縱凸筋板在鋼管混凝土柱中的應(yīng)用可行性研究

於立雄 趙 燦

(中鐵房地產(chǎn)集團北方有限公司 北京 100166)

1 概述

鋼管混凝土在工程中的應(yīng)用始于19世紀(jì)[1]，由于其良好的受力性能，被廣泛應(yīng)用到世界各地，至今已有一百多年的歷史，仍廣泛應(yīng)用在不同類型的工程中[2]。目前，工程中最常見的截面形式為八面形、圓形和矩形[3]，其中，方鋼管混凝土是矩形鋼管混凝土的特殊形式。

鋼管內(nèi)填充混凝土后，一方面，混凝土避免了鋼管向內(nèi)屈曲以至于過早發(fā)生破壞；另一方面，鋼管對核心混凝土起到約束作用，提高了混凝土的強度，并改善了結(jié)構(gòu)的延性和承載力，起到了一加一大于二的效果。為了更充分發(fā)揮鋼管混凝土的優(yōu)勢，諸多學(xué)者對其軸壓[4-6]、抗震[7-9]等性能進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)隨著寬厚比的增大，管壁易發(fā)生局部屈曲，導(dǎo)致試件承載能力下降[10]。為了避免這一現(xiàn)象發(fā)生，采取了不同的構(gòu)造措施，如加勁肋、拉桿[11]等，但均需要焊接等后續(xù)工藝，增大了工作量。

縱凸筋鋼板是在鋼板上表面帶有縱向凸筋的異形鋼板，其外觀如圖1所示。其凸筋可以增大鋼管和混凝土的結(jié)合能力[12]，同時起到加勁肋的作用，提高鋼板的平面穩(wěn)定，并無需后續(xù)焊接等工作，可以一次成型。在日本的港口、高層建筑的鋼樁、立交橋立柱等有使用內(nèi)螺旋凸筋管制作鋼管混凝土柱的工程實例。本文針對縱凸筋鋼板這一優(yōu)點，利用驗證過的有限元模型，探討其在鋼管混凝土中的應(yīng)用，探究不同徑(寬)厚比下，不同凸筋間距對鋼管混凝土柱性能的影響，并計算了單位用鋼量承載力。

圖1 縱凸筋鋼板及應(yīng)用

2 有限元模型建立

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系模型

假定鋼材符合雙線性隨動本構(gòu)模型，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3；混凝土本構(gòu)模型考慮了鋼管對核心混凝土約束作用等因素的影響，假定彈性模量為3×104MPa，泊松比為0.2。在導(dǎo)入ABAQUS時，需要轉(zhuǎn)換為真實應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

2.2 單元選取與網(wǎng)格劃分

凸筋、鋼管、混凝土均采用八節(jié)點減縮積分格式的三維實體單元(C3D8R)。C3D8R單元對位移的求解結(jié)果較精確，且較完全積分單元減少很多自由度，大大節(jié)省了計算時間。

凸筋單獨建模，后再與鋼管用TIE的方法進(jìn)行組合；混凝土和鋼材采用面面接觸(surface to surface)定義，假定法向為硬接觸(hard contact)，切向采用庫倫摩擦模型考慮兩者的粘結(jié)效應(yīng)，摩擦系數(shù)取值范圍在0.2～0.6，本文采用0.25。

采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分方法，對構(gòu)件進(jìn)行離散化。網(wǎng)格劃分密度對計算精度非常重要，如果網(wǎng)格過大，計算精度降低；網(wǎng)格過密，將浪費過多的計算機資源。因此，網(wǎng)格劃分時應(yīng)結(jié)合網(wǎng)格試驗來確定合理的網(wǎng)格密度。

2.3 邊界條件及加載方式

由于使用位移法具有很好的收斂性，故采用位移加載來模擬荷載作用，一端施加法向位移約束，通過剛性端板傳遞豎向位移荷載；另一端固接，采用增量迭代法進(jìn)行非線性方程組求解。

以圓鋼管混凝土柱為例，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3 有限元模型的驗證

為驗證本文建模方法的準(zhǔn)確性，從文獻(xiàn)[3]和[13]中選取了部分試件，與本文采用的有限元模型進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。可以看出，本文模型可以準(zhǔn)確地反映極限承載力和變形能力，但在下降段過程存在一定偏差，這可能與試驗存在的初始偏差、人員操作等因素有關(guān)。但總體上，本文采用的模型可以有效模擬試驗荷載-位移曲線，獲得關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

圖3 有限元分析與試驗結(jié)果比較

4 參數(shù)設(shè)置及結(jié)果分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

本文以鋼管混凝土柱徑(寬)厚比和凸筋間距為研究參數(shù)，建立有限元模型，對凸筋板在圓鋼管柱及方鋼管混凝土柱中的應(yīng)用進(jìn)行可行性分析。假定鋼材型號為Q345B，鋼管壁厚10 mm；考慮現(xiàn)有加工水平，假定凸筋高度為3 mm，凸筋沿豎向布置；混凝土為C30等級，將其數(shù)值導(dǎo)入2.1章節(jié)的本構(gòu)關(guān)系中。

4.1.1 圓鋼管柱

為探究徑厚比和凸筋間距對圓鋼管混凝土柱性能的影響，依據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 CECS 28—2012》[14]，設(shè)計了D/t＝60 和D/t＝120(D/t常用范圍為(20～135)235/fy＝(13.6～92.0)兩組試件，相應(yīng)的套箍指標(biāo)θ分別為0.5和1.7(θ常用范圍為0.5～2.5)。徑厚比一定的條件下，凸筋間距取0(對比試件)、50 mm、150 mm 和300 mm，共計8個試件，試件尺寸如表1所示。

表1 圓鋼管柱有限元分析試件

4.1.2 方鋼管柱

為探究寬厚比和凸筋間距對方鋼管混凝土柱性能的影響，依據(jù)《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS 159—2004》[15]，設(shè)計了b/t＝30 和b/t＝70兩組試件(軸壓柱b/t限值為)，混凝土的工作承擔(dān)系數(shù)αc分別為0.3和0.5(αc常用范圍為0.1～0.7)。徑厚比一定的條件下，凸筋間距取0(對比試件)、50 mm、100 mm、200 mm 和300 mm四組，共計10個試件，試件尺寸如表2所示。

表2 方鋼管柱有限元分析試件

4.2 應(yīng)力分布

4.2.1 圓鋼管混凝土柱

不同徑厚比下，不帶肋和帶肋(凸筋間距50 mm)的圓鋼管混凝土柱在極限承載力狀態(tài)下的Mises應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示。可以看出，添加縱凸筋可以有效改善鋼管部分的受力，使得鋼管受力更加均勻，使鋼管性能得到更充分發(fā)揮；對于混凝土部分，縱凸筋的添加同樣使其受力更加均勻，但是效果較為有限。

圖4 D/t＝60圓鋼管混凝土柱MISES應(yīng)力云圖

圖5 D/t＝120圓鋼管混凝土柱MISES應(yīng)力云圖

4.2.2 方鋼管混凝土柱

不同徑厚比下，不帶肋和帶肋(凸筋間距50 mm)的方鋼管混凝土柱在極限承載力狀態(tài)下的Mises應(yīng)力云圖如圖6和圖7所示?？梢钥闯?，添加縱凸筋可以有效改善鋼管部分的受力，使得鋼管受力更加均勻，有效改善了角部出現(xiàn)的應(yīng)力集中，使鋼管性能得到了更充分發(fā)揮；對于混凝土部分，縱凸筋的添加同樣使得受力更加均勻，改善了角部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是效果相對不明顯。

圖6 b/t＝30方鋼管混凝土柱MISES應(yīng)力云圖

圖7 b/t＝70方鋼管混凝土柱MISES應(yīng)力云圖

4.3 荷載-位移曲線

各試件的荷載位移曲線如圖8和圖9所示?？梢钥吹?，隨凸筋間距的減小，圓鋼管和方鋼管混凝土柱的極限承載力分別提高了8%和5%左右；當(dāng)凸筋間距大于200 mm時，其承載力與無肋試件差別不大。剛度也有小幅提升，但不明顯，這與用鋼量的增加有關(guān)。同時，縱凸筋的添加在徑(寬)厚比相對較小時有效改善了試件屈服后的變形能力，即使只在間距為300 mm時，其變形能力仍提升了10%，有效提高了鋼管混凝土的變形能力。

圖8 圓鋼管混凝土柱荷載-位移曲線

圖9 方鋼管混凝土柱荷載-位移曲線

為了確認(rèn)承載力提升是由于用鋼量的增加還是縱凸筋的影響，本文計算了圓鋼管及方鋼管混凝土柱試件單位用鋼量承載力，并進(jìn)行歸一化處理(以對比試件單位用鋼量承載力為基準(zhǔn)，帶凸筋試件單位用鋼量承載力與對比試件單位用鋼量承載力相除，得到歸一化的單位用鋼量承載力)，結(jié)果如表3和表4所示?？梢钥闯?，對于帶縱凸筋圓鋼管混凝土柱，當(dāng)徑厚比為60時，隨凸筋間距減小，單位用鋼量承載力逐漸降低；當(dāng)徑厚比為120時，則呈現(xiàn)出相反的趨勢，總體變化區(qū)間在-2.9%～0.5%之間。

表3 圓鋼管柱試件單位用鋼量承載力計算結(jié)果

表4 方鋼管柱試件單位用鋼量承載力計算結(jié)果

對于帶縱凸筋方鋼管混凝土柱，其單位用鋼量承載力變化趨勢存在一定不同:當(dāng)寬厚比較小(b/t＝30)時，方鋼管混凝土柱隨凸筋間距減小，單位用鋼量承載力逐漸降低，與圓鋼管混凝土柱一致；當(dāng)寬厚比較大時，單位用鋼量承載力同樣逐漸降低，與圓鋼管混凝土柱相反。單位用鋼量承載力總體變化區(qū)間在-2.2%～0.2%之間。

綜上，在凸筋高度為3 mm的情況下，凸筋間距在50～300 mm范圍內(nèi)變化時，帶凸筋鋼板對圓鋼管和方鋼管混凝土柱的承載力有一定的提高，但是相對于用鋼量的提高，其提高幅度并不明顯。這可能是由于帶縱凸筋板上凸筋高度較小，導(dǎo)致凸筋剛度較弱，不能完全起到加勁肋的作用。

5 結(jié)論

為了論證帶縱凸筋鋼板在建筑中應(yīng)用的可行性，進(jìn)行了帶縱凸筋建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能有限元分析。在驗證有限元模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行帶縱凸筋鋼板在圓鋼管混凝土柱、方鋼管混凝土柱兩種構(gòu)件共18個試件的有限元分析，得到以下結(jié)論:

(1)帶縱凸筋鋼板可以有效改善圓鋼管和方鋼管混凝土柱的應(yīng)力分布，同時在徑(寬)厚比相對較小時，可以有效提高鋼管混凝土柱的變形能力，提升幅度超過10%。

(2)使用帶縱凸筋鋼板雖然可以提高試件的承載能力，但這主要是由于用鋼量提升所致，其單位用鋼量承載力變化不大，變化區(qū)間在-2.9%～0.5%，這可能是由于凸筋板起筋高度較小，不能完全起到加勁肋作用導(dǎo)致的。

(3)為提高縱凸筋板在建筑鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用效果，建議進(jìn)一步進(jìn)行縱凸筋板軋制技術(shù)研究，研究起筋高度大于0.3倍基板厚度、凸筋間距小于50 mm的縱凸筋板的軋制可行性。