基于ABAQUS的復(fù)式圓鋼管柱滯回性能分析

馬江萍

摘 要：為研究分析復(fù)式圓鋼管混凝土柱的滯回性能，利用ABAQUS建立了混凝土與鋼管強(qiáng)度、彈性模量均相同的9個(gè)模型，對(duì)比分析了剪跨比、軸壓比對(duì)模型極限承載力與延性系數(shù)的影響。結(jié)果表明：復(fù)式圓鋼管混凝土柱在剪跨比相同時(shí)，隨軸壓比增大模型的極限承載力逐漸減小，延性系數(shù)呈先增大后減小的發(fā)展趨勢;在軸壓比相同時(shí)，隨剪跨比增大模型的極限承載力大幅遞減，模型的延性系數(shù)在軸壓比為0.4時(shí)對(duì)剪跨比不敏感，在軸壓比為0.2時(shí)有近25%的提高，但延性系數(shù)在軸壓比為0.6時(shí)大幅下降。

關(guān)鍵詞：復(fù)式圓鋼管;滯回性能;剪跨比;軸壓比;有限元分析

中圖分類號(hào)：TU398.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）04-0175-05

Abstract： In order to study and analyze the hysteretic behavior of the compound concrete-filled circular steel tube column， 9 models with the same strength and elastic modulus of concrete and steel tube were established by ABAQUS， and the shear-span ratio and axial compression ratio were compared with the ultimate bearing capacity and ductility coefficient of model. The results show that when the shear-span ratio of the compound round steel tube column is the same， the ultimate bearing capacity of the model gradually decreases with the increase of the axial compression ratio， and the ductility coefficient shows a development trend of first increasing and then decreasing. When the axial compression ratio is the same， as the shear-span ratio increases， the ultimate bearing capacity of the model decreases significantly. When the axial compression ratio is 0.4， the ductility coefficient of the model is not sensitive to the shear-span ratio. When the axial compression ratio is 0.2， there is an increase of nearly 25%. However， when the axial compression ratio is 0.6， the ductility coefficient drops significantly.

Key words：? compound round steel pipe; hysteretic behavior; shear-span ratio; axial compression ratio; finite element analysis

復(fù)式鋼管混凝土柱兼具鋼管與混凝土的優(yōu)勢[1-3]，且內(nèi)外鋼管作為混凝土施工的模板、混凝土為鋼管提供側(cè)向支撐，因此在建筑中的應(yīng)用愈加廣泛。對(duì)于復(fù)式鋼管混凝土柱構(gòu)件的研究，國內(nèi)外學(xué)者在理論研究、試驗(yàn)分析以及數(shù)值模擬推演等方面已做了大量工作[4-10]。

國內(nèi)學(xué)者蔡紹懷等[11]基于2種截面形式（同心配置的三重鋼管、鋼管束）的復(fù)式鋼管混凝土柱試驗(yàn)研究結(jié)果，分析了復(fù)式鋼管混凝土柱的力學(xué)性能和極限承載力，推導(dǎo)并計(jì)算驗(yàn)證了2種截面形式復(fù)式鋼管混凝土柱的極限承載力公式。張玉芬[12]分析了4種截面形式（內(nèi)圓鋼管、型鋼、CFRP筒增強(qiáng)型鋼管及復(fù)式空心鋼管）的復(fù)式鋼管混凝土柱，驗(yàn)算了4種截面形式的復(fù)式鋼管混凝土柱軸壓剛度、抗震性能，建立了統(tǒng)一可行的剛度和承載力計(jì)算方法。張冬芳等[13]基于復(fù)式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究，分析了內(nèi)外鋼管與鋼梁在受力過程中的應(yīng)力分布，探索了此類節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布與破壞形態(tài)，研究了型鋼梁強(qiáng)度等級(jí)、外鋼管柱強(qiáng)度等級(jí)、外方鋼管柱壁厚以及柱軸壓比對(duì)復(fù)式鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)性能的影響。趙立東等[14]進(jìn)行了3種截面形式（單腔鋼管、復(fù)式鋼管、分腔復(fù)式 鋼管）共計(jì)6個(gè)足尺圓鋼管混凝土柱的擬靜力試驗(yàn)研究，分析了3種截面形式鋼管混凝土柱的破壞特征、滯回性能、承載能力、變形能力、剛度退化以及耗能能力，為復(fù)式鋼管混凝土柱在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。本文基于文獻(xiàn)[14]采用有限元軟件分析了以軸壓比與剪跨比為變化參數(shù)的大截面尺寸復(fù)式鋼管混凝土柱的滯回性能，對(duì)細(xì)部參數(shù)的分析與滯回行為的探討，獲得合適的參數(shù)取值，為更好地研究復(fù)式鋼管混凝土柱在復(fù)雜受力中的抗震性能提供參考建議。

1? 有限元驗(yàn)證

1.1 試驗(yàn)概況

文獻(xiàn)[14]的擬靜力試驗(yàn)中有2個(gè)復(fù)式圓鋼管混凝土柱試件，柱身高度為1 270 mm，試驗(yàn)儀器球鉸高度為 250 mm，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

按照軸壓比0.46，在柱頂施加9 180 kN的豎向壓力。鋼材材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，鋼材彈性模量取2.07×105? MPa，泊松比取0.3。內(nèi)填混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值57.88 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度平均值47.98 MPa，彈性模量 Ec為33.5 GPa。

經(jīng)轉(zhuǎn)化計(jì)算，試驗(yàn)按照位移幅值1.52、3.04 、5.07與6.08 mm各往復(fù)加載1次，7.6、10.13、15.2 、20.26、30.4、46.06、60.8 mm各往復(fù)加載2次的加載法。

1.2 有限元模型的建立

對(duì)文獻(xiàn)[14]中的試件CFST1-2運(yùn)用ABAQUS6.14-2進(jìn)行建模分析，模型尺寸與試驗(yàn)中試件尺寸相同，考慮鋼管與混凝土柱的幾何非線性與狀態(tài)非線性，模型均采用了實(shí)體單元，內(nèi)外鋼管與內(nèi)外混凝土均采用了C3D8R減縮積分單元進(jìn)行建模，各部分的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

模型鋼材采用von Mises屈服準(zhǔn)則，鋼材等效單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用二折線彈塑性本構(gòu)模型：

σs = Esεs? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?εs≤εy

σs = fy+k（εs-εy）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? εy≤εs≤εu

上式中：σS為鋼材的應(yīng)力;ES為鋼材的彈性模量;fy鋼材的屈服強(qiáng)度;k為強(qiáng)化段的斜率，取值為0.01ES[15];

混凝土采用ABAQUS提供Concrete Plastic Damage 模型，混凝土的塑性膨脹角取30°，雙軸抗壓強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度的比值取1.16，黏滯系數(shù)取0.000 5。核心混凝土與外混凝土在內(nèi)外鋼管的約束下強(qiáng)度與塑性性能均有一定程度的提高，因此混凝土的受壓本構(gòu)關(guān)系采用韓林海[16]提出的考慮約束效應(yīng)的混凝土本構(gòu)關(guān)系，采用沈聚敏等[17]提出的混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系作為約束混凝土柱的受拉本構(gòu)關(guān)系。

外鋼管與外混凝土、外混凝土與內(nèi)鋼管、內(nèi)鋼管與內(nèi)混凝土之間均采用硬接觸，切線方向摩擦系數(shù)取0.6;模型柱頂在x方向施加與試驗(yàn)相同的位移進(jìn)行水平往復(fù)加載，柱底采用U1=U2=UR1=UR2=UR3=0的約束，在U3方向施加軸向壓力。

1.3 有限元成果的驗(yàn)證

試件與有限元模型變形對(duì)比如圖3所示，由圖可知試件與有限元模型均在柱底約150 mm處形成鼓狀屈曲變形。

試驗(yàn)與有限元模擬所得滯回曲線如圖4所示。

對(duì)試驗(yàn)與有限元模擬所得滯回曲線分析結(jié)果如表2所示，可知有限元模擬所得滯回曲線與試驗(yàn)滯回曲線吻合度較高。說明本文的有限元模擬方法有效，可用于后續(xù)有限元參數(shù)模擬分析。

2 有限元參數(shù)拓展分析

2.1 模型參數(shù)設(shè)計(jì)

本節(jié)進(jìn)行復(fù)式鋼管混凝土柱的參數(shù)拓展分析，設(shè)計(jì)A～C共計(jì)3組模型，3組模型中內(nèi)外鋼管、內(nèi)外混凝土橫截面尺寸均與試驗(yàn)一致，3組模型中內(nèi)外鋼管、內(nèi)外混凝土材料屬性也均與試驗(yàn)相同。各組內(nèi)柱高與剪跨比保持不變，對(duì)軸壓比與軸壓力進(jìn)行調(diào)整;各組之間調(diào)整柱高與剪跨比，模型參數(shù)如表3所示。

2.2 軸壓比對(duì)模型滯回性能的影響

由圖5的P-△滯回曲線對(duì)比圖可知，剪跨比為3時(shí)，3個(gè)模型的滯回曲線都呈現(xiàn)出飽滿的梭形，耗能性能良好。隨著剪跨比的增大滯回曲線飽滿程度出現(xiàn)了下降，尤其在大剪跨比、高軸壓比的情況下，模型滯回曲線出現(xiàn)了嚴(yán)重的不對(duì)稱現(xiàn)象，并且滯回環(huán)面積退化明顯，主要原因是加載中二階效應(yīng)造成了模型的彎曲變形，使模型在往復(fù)荷載作用下較早退出了工作。

軸壓比影響下模型滯回性能相關(guān)參數(shù)的對(duì)比計(jì)算結(jié)果如表4所示，在剪跨比為3的模型中，極限承載力與延性系數(shù)都較高，隨著軸壓比的增大極限承載力有所下降而延性有大幅提高，軸壓比為0.4與0.6時(shí)兩個(gè)模型的極限承載力變化不大;在剪跨比為4與5的兩組模型中，極限承載力出現(xiàn)了急劇的下降，在n≤0.4時(shí)，隨著軸壓比的增大模型延性系數(shù)有所提高，當(dāng)n>0.4時(shí)，隨著軸壓比的增大模型延性系數(shù)大幅下降。主要原因是在軸壓比較小時(shí)，在軸壓力的作用下模型內(nèi)外鋼管對(duì)內(nèi)外混凝土提供了較為有效的約束作用，避免了混凝土裂縫的發(fā)展，所以模型有較高的極限承載力;隨著軸壓力增大，模型的二階效應(yīng)越為凸顯，尤其在剪跨比較大的模型中，雙重效應(yīng)使得模型較早發(fā)生屈曲破壞，因而極限承載力與延性系數(shù)均出現(xiàn)顯著下降。

2.3 剪跨比對(duì)模型滯回性能的影響

由圖6的P-△滯回曲線對(duì)比圖可知，軸壓比為0.2時(shí)，3個(gè)模型普遍耗能性能良好;當(dāng)軸壓比為0.4與0.6時(shí)，剪跨比為3的模型CFST-A2與CFST-A3滯回曲線依然比較飽滿，具有良好的耗能能力，而其余模型呈扁平狀，耗能能力不足。主要原因是剪跨比為3的模型在軸壓力作用下主要出現(xiàn)彎剪破壞，剪跨比為4、5的模型在軸壓力作用下主要出現(xiàn)彎曲破壞，而軸壓比較大時(shí)還會(huì)伴隨出現(xiàn)明顯的P-△效應(yīng)，使模型極限承載力與延性系數(shù)都退化嚴(yán)重。

剪跨比影響下模型滯回性能相關(guān)參數(shù)的對(duì)比計(jì)算結(jié)果如表5所示，模型隨剪跨比增大極限承載力銳減，主要原因是較大的剪跨比對(duì)模型的屈曲臨界力不利;軸壓比小于0.4時(shí)，模型延性隨剪跨比增大有所提高，軸壓比等于0.4時(shí)，模型延性隨剪跨比增大變化不明顯，軸壓比大于0.4時(shí)，模型延性隨剪跨比增大嚴(yán)重下降，主要原因是在軸壓力較小時(shí)，鋼管的套箍作用使混凝土的裂縫發(fā)展緩慢，混凝土為鋼管提供了有效的側(cè)向支撐，但軸壓力較大時(shí)，鋼管的套箍還未發(fā)揮作用，混凝土已出現(xiàn)損壞，模型提前破壞退出工作。

3 結(jié)語

在混凝土強(qiáng)度與彈性模量相同，鋼管強(qiáng)度與彈性模量相同的情況下，對(duì)復(fù)式圓鋼管混凝土柱的滯回性能利用有限元軟件分析后，在本文研究參數(shù)范圍內(nèi)，得出以下結(jié)論：

（1）復(fù)式圓鋼管混凝土柱在剪跨比為3時(shí)，鋼管柱底雖出現(xiàn)明顯的鼓曲變形，但鋼管的套箍作用有效控制了混凝土裂縫的發(fā)展，模型整體表現(xiàn)出良好的耗能行為;

（2）復(fù)式圓鋼管混凝土柱在剪跨比大于3時(shí)，模型的極限承載力隨著軸壓比的增大大幅減小，模型的延性系數(shù)隨著軸壓比的增大呈先增大后減小的趨勢;

（3）增加剪跨比會(huì)大幅消減模型的極限承載力，剪跨比越大模型的極限承載力對(duì)軸壓比越為敏感;模型的延性系數(shù)在軸壓比為0.2時(shí)有較為可觀的提高，在軸壓比為0.4時(shí)變化不大，但在軸壓比為0.6時(shí)大幅下降。

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