钢骨—钢管混凝土柱的偏压承载力研究

彭立纯

钢骨—钢管混凝土柱是一种新型的结构组合柱，它是综合钢管混凝土和钢骨混凝土的优缺点而提出的一种新模式的重载柱，其截面如图1所示。在以往钢骨—钢管混凝土柱承载力的研究中［1-3］，对偏压承载力的研究较少。鉴于此，本文将就钢骨—钢管混凝土柱的偏压承载力进行试验研究，同时用ANSYS对其承载力进行有限元分析。

图1 钢骨—钢管混凝土柱截面形式

1 试验介绍

试验构件参数如表1所示。

表1 试件设计方案表

试验在5000 kN长柱压力试验机上进行。钢骨及钢管应变片的总体布置情况如图2所示。

图2 应变片布置图

试验时在试件上、下端部各固定了一个20mm厚夹具以增强试件端部的承压能力。在试件的上部和下部及对称的左右边分别布置四个百分表用来测量试件的轴向变形。偏压短柱试件的侧向挠度也是采用在试件1/2及1/4高度处布置的百分表来测量;偏压长柱的侧向挠度是通过在试件1/2，1/3，1/6高度处对称布置的五个百分表来测量。

试验采用分级加载制，弹性范围每级荷载为预计极限荷载的1/10，当钢管开始屈服后，每级荷载约为预计极限荷载的1/20，每级荷载的持荷时间为2 min，接近破坏时则采用慢速连续加载，当试件变形很大，荷载迅速下降时终止试验。

2 有限元建模分析

采用ANSYS有限元分析程序，Solid65单元模拟核心混凝土，Solid45单元模拟钢骨，Shell63单元模拟钢管壁。建模时钢管壁与核心混凝土之间、核心混凝土和型钢之间采用完全粘结的形式进行简化模拟。为了准确模拟偏心加载，在模型组合柱的两端加钢板以传递偏心力，该钢板也采用Solid45单元模拟，但是将其弹性模量设置为一个较大的数值，用力模拟板的刚性。底部刚性板的所有节点施加UX，UY，UZ方向约束，用于模拟铰接，顶部刚性板节点上施加UX，UY方向约束，同时施加Z方向的荷载。

本文在分析过程中，混凝土的本构关系采用文献［2］提出的核心混凝土本构关系，钢管和钢骨的本构关系采用简化的理想弹塑性应力—应变曲线，其屈服强度值采用试验值。本文采用大位移静态分析，设置最大子步数为200，并打开自动步长选项(AUTOTS，1)，以便根据需要由系统自动调整子步数，以获得精度和代价之间的良好平衡。当不能确信模型能否成功收敛时，打开自动时间步长选项可以激活ANSYS的二分法。本文采用力收敛准则，收敛容差设为0.01。部分计算结果如图3～图6所示。

图3 钢骨Von Mises应力云图

图4 钢管Von Mises应力云图

3 承载力结果分析比较

将钢骨—钢管混凝土柱的偏压试验承载力结果及ANSYS分析得到的承载力结果列于表2中。

图5 混凝土Von Mises应力云图

图6 组合柱Von Mises应力云图

由表2可以看出，有限元分析结果与试验结果吻合较好，误差均控制在5%以内。说明采用本文方法建立的ANSYS模型能够很好地进行钢骨—钢管混凝土偏压柱的极限承载力分析，相对于试验研究，采用有限元模拟分析能够很好地节约人力和物力。

表2 极限承载力试验结果与有限元计算结果比较

4 结语

1)本文对钢骨—钢管混凝土柱的偏压承载力进行了试验研究。2)采用ANSYS有限元软件，选择合适的材料本构关系和荷载求解方法，对钢骨—钢管混凝土柱的偏压承载力进行了模拟分析，结果表明本文有限元分析结果与试验数据吻合较好，证明了有限元分析的有效性。

［1］ 王清湘，赵大洲，关 萍.钢骨—钢管高强混凝土轴心组合柱力学性能的试验研究［J］.建筑结构学报，2003，24(6):44-50.

［2］ 赵大洲.钢骨—钢管高强混凝土组合柱力学性能研究［D］.大连:大连理工大学博士学位论文，2003:1-104.

［3］ 陈宝春，王来永，韩林海.钢管混凝土偏心受压应力—应变关系模型研究［J］.中国公路学报，2004，17(1):24-28.

［4］ 缪 巍.配筋钢管混凝土短柱轴心承载力试验研究［J］.山西建筑，2010，36(5):79-80.