(nèi)部增設(shè)加勁肋，可以提高鋼管局部屈曲強(qiáng)度、鋼管管壁與混凝土之間的黏結(jié)性能以及防止界面的脫空.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土柱進(jìn)行相關(guān)研究[1-7]，劉潔[8]等以加勁肋剛度為參數(shù)，對(duì)加肋方鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出設(shè)置加勁肋改變了管壁屈曲模態(tài)、應(yīng)力路徑并延緩管壁屈曲等結(jié)論.黃宏[9]等研究有無(wú)加肋的T 形鋼管混凝土軸壓短柱力學(xué)性能，結(jié)果表明：加勁肋有效提高T 形鋼管混凝土軸壓剛度和承載力；全貫通加肋方式對(duì)T 形鋼管混凝土截面約束效應(yīng)較明顯.

上述文獻(xiàn)已證實(shí)加勁肋對(duì)鋼管混凝土柱受力性能影響較大，但研究主要集中在圓形和方形截面，“十”字形截面的研究相對(duì)欠缺.“十”字形鋼管混凝土柱截面形狀不僅具有較大的抗側(cè)剛度和強(qiáng)度，還可以與建筑墻體布置配合，增加房間使用面積.因此，為研究加肋方式對(duì)鋼管混凝土柱的軸壓力學(xué)性能的影響情況，本文設(shè)計(jì)5 種不同加肋方式的“十”字形鋼管混凝土柱和1 根無(wú)肋對(duì)比試件，通過(guò)有限元軟件ABAQUS 對(duì)其力學(xué)性能展開分析.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6 個(gè)試件，其中1 個(gè)無(wú)加肋與5 個(gè)不同加肋形式“十”字形鋼管混凝土構(gòu)件，鋼板及加肋厚度相同，均用t表示，mm；L為試件總長(zhǎng)度，mm；a，b為各邊長(zhǎng)尺寸，c為試件Z-5 上加肋鋼板長(zhǎng)度，mm.截面尺寸見圖1，模型柱參數(shù)見表1.

表1 模型柱參數(shù)Tab.1 model column parameters

圖1 所有試件截面示意Fig.1 schematic diagram of all specimen sections

2 有限元模型建立

2.1 材料本構(gòu)模型

鋼材為Q345，屈服極限fy為310 MPa，泊松比Vs為0.3，彈性模量Es為2.06×105MPa，本構(gòu)模型見圖 2.混凝土等級(jí)為 C40，混凝土本構(gòu)采用ABAQUS 中的混凝土塑性損傷模型，其本構(gòu)關(guān)系參考文獻(xiàn)[10]中提出的鋼管混凝土本構(gòu)關(guān)系，混凝土本構(gòu)關(guān)系見圖3.

圖2 鋼材本構(gòu)關(guān)系Fig.2 steel stress-strain

圖3 混凝土本構(gòu)關(guān)系Fig.3 stress-strain for concrete

2.2 模型建立

“十”字形方鋼管混凝土柱中，鋼管和內(nèi)部混凝土均采用C3D8R 實(shí)體單元，加勁肋通過(guò)S4R 殼單元模擬.鋼管與混凝土之間的接觸關(guān)系是建模的重點(diǎn)，兩者相互作用中切向力采用庫(kù)倫摩擦力，摩擦系數(shù)取0.25，法向接觸通過(guò)“硬接觸”來(lái)實(shí)現(xiàn).加勁肋采用“擬鋼筋”方法通過(guò)嵌入完成.將試件柱頂釋放Y向位移，底端設(shè)置成完全固定，加載采用位移控制加載，有限元模型及邊界條件見圖4.

圖4 各部件網(wǎng)格及模型邊界條件Fig.4 mesh and the boundary conditions

2.3 有限元模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的合理性，選取文獻(xiàn)[11]中無(wú)肋“L”形鋼管混凝土短柱試件L-NR-2 和加肋“L”形鋼管混凝土短柱試件L-WR-4 建立有限元模型.試件L-NR-2 和試件L-WR-4 的載荷-位移曲線計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比見圖5，可以看出，兩條曲線的極限承載力數(shù)值相近，整體趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明建立的有限元模型的可靠性和合理性.

圖5 試驗(yàn)與有限元載荷-位移對(duì)比Fig.5 test and finite element load-displacement

圖6 為試件L-NR-2 和試件L-WR-4 的試件破壞結(jié)果對(duì)比.從圖6 中可以看出，試件L-NR-2 試驗(yàn)與有限元模型破壞形態(tài)均在陽(yáng)角面處出現(xiàn)較大鼓曲，試驗(yàn)破壞位置在柱中及柱中附近處，而有限元模型在柱端附近處；試件L-WR-4 有限元模擬和試驗(yàn)破壞形態(tài)中，鼓曲均集中在沿試件長(zhǎng)度中部及中部附近，因此，有限元建模方法可以更好地模擬試件的實(shí)際應(yīng)力情況.

圖6 試件破壞結(jié)果對(duì)比Fig.6 comparison of test results

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 承載力分析

表2 為各試件特征值，承載力提高程度為（某加肋試件承載力—無(wú)肋試件承載力）/無(wú)肋試件承載力取值.由表2 可知，加肋試件比無(wú)肋試件極限承載力提高幅度在21.4%～28.4%之間，“十”字形鋼管混凝土柱承載力安全儲(chǔ)備在1.087～1.206 內(nèi)，表明加肋對(duì)“十”字形鋼管混凝土柱承載力影響較大，試件Z-4 的安全儲(chǔ)備值最大，加肋效果最佳.

表2 試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果Tab.2 experimental simulation results

3.2 軸壓全過(guò)程的載荷分配

圖7 為各試件各部分軸力分配全過(guò)程，由圖7可知，鋼材變化趨勢(shì)與試件整體基本一致，屈服略早于試件整體的屈服；混凝土部分和試件整體幾乎同時(shí)達(dá)到各自峰值點(diǎn)；在試件達(dá)到極限承載力時(shí)，試件Z-1～試件Z-6 中混凝土部分承擔(dān)的載荷分別占總載荷61.7%、64.3%、63.6%、61.3%、62.1%、67.1%，說(shuō)明試件Z-6 加肋方式對(duì)混凝土承載力提高效果最佳；試件Z-1～試件Z-6 試件中鋼管部分承擔(dān)的載荷分別占總載荷38.2%、29.9%、32.4%、31.3%、29.2%、27.9%，由于無(wú)肋試件鋼管對(duì)混凝土約束較小，鋼管分擔(dān)較大承載力，鋼管與混凝土協(xié)調(diào)受力較加肋試件弱，而試件Z-2～試件Z-6 鋼管部分承擔(dān)的載荷占比較為接近，可以看出加肋方式的不同對(duì)鋼管分擔(dān)承載力影響較??；試件Z-2～試件Z-6 中鋼板肋部分承擔(dān)的載荷分別占總載荷5.7%、3.9%、7.2%、8.6%、4.9%，在軸壓全過(guò)程中加勁肋有效承擔(dān)部分載荷，試件Z-5 加肋方式中加勁肋分擔(dān)承載力占比最大，主要由于加勁肋設(shè)置在鋼管壁上，能夠有效延緩鋼管壁向外的局部鼓曲，從而加強(qiáng)試件中鋼管與核心混凝土協(xié)同工作性能.

圖7 試件各部分軸力分配過(guò)程Fig.7 schematic of the axial force distribution curve of each specimen

3.3 鋼管應(yīng)力分析

圖8 為各試件達(dá)到極限承載力時(shí)鋼管管壁應(yīng)力.由圖8 可知，試件Z-1 鋼管管壁中間出現(xiàn)應(yīng)力不均勻現(xiàn)象，說(shuō)明鋼管管壁產(chǎn)生了局部鼓曲；鋼管與加勁肋均端頭應(yīng)力較大，發(fā)生明顯屈曲現(xiàn)象；所有試件靠近角部處的應(yīng)力均較大；相比試件Z-1、試件Z-5，試件Z-2、試件Z-3、試件Z-4 和試件Z-6 加肋方式將試件分隔成若干腔室，使鋼管壁對(duì)混凝土約束增大，鋼管縱向應(yīng)力提高；由于試件Z-5、試件Z-6 在鋼管壁上加肋，鋼管壁上應(yīng)力較為均勻，能夠效延緩鋼管壁向外的局部鼓曲，改善鋼管壁的穩(wěn)定性.與試件Z-1 相比，加肋試件應(yīng)力分布更加均勻，說(shuō)明加勁肋可以使構(gòu)件整體受力更加合理.

圖8 鋼管縱向應(yīng)力分布（單位：MPa）Fig.8 stress map of concrete filled tube wall（unit：MPa）

3.4 混凝土應(yīng)力分析

圖9 為各試件在達(dá)到極限承載力時(shí)柱中部截面處縱向應(yīng)力分布.從圖9 可以看出：由于“十”字形截面中鋼管對(duì)混凝土的約束效應(yīng)主要集中在角部，因此試件Z-1 角部處混凝土的縱向應(yīng)力要大于其他部位；與無(wú)肋試件相比，加肋試件的混凝土整體縱向應(yīng)力得到顯著提高；由于縱向加勁肋將試件Z-2分隔成5 個(gè)腔室，試件Z-3、試件Z-4 分隔成4 個(gè)腔室，加肋筋位置均位于陰角處并相連，改善了鋼管對(duì)混凝土的約束；與無(wú)肋試件Z-1 相比，試件Z-5的縱向加勁肋位于鋼管壁處，明顯改善了陰角面鋼管對(duì)混凝土約束作用；試件Z-6 加肋方式不僅將“十”字形鋼管混凝土分隔成4 個(gè)腔面，而且加肋位于鋼管壁上，有效提高鋼管管壁和陰角處混凝土縱向應(yīng)力；在5 種加肋方式中，試件Z-5 和試件Z-6縱向應(yīng)力分布較為均勻.

圖9 混凝土柱中截面的縱向應(yīng)力分布（單位：MPa）Fig.9 longitudinal stress distribution in cross section of concrete column（unit：MPa）

4 結(jié)論

（1）相比無(wú)肋試件，加肋試件的軸壓極限承載力明顯提高，加勁肋使整個(gè)構(gòu)件的受力更加合理；試件Z-4 加肋方式對(duì)“十”字形鋼管混凝土柱軸壓承載力提高效果最佳；

（2）試件Z-6 加肋方式對(duì)混凝土部分承載力提高效果最佳；由于無(wú)肋試件鋼管對(duì)混凝土約束較小，鋼管分擔(dān)較大承載力，鋼管與混凝土協(xié)調(diào)受力較加肋試件弱；加肋方式的不同對(duì)鋼管分擔(dān)承載力的影響較??；

（3）通過(guò)加肋方式將試件分隔成若干腔室，可以提高鋼管壁對(duì)混凝土約束效應(yīng)；將加肋鋼板設(shè)置在鋼管壁上，能夠效延緩鋼管壁向外的局部鼓曲，加強(qiáng)鋼管與核心混凝土的共同作用，確?！笆弊中武摴芑炷林浞职l(fā)揮力學(xué)性能優(yōu)勢(shì).