圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件工作机理研究

黄 宏,黄斌洁

（华东交通大学土木建筑学院,江西南昌 330013）

中空夹层钢管混凝土是在两个同心放置的钢管中间填充混凝土而形成的新型组合结构,继承了普通钢管混凝土的承载力高、延性好、施工方便、经济性好等优点,又由于特殊的截面形式而具有抗弯刚度大、自重轻、抗震性能和耐火性好等特点[1]。当中空夹层钢管混凝土被用做构筑物独立柱、输电塔杆、发电风车支架时会受到扭矩作用,而国内外对这方面研究的报道尚属空白,因此有必要对其抗扭性能进行研究。中空夹层钢管混凝土的内、外钢管可采用圆、方、矩形或其他截面形状钢管,由于圆形钢管有利于防止局部屈曲,因此,本文拟对图1所示截面形式的圆中空夹层钢管混凝土构件进行研究,图1中Do,Di,to和ti分别为外钢管和内钢管的外径和厚度。

国内外已有研究者对实心钢管混凝土纯扭构件进行了试验研究和数值模拟。Kitada和Nakai（1991）[2]进行了1个方钢管混凝土短柱抗扭性能的试验研究,同时也进行了空钢管和素混凝土短柱纯扭构件的对比实验。韩林海和钟善桐（1995）[3]进行了4个圆钢管混凝土的纯扭试验研究。Beck和Kiyomiya（2003）[4]进行了圆钢管混凝土、素混凝土和空钢管柱纯扭构件的对比实验。尧国皇等（2007）[5]采

用有限元方法对钢管混凝土纯扭构件的荷载-变形关系进行计算,并进行了参数分析。陈宇超等（2009）[6]采用有限元软件对矩形钢管混凝土构件在纯扭受力状态下的力学性能进行了研究。

本文拟采用有限元方法对钢管混凝土纯扭构件的扭矩-转角关系进行计算,并与其他研究者的试验结果进行对比。在数值模拟结果得到试验结果验证的基础上,对圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件的扭矩-转角全过程曲线进行计算。通过计算结果的全过程分析来研究圆中空夹层钢管混凝土构件在扭矩作用下的工作机理。

图1 构件截面示意图

1 有限元模型的建立

利用有限元软件ABAQUS进行建模,对圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件的扭矩-转角全过程曲线进行计算。

1.1 单元类型和划分

由于模拟中空夹层钢管混凝土扭转构件,单元网格会产生扭曲,应选用减缩积分单元。本文盖板、内外钢管和混凝土均采用8节点减缩积分格式的三维实体单元（C8D8R）。模型截面采用结构化网格划分技术,在构件的长度方向上进行均匀的网格划分。

1.2 材料的本构关系模型

钢材的本构关系模型采用ABAQUS软件中的弹塑性模型,该模型在多轴应力状态下满足经典的Von Mises屈服准则,采用各向同性的强化法则。本文低碳软钢采用五段式二次塑流模型来描述其塑性性能的应力-应变关系曲线[7]。钢材弹性模量和泊松比分别取206 000 MPa和0.3。盖板则考虑其为刚性材料,计算时弹性模量和泊松比分别为1×1012MPa和1×10-6。

混凝土的本构关系模型采用混凝土塑性损伤模型。该模型需要分别采用受拉和受压的应力-塑性应变关系来定义材料的性能。对于单调荷载下的受拉混凝土,采用能量破坏准则来考虑混凝土的受拉软化性能即应力-断裂能关系[8]。单轴受压应力-应变关系则采用刘威（2005）[9]改进的钢管混凝土中核心混凝土模型,该模型考虑了核心混凝土受钢管被动约束的特点,更适合有限元软件ABAQUS对核心混凝土受压应力-应变关系的分析。核心混凝土的泊松比 μc取0.2,弹性模量按Ec=4 730 fc（MPa）计算,其中fc为混凝土圆柱体抗压强度。

1.3 钢管与混凝土的界面模型

盖板和内外钢管均采用绑定（Tie）约束,以保证加载转角位移时,盖板和钢管位移一致。盖板和混凝土的界面模型采用法向硬接触来模拟。内外钢管与混凝土的界面模型由法向的接触和切向的粘结滑移组成,在法向方向参考Beck和Kiyomiya（2003）[4]的研究方法,采用接触刚度较大的单元来模拟,计算时接触单元刚度为1 000 N◦mm-1。在钢管和混凝土的切向,采用库仑摩擦模型来模拟钢管与核心混凝土界面切向力的传递,摩擦系数μ取0.6。

1.4 边界条件

采用全构件模型进行模拟计算,计算模型如图2所示,模型一端为固定边界,另一端约束其竖向位移。采用位移加载方法,在非固定边盖板的几何中心设置参考点,在参考点处施加转角位移,该参考点和盖板上表面用Couple耦合。

图2 纯扭构件计算模型

2 数值模拟结果与试验结果对比

为了验证上述数值模型的正确性,采用上述方法对圆钢管混凝土纯扭构件的扭矩-转角关系进行了计算,并与文献[3,10-12]的试验结果进行对比。对比结果见表1,其中D为圆钢管直径,t为管壁厚度,fy为钢材的屈服强度,fcu为混凝土立方体抗压强度,Tue为试件抗扭强度试验值,Tuc为试件抗扭强度计算值,其中抗扭强度 Tue和 Tuc为试件边缘剪应变达10 000 μ ε时对应的极限扭矩Tu[3]。表1中,有限元计算的抗扭强度与试验测得抗扭强度的比值（Tuc/Tue）的平均值为0.901,均方差为0.062。图3为表1中部分圆钢管混凝土纯扭试件扭矩-转角曲线计算结果与试验结果的比较。由此可见,有限元计算结果与试验结果吻合较好,且总体偏于安全。

表1 纯扭试件一览表

图3 纯扭扭矩-转角曲线试验结果与计算结果的比较

3 工作机理研究

本节采用以上有限元计算模型,通过典型算例对圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件的工作机理进行研究,典型算例的基本条件是:Do=400 mm,to=9.31 mm,fyo=345 MPa,fyi=345 MPa,αn=0.1,χ=0.5,Di/ti=60,L=1 200 mm,其中 fyo为外钢管的屈服强度,fyi为内钢管屈服强度,αn为名义含钢率（αn=Aso/Aco,Aso为外管截面积,Aco为外管以为所包围的面条）,χ为空心率（χ=Di/（Do-2to））。典型算例的扭矩-转角全过程曲线如图4所示,图中,T为扭矩,θ为构件总扭转角。图5和图6给出了圆中空夹层钢管混凝土典型算例中钢管和混凝土截面 a点、b点和c点对应的固定边界剪应力τxz分布。圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件的典型T-θ曲线可分为下面几个阶段:

（1）弹性阶段（oa）在此阶段,T-θ关系曲线基本呈直线关系,内外钢管和混凝土全部参加工作,三者一般是单独受力,几乎无相互作用力产生。在此阶段,混凝土截面剪应力增长较快（如图5（1）所示）。

图4 典型纯扭构件 T-θ关系曲线

图5 圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件截面剪应力τxz分布云图

（2）弹塑性阶段（ab）达到a点时外钢管进入弹塑性阶段,内钢管也随后进入弹塑性阶段。在扭矩作用下,内部混凝土开始发展微裂缝,由于微裂缝的扩展,使得混凝土的横向变形超过了钢管的横向变形,这样三者之间产生了相互作用力。由于与混凝土的相互作用,外钢管先达到屈服,随后内钢管也达到屈服。钢管和核心混凝土均处于复杂受力状态之下,但主要处于双向受剪的应力状态。当构件进入弹塑性阶段,混凝土截面剪应力增长幅度减小。

（3）塑性强化阶段（bc）,当钢管屈服后,虽然混凝土已发展了微裂缝,但由于受到外钢管的约束,且由于混凝土的存在可以有效地抑制钢管的局部内凹屈曲,从而使构件的抗扭承载力继续增长,钢管混凝土表现出良好的塑性性能。在此阶段,混凝土界面剪应力增长幅度趋于平缓。对于圆中空夹层钢管混凝土,在受力过程中,混凝土截面剪应力的分布始终是随着与截面中心距离的增加,混凝土剪应力也增加（如图6所示）。

图7给出了圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件典型算例在受力过程中内外钢管与混凝土之间的相互作用力沿构件截面的分布。由图可见,外钢管主要以受压为主,而内钢管则受到拉力作用,这是因为内部混凝土在扭矩作用下发展裂缝使其横向变形超过钢管的横向变形。圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件内外钢管的约束力在与构件成45°左右的截面处较大。圆中空夹层钢管混凝土中的混凝土在扭矩的作用下的开裂为拉裂,其破坏面为45°左右翘曲面。但由于内外钢管的约束作用,使混凝土裂缝的发展得到延缓并且阻止其发生错位,因此沿轴线成45°左右翘曲面上产生比其他位置更大的相互作用力。

图6 纯扭构件混凝土不同位置处剪应力（τ-θ）关系曲线

图7 纯扭构件内外钢管与混凝土相互作用力分布（MPa）

4 结语

通过本文的分析可得如下结论:

（1）本文所建立的有限元模型能很好的模拟钢管混凝土纯扭构件,计算所得的构件抗扭承载力与试验结果符合良好,并且计算结果总体趋于安全。

（2）在此基础上,计算了圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件典型算例的扭矩-转角全曲线。全曲线分为三个阶段:弹性段、弹塑性段和塑性强化段。全曲线不出现下降段,表明圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件具有良好的塑性性能。

（3）通过分析三个阶段中的内外钢管和混凝土的剪应力分布以及他们之间的相互作用力,表明钢管和混凝土在扭矩作用下能充分发挥各自的受力优势,使得圆中空夹层钢管混凝土具有优良的抗扭受力性能。

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