十字加肋鋼管混凝土柱敏感度的影響因素

任曼妮，范定堅(jiān)

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090；2. 西安開元臨潼投資發(fā)展有限公司，陜西 西安 710600)

在工業(yè)建筑的大力發(fā)展中，鋼管混凝土柱具有承載力高、塑性好、抗震性能強(qiáng)以及施工便利等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在工程中廣泛應(yīng)用[1-2]。十字形鋼管混凝土柱截面形狀抗側(cè)剛度和強(qiáng)度較大，設(shè)計(jì)中與建筑墻體布置配合，不僅能避免室內(nèi)露柱的缺點(diǎn)，還可以提高室內(nèi)空間利用面積。

正交試驗(yàn)法是從完全試驗(yàn)中選取有代表性的因素，將每個(gè)因素及其水平均勻搭配，獲得有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)。目前已有不少國內(nèi)外學(xué)者通過正交試驗(yàn)法對鋼管混凝土柱進(jìn)行了相關(guān)研究[3-5]。董素芹等[6]考察了圓鋼管混凝土柱的長細(xì)比、含鋼率以及取代率對圓鋼管混凝土柱的應(yīng)變及撓度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)對圓鋼管再生混凝土柱力學(xué)性能的影響因素從大到小順序依次為長細(xì)比、含鋼率和取代率。聞洋等[7]對薄壁鋼管再生混凝土柱軸壓敏感因素進(jìn)行分析，在其研究的參數(shù)范圍內(nèi)，對于較長柱、中長柱而言，各因素對其承載力敏感程度的影響從強(qiáng)到弱依次分別為長細(xì)比、含鋼率、取代率和含鋼率、取代率、長細(xì)比。戴紹斌等[8]基于正交試驗(yàn)法對T形鋼管混凝土柱-混凝土梁外加強(qiáng)環(huán)板式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震性能研究，得出框架梁配筋率是節(jié)點(diǎn)極限承載力、位移延性系數(shù)以及能量耗散系數(shù)3個(gè)性能指標(biāo)影響最大的因素。

從上述文獻(xiàn)中可以看出，大量學(xué)者運(yùn)用正交試驗(yàn)法對鋼管混凝土進(jìn)行研究，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欠缺。因此，本文設(shè)計(jì)了一種十字形鋼管混凝土柱的加肋方式，另做1根無肋試件與其進(jìn)行軸壓性能對比，基于正交試驗(yàn)法通過ABAQUS有限元分析軟件對9根十字形加肋鋼管混凝土柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，考察混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、鋼管厚度以及加勁肋厚度4個(gè)因素對十字形加肋鋼管混凝土柱的極限承載力以及混凝土、鋼管、加勁肋部分承擔(dān)承載力敏感度的影響。

1 試驗(yàn)概況

本文對1根無肋和9根加肋的十字形方鋼管混凝土柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，試件總長度為1 500 mm。圖1為十字形方鋼管混凝土柱截面示意圖(其中DB試件為無肋十字形方鋼管混凝土柱，ZJ系列試件為加肋的十字形方鋼管混凝土柱)，正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1和表2。

表1 因素水平

表2 正交試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

表1為試驗(yàn)采用的因素與對應(yīng)的水平數(shù)，在試驗(yàn)中A、B、C、D分別代表混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、鋼管厚度、加勁肋厚度，每種因素?cái)M考慮3個(gè)水平級。表2為正交試驗(yàn)中試件具體參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果，從表中可以看出混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、鋼管厚度、加勁肋厚度對鋼管混凝土柱承載力均有影響，后文針對各因素對各部分承擔(dān)承載力的敏感度進(jìn)行展開分析。

2 有限元模型建立

2.1 材料本構(gòu)模型

鋼材本構(gòu)關(guān)系采用雙折線應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型，泊松比為0.3，彈性模量Es=2.06×105MPa，本構(gòu)模型如圖2所示。圖中ε表示應(yīng)力，σ表示應(yīng)變；鋼材達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)閒y和εy；鋼材達(dá)到極限值時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)閒u和εu；

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)[9]中提出的鋼管混凝土本構(gòu)關(guān)系，如圖3所示。圖中，混凝土達(dá)到極限承載力時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)閒c和ε0。

2.2 模型建立

鋼管和內(nèi)部混凝土均采用C3D8R實(shí)體單元，而加勁肋設(shè)置成S4R殼單元。鋼管與混凝土之間的交界面采用面-面(surface-surface)接觸，切向力采用“罰摩擦”，法向接觸通過“硬接觸”來實(shí)現(xiàn)。加勁肋采用“擬鋼筋”方法通過嵌入完成。結(jié)構(gòu)合理劃分網(wǎng)格既要滿足精度要求，還要確保收斂性。模型的網(wǎng)格劃分會(huì)影響模型的分析精度，劃分過于粗糙，計(jì)算結(jié)果不精確；混凝土、鋼管、加勁肋網(wǎng)格劃分尺寸分別為50、50和25 mm。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如圖4所示。

2.3 有限元模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型合理性，選取文獻(xiàn)[10]中無肋L形鋼管混凝土短柱L-NR-2和加肋L形鋼管混凝土短柱L-WR-4試件建立有限元模型。L-NR-2和L-WR-4試件的荷載-位移曲線計(jì)算值與試驗(yàn)值對比如圖5所示。從圖5中可以看出，試驗(yàn)值和模擬值吻合較好，并且2條曲線整體趨勢基本一致，驗(yàn)證了建立的有限元模型的可靠性和合理性。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 軸壓全過程的荷載分配

以試件DB和ZJ-7為例，分析試件中混凝土、鋼管以及加勁肋部分承擔(dān)的承載力分配曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，混凝土、鋼材以及加勁肋變化趨勢與試件整體基本一致，鋼管與加勁肋屈服比試件整體屈服早；當(dāng)試件達(dá)到極限承載力時(shí)，試件DB和ZJ-7中鋼管部分承擔(dān)的荷載分別占總荷載的38.2%、25.9%，而混凝土部分占總荷載的61.7%、68.9%。這是由于無肋試件鋼管對混凝土約束較小，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。

3.2 鋼管應(yīng)力分析

以試件DB和ZJ-7為例，分析試件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)鋼管管壁應(yīng)力云圖，如圖7所示，圖中應(yīng)力單位為MPa。試件DB鋼管管壁中間出現(xiàn)應(yīng)力不均勻現(xiàn)象，說明鋼管管壁產(chǎn)生了局部鼓曲；試件ZJ-7在陰角處相連加肋筋，將鋼管混凝土柱分隔成4個(gè)腔面，同時(shí)在鋼管管壁上附加加勁肋；設(shè)置加勁肋后，不僅改善了鋼管對混凝土的約束，還使鋼管壁上應(yīng)力云圖較為均勻，能夠效延緩鋼管壁向外的局部鼓曲，提高鋼管壁的穩(wěn)定性。

3.3 混凝土應(yīng)力分析

以試件DB和ZJ-7為例，分析試件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)柱中部截面處縱向應(yīng)力分布云圖，如圖8所示，圖中應(yīng)力單位為MPa。從圖中可以看出，設(shè)置加勁肋后，試件縱向應(yīng)力分布比較均勻，鋼管管壁和陰角處混凝土縱向應(yīng)力明顯提高。

4 極差計(jì)算與分析

采用正交試驗(yàn)法對十字形加肋鋼管混凝土柱的極限承載力以及混凝土、鋼管、加勁肋部分承擔(dān)承載力的影響因素進(jìn)行分析，參數(shù)變量為混凝土強(qiáng)度等級、鋼材強(qiáng)度等級、鋼管厚度以及加勁肋厚度4個(gè)因素。

4.1 極限承載力

采用正交試驗(yàn)法對試驗(yàn)柱的極限承載力影響因素進(jìn)行分析，變量為混凝土強(qiáng)度等級、鋼材強(qiáng)度等級、鋼管厚度以及加勁肋厚度，各因素水平的取值見表3。

表3 極限承載力極差計(jì)算

極差R一般取最大值和最小值之差，極差反映了其相應(yīng)的因素水平的改變對檢驗(yàn)指標(biāo)的影響水平，極差越大，水平改變時(shí)檢驗(yàn)指標(biāo)的變化也越大，其對應(yīng)的因素就是起主導(dǎo)作用的因素。

從表3可知，在研究的參數(shù)范圍內(nèi)，加勁肋厚度和鋼材強(qiáng)度極差數(shù)值相近，對極限承載力影響相近；各因素對極限承載力的影響程度順序?yàn)椋杭觿爬吆穸?D)>鋼材強(qiáng)度(B)>鋼管厚度(C)>混凝土強(qiáng)度(A)。通過對比可以確定最優(yōu)的因素水平組合為混凝土強(qiáng)度為C50，鋼材強(qiáng)度為Q390，鋼管厚度為8 mm，加勁肋厚度為6 mm。

4.2 混凝土部分承擔(dān)承載力

采用正交試驗(yàn)法對試驗(yàn)柱的混凝土部分承擔(dān)承載力影響因素進(jìn)行分析，變量為混凝土強(qiáng)度等級、鋼材強(qiáng)度等級、鋼管厚度以及加勁肋厚度，各因素水平的取值見表4。

表4 混凝土部分承擔(dān)承載力極差計(jì)算

從表4可知，在研究的參數(shù)范圍內(nèi)，各因素對混凝土部分承擔(dān)的承載力影響程度順序?yàn)椋轰摴芎穸?C)>混凝土強(qiáng)度(A)>鋼材強(qiáng)度(B)>加勁肋厚度(D)；鋼管厚度和混凝土強(qiáng)度極差數(shù)值相近，對混凝土部分承擔(dān)的承載力的影響同樣重要，加勁肋厚度對試件混凝土部分承擔(dān)的承載力影響最小。通過對比可以確定最優(yōu)的因素水平組合是混凝土強(qiáng)度為C50，鋼材強(qiáng)度為Q390，鋼管厚度為8 mm，加勁肋厚度為2 mm。

4.3 鋼管部分承擔(dān)承載力

采用正交試驗(yàn)法對試驗(yàn)柱的鋼管部分承擔(dān)承載力影響因素進(jìn)行分析，變量為混凝土強(qiáng)度等級、鋼材強(qiáng)度等級、鋼管厚度以及加勁肋厚度，各因素水平的取值見表5。

表5 鋼管部分承擔(dān)承載力極差計(jì)算

由表5可知，在研究的參數(shù)范圍內(nèi)，各因素對混凝土部分承擔(dān)承載力的影響程度順序?yàn)椋杭觿爬吆穸?D)>鋼材強(qiáng)度(B)>鋼管厚度(C)>混凝土強(qiáng)度(A)；加勁肋厚度對試件鋼管部分承擔(dān)的承載力影響最大，而混凝土強(qiáng)度影響最小。從表5可知，混凝土強(qiáng)度為C30，鋼材強(qiáng)度為Q390，鋼管厚度為4 mm，加勁肋厚度為6 mm時(shí)對試件的鋼管部分承擔(dān)承載力最為有利。

4.4 加勁肋部分承擔(dān)承載力

采用正交試驗(yàn)法對試驗(yàn)柱的加勁肋部分承擔(dān)承載力影響因素進(jìn)行分析，變量為混凝土強(qiáng)度等級、鋼材強(qiáng)度等級、鋼管厚度以及加勁肋厚度，各因素水平的取值見表6。

表6 加勁肋部分承擔(dān)承載力極差計(jì)算

從表6可知，在研究的參數(shù)范圍內(nèi)，各因素對加勁肋部分承擔(dān)承載力的影響程度順序?yàn)椋杭觿爬吆穸?D)>鋼材強(qiáng)度(B)>鋼管厚度(C)>混凝土強(qiáng)度(A)；加勁肋厚度對試件加勁肋部分承擔(dān)承載力影響最大，其次是鋼材強(qiáng)度等級和鋼管厚度，混凝土強(qiáng)度影響最??；通過對比可以確定最優(yōu)的因素水平組合是混凝土強(qiáng)度等級為C30，鋼材強(qiáng)度等級為Q390，鋼管厚度為8 mm，加勁肋厚度為6 mm。

5 結(jié) 論

1)本文設(shè)計(jì)了一種十字形方鋼管混凝土柱的加肋方式，改善了鋼管對混凝土的約束，使鋼管壁上應(yīng)力云圖較為均勻，延緩了鋼管壁向外的局部鼓曲，使整個(gè)構(gòu)件的受力更加合理。

2)在研究的參數(shù)范圍內(nèi)，加勁肋厚度對試件極限承載力及鋼管、加勁肋部分承擔(dān)承載力影響最大，而混凝土強(qiáng)度等級對試件極限承載力及鋼管、加勁肋部分影響最??；鋼管厚度對試件混凝土部分承擔(dān)承載力影響最大，混加勁肋厚度對試件混凝土部分承載力影響最小。