鋼骨-鋼管混凝土壓彎構(gòu)件受力性能分析

袁姣姣 尹張亮

（北京市機械施工集團有限公司，北京 100000）

0 引言

鋼管混凝土由于鋼管和混凝土良好的協(xié)同作用展現(xiàn)出優(yōu)越的受力性能，在超高層和大跨空間結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用［1］。對于承受重載的鋼管混凝土組合構(gòu)件，在實際工程中常在其內(nèi)部中配置型鋼和鋼管等，由于鋼骨可以約束混凝土裂縫的發(fā)展，以及鋼骨受到混凝土的支撐作用不易局部屈曲，進(jìn)而提升了該類組合構(gòu)件的承載力和延性［2-4］，同時，內(nèi)部鋼骨的存在可以有效解決大尺寸構(gòu)件中內(nèi)部混凝土澆筑時帶來的施工問題。典型的鋼管混凝土構(gòu)件和內(nèi)置鋼管而形成的組合構(gòu)件截面示意圖如圖1所示。

圖1 鋼管混凝土組合構(gòu)件截面形式

目前，關(guān)于各類鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的受力性能已有較多研究，如堯國皇［5］通過數(shù)值研究和理論分析系統(tǒng)研究了不同截面鋼管混凝土構(gòu)件復(fù)合受力性能，并給出了相應(yīng)的計算方法；薛陽［6］對自密實高強混凝土壓彎構(gòu)件的受力性能進(jìn)行了試驗研究和有限元分析。對于鋼骨-鋼管混凝土構(gòu)件，研究多集中在軸壓性能［7］，關(guān)于該類構(gòu)件的壓彎性能研究缺乏。因此，有必要對鋼骨-鋼管混凝土構(gòu)構(gòu)件的壓彎性能進(jìn)行分析，明晰該類構(gòu)件的受力機理和鋼骨類型對受力性能的影響。

因此，本研究通過ABAQUS 有限元軟件建立3種不同截面的鋼骨-鋼管混凝土壓彎構(gòu)件有限元模型，通過已有試驗對模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。在此基礎(chǔ)上分析和對比了3 種壓彎構(gòu)件的工作機理，包括構(gòu)件側(cè)向承載力，軸力和彎矩分布和發(fā)展，以及應(yīng)力和破壞形態(tài)，討論了鋼骨類型的影響，為進(jìn)一步深入研究及工程中的相關(guān)設(shè)計提供參考。

1 有限元模型

1.1 材料本構(gòu)

對于鋼管和鋼骨，其采用雙線性模型，包括彈性段和強化段，強化段的模量取鋼材彈性模量的0.01 倍。混凝土采用ABAQUS 有限元軟件中的塑性損傷模型，其本構(gòu)關(guān)系采用文獻(xiàn)［1］中鋼管混凝土中核心混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如式（1）。

式中：x=ε/ε0，y=σ/σ0，具體參數(shù)取值見文獻(xiàn)［1］。在損傷模型中，膨脹角取30°，fb0/fc0值為1.16；塑性勢能方程的流動偏角取0.1；k為拉壓子午面第二應(yīng)力不變量之比，k取2/3；黏性系數(shù)的取值為0.000 1。

1.2 模型建立

共設(shè)計3種截面的組合構(gòu)件（見圖1），3種截面差別僅為內(nèi)部鋼骨。構(gòu)件長度為800 mm，外鋼管截面直徑和壁厚分別為200 mm 和5 mm，十字形鋼腹板度和翼緣寬度為90 mm 和45 mm，壁厚均為5 mm，內(nèi)部圓鋼管截面直徑和壁厚分別為59 mm和5 mm，構(gòu)件CC1 與CC2 的鋼骨率相同。鋼材和型鋼屈服強度為355 MPa，混凝土抗壓強度為50 MPa。

在ABAQUS 有限元軟件中建立壓彎構(gòu)件的有限元模型，各部件均采用三維實體單元，單元類型為C3D8R。鋼管與混凝土的界面通過法向行為和切向行為定義，法向采用“hard”接觸，切線方向選擇庫倫摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.6。構(gòu)件下端固支邊界通過約束構(gòu)件底部整個面的三個方向的位移實現(xiàn)，構(gòu)件上端自由，端板通過“綁定”與各部件進(jìn)行約束。計算時先在構(gòu)件頂部端板施加軸向荷載（軸向荷載比為0.3），然后在端板上施加側(cè)向位移。各部件網(wǎng)格大小均為12 mm，模型的邊界與網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 有限元模型的邊界與網(wǎng)格

1.3 模型驗證

為驗證建立模型的準(zhǔn)確性，對文獻(xiàn)［3,6］中不同截面鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的試驗結(jié)果進(jìn)行模擬，包括鋼管混凝土和鋼骨-鋼管混凝土試件。試件模擬與試驗的荷載-變形曲線對比如圖3所示，由圖3可以看出，模擬曲線與試驗曲線整體上吻合良好，加載后期兩種曲線有一定差異，這可能是因為試驗與模擬的邊界有一定差異。模擬與試驗峰值荷載之比的平均為1.001，表明建立的有限元模型準(zhǔn)確合理。

圖3 模擬與試驗的荷載-變形曲線對比

2 受力機理對比與分析

2.1 側(cè)向荷載-位移曲線

3 種截面構(gòu)件的側(cè)向荷載-側(cè)向位移（P-Δ）曲線如圖4所示，可見3種構(gòu)件的P-Δ曲線形態(tài)相似。以構(gòu)件C1 為例，整個曲線可以分為OA段（彈性階段），AB段（彈塑性階段）和BC段（下降階段）。在OA階段，試件的P-Δ曲線呈直線，荷載隨著位移呈線性增加，A點時荷載達(dá)到0.55Pmax。A點后，構(gòu)件受拉側(cè)外鋼管開始屈服，曲線斜率逐漸變小，構(gòu)進(jìn)入彈塑性，B點時荷載達(dá)到最大，即為構(gòu)件的極限承載力（Pmax=112 kN）。B點側(cè)向位移逐漸增大，荷載下降，C點時構(gòu)件的荷載下降至0.85Pmax，此時側(cè)向位移達(dá)到40.0 mm，展現(xiàn)出較好的延性。

圖4 荷載-位移曲線

與構(gòu)件C1 相比，構(gòu)件CC1 和CC2 的P-Δ曲線彈性階段的剛度沒有明顯變化，而極限荷載明顯提高，構(gòu)件CC1 和CC2 的峰值荷載分別為128.1 kN 和134.2 kN，其較構(gòu)件C1提高了14.4%和19.8%，這表明在鋼管混凝土中配置型鋼可以顯著提高其壓彎承載力，且圓鋼管較十字形型鋼展現(xiàn)出更明顯的提升效果。

2.2 軸向荷載變化

為分析型鋼對軸力分布的影響，3 種構(gòu)件底部截面各部件軸向荷載的變化如圖5 所示?？梢?，側(cè)向加載前，構(gòu)件C1 的鋼管和混凝土承擔(dān)的軸力大小相近，約為50%。隨著側(cè)向位移的增加，混凝土的軸力增加，鋼管的軸力則減小，當(dāng)達(dá)到峰值承載力時，鋼管和混凝土承擔(dān)的荷載分別占18%和82%，這表明鋼管卸載的軸力被混凝土承擔(dān)。

由圖5（b）可知，型鋼的存在影響了各部件軸力的發(fā)展，側(cè)向加載前，鋼管、混凝土和型鋼的軸力占初始軸向荷載的38%、39%和23%。當(dāng)側(cè)向位移超過3.3 mm 后，鋼管和型鋼的軸力明顯下降，而混凝土的軸力則逐漸增加。由于混凝土良好的支撐作用，型鋼的軸力下降程度小于鋼管。達(dá)到峰值荷載時，鋼管和型鋼承擔(dān)的軸力分別占8%和22%。構(gòu)件CC2 的軸力變化過程與構(gòu)件相似，不同的是，加載后期外部混凝土的軸向荷載保持穩(wěn)定，而內(nèi)部混凝土的軸力明顯增加，這表明內(nèi)部混凝土逐漸發(fā)揮出更明顯的作用。綜上可知，內(nèi)部型鋼的存在對構(gòu)件截面的軸力發(fā)展影響顯著。

圖5 各部件軸向荷載發(fā)展

2.3 彎矩發(fā)展與分布

加載全過程中各部件底部截面的彎矩M發(fā)展如圖6所示。從圖6可以看出，3種構(gòu)件各部件的M-Δ發(fā)展形態(tài)相似，外鋼管承載的彎矩最大，混凝土的彎矩次之，內(nèi)部鋼骨的最小。構(gòu)件C1、CC1和CC2在達(dá)到峰值荷載時的最大彎矩分別為104.5 kN·m，118.4 kN·m和124.7 kN·m，構(gòu)件CC1和CC2較C1分別提高13.3%和19.3%，這表明型鋼的存在提高了構(gòu)件的抗彎承載力。構(gòu)件CC1加載后期鋼管和型鋼的彎矩保持相對穩(wěn)定，而混凝土的彎矩逐漸增加，這與構(gòu)件C1相似。不同的是，構(gòu)件CC2加載后期彎矩的增加主要是由外鋼管和內(nèi)部混凝土彎矩的上升造成的，這表明內(nèi)部型鋼的存在對構(gòu)件各部件彎矩分布有一定影響，進(jìn)而影響構(gòu)件的側(cè)向承載力。

圖6 各部件彎矩發(fā)展

2.4 應(yīng)力分布與破壞形態(tài)

3種構(gòu)件在不同特征點時刻底部及截面混凝土的縱向應(yīng)力（S33）發(fā)展與分布如圖7 所示，受壓為負(fù)值。從圖7可以看出，O點時，由于型鋼和鋼管對混凝土的約束作用，型鋼附近混凝土應(yīng)力分布不均勻，但整個混凝土截面受壓。A點時，混凝土截面左側(cè)出現(xiàn)明顯的受拉區(qū)域，但受拉區(qū)域明顯小于受壓區(qū)域。B點時截面的受拉區(qū)域延伸接近構(gòu)件截面中心，由于應(yīng)力集中，右側(cè)受壓區(qū)域出現(xiàn)明顯的高應(yīng)力區(qū)域，且由于型鋼和鋼管的約束作用，鋼部件內(nèi)部混凝土在受壓側(cè)也產(chǎn)生明顯的高應(yīng)力區(qū)域。C點時受拉區(qū)域已經(jīng)延伸超過截面中心，最大壓應(yīng)力值也增大了。

圖7 混凝土截面應(yīng)力分布

C點時3 種構(gòu)件鋼部件的Mises 應(yīng)力分布和破壞形態(tài)如圖8 所示?？梢?，各部件均產(chǎn)生明顯的整體彎曲變形，且外鋼管在底部受壓側(cè)產(chǎn)生明顯的局部屈曲。3 種構(gòu)件的外鋼管應(yīng)力分布相似，高應(yīng)力區(qū)域均在構(gòu)件下部的受拉側(cè)和受壓側(cè)邊緣附近，但下部整個橫截面并未完全屈服。此外，內(nèi)部型鋼和鋼管由于混凝土的保護(hù)，其高應(yīng)力區(qū)域明顯小于外部鋼管，這使得鋼部件可以發(fā)揮更好的承載作用。

圖8 鋼部件的應(yīng)力和破壞形態(tài)

3 結(jié)論

①建立鋼骨-鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的有限元模型并驗證了模型的合理性，通過該模型分析了不同截面壓彎構(gòu)件的受力機理。

②由于內(nèi)部鋼骨與混凝土良好的共同作用，在鋼管混凝土中配置鋼骨顯著提高了構(gòu)件的側(cè)向承載力，且圓鋼管的作用較十字形型鋼更顯著。

③內(nèi)置鋼骨對壓彎構(gòu)件各部件的軸力和彎矩的發(fā)展和分布影響顯著，側(cè)向加載過程中鋼管和鋼骨卸載的軸力被混凝土承擔(dān)，外鋼管對抗彎承載力的貢獻(xiàn)明顯高于混凝土和鋼部件。

④內(nèi)置鋼骨對構(gòu)件混凝土的應(yīng)力分布影響顯著，3種截面構(gòu)件的整體破壞形態(tài)相似，而內(nèi)部鋼骨受到混凝土的保護(hù)較外鋼管的破壞程度更低。