带约束拉杆L形钢管混凝土轴压柱受力性能分析

谭良斌， 刘 忠， 朱勇杰， 杨哲光， 朱智俊

(湘潭大学 a.土木工程与力学学院; b. 流变力学研究所， 湖南 湘潭 411105)

钢管混凝土受压柱由于承载力高、延性好、抗震性能佳等特点，近年来在土木工程中被广泛应用。目前，国内外对钢管混凝土受压柱的试验和理论研究，主要集中在圆形、方形和矩形等截面形式上[1～6]，对L形等其它异形钢管混凝土受压柱的研究还不多见[7～9]。

L形钢管混凝土柱是指将混凝土填入L形钢管内而形成的组合结构，在L形钢管混凝土受压柱中，由于钢管壁各边中部对核心混凝土的约束作用小。因此，在这些部位设置具有约束钢板横向变形作用的水平拉杆，有助于提高钢管对核心混凝土的约束效应，改善构件的受力性能[10，11]。

1 有限元分析模型

1.1 试验概述

针对带约束拉杆L形钢管混凝土轴压短柱的受力性能，蔡健等人进行了大量的试验[10]，研究了1个无约束拉杆和6个带约束拉杆L形钢管混凝土轴压短柱的破坏形态及工作机理。轴心受压是指加载中心为L形试件的截面形心，形心由L形截面的面积矩确定。考虑的主要参数为拉杆的水平间距、拉杆的直径和钢管壁厚。试件的构造及主要参数，见表1和图1所示。

表1 试件参数

注：表中材料强度通过试验得到。

图1 试件截面尺寸

1.2 三维有限元数值分析模型

本文采用试验中C1、C2试件作为研究对象。建立了以柱底阳角边交点为坐标原点的三维有限元数值分析模型，如图2所示。相关研究表明，钢管和核心混凝土界面间的相对滑移，对L形钢管混凝土轴压柱受力性能的影响不明显[12，13]。因此，不考虑钢管与核心混凝土之间的滑移。拉杆和混凝土、钢管的连接采用节点耦合的方法。荷载施加在L形柱顶截面形心上，柱底节点施加X、Y、Z方向的约束，柱顶节点施加X、Y方向的约束。加载时，为了避免应力集中，在柱顶和柱底均设置刚性垫块，方便轴心荷载的施加。

图2 C2试件的有限元模型

混凝土采用三维8节点实体单元Solid65，拉杆采用Link8单元，钢管和垫块采用Solid45单元。核心混凝土本构关系采用韩林海公式[6]，峰值应变为3.8×10-3，破坏准则采用Willan-Warnke五参数破坏准则。钢管和拉杆的本构关系均选用双线性随动强化模型(BKIN)，钢管强化模量为0.01Es，屈服应变为2.3×10-3。拉杆的屈服应变为1.72×10-3。

计算过程采用Newton-Raphson平衡迭代法，分步加载，荷载子步设为200步，采用力加载，位移收敛准则。打开大变形开关和自动时间步长，收敛容差设为2%。

2 有限元数值模拟及轴压机理分析

本文针对带约束拉杆L形钢管混凝土轴压短柱的受力性能，进行了数值模拟，得到了轴压柱中截面荷载-纵向曲线(曲线p-Δx)。计算结果与试验数据的对比分析，分别如图3和表2所示。

图3 计算结果与试验结果对比

比较结果表明，有限元计算结果和试验结果基本吻合，说明本文所建立的带约束拉杆L形钢管混凝土轴压短柱有限元模型是有效的。

表2 极限承载力的对比

在达到极限荷载前，试件C2中，约束拉杆的应变较小，第一排和第三排的拉杆基本处于弹性工作阶段，在接近极限荷载时，第三排拉杆的应变发展迅速，很快达到屈服，说明第三拉杆对钢管壁的约束作用明显，而第一排拉杆并没有达到屈服，如图4所示。

图4 荷载-拉杆应变的关系曲线

图5 荷载-钢管侧向应变的关系曲线

试件C1，在接近极限荷载时，试件阳角边钢管壁的侧向应变大于阴角边钢管壁的侧向应变，如图5(a)所示，说明阳角边的钢管壁对核心混凝土的约束大于阴角边。由于约束拉杆的作用，试件C2，在接近极限荷载时，阴角边钢管壁的侧向应变大于阳角边钢管壁的侧向应变，如图5(b)所示。与试件C1相比，钢管壁的侧向平均应变均增加，说明约束拉杆使极限承载力对应的峰值应变增加。

从开始加载至破坏，试件C2横截面ab线上(如图6所示)，轴向应变在柱高和柱高处，基本上都呈线性变化，如图7所示。因此，构件横截面平均应变满足平截面假定。在加载过程中，当荷载达到极限荷载的80%左右时，钢管屈服，而混凝土没有达到峰值应变。

图6 截面加载位置

图7 沿ab线的节点荷载-纵向应变图

3 参数分析

本文以C2柱为参考，对带约束拉杆L形柱，进行轴压参数分析，讨论了拉杆纵向间距、拉杆横向间距、拉杆直径、钢管壁厚和偏心距等因素。

拉杆纵向间距对试件荷载-纵向位移曲线的影响，如图8所示，可以看出：试件的极限承载力、对应的纵向位移均随拉杆纵向间距的减小而增大，但并不明显。因此，工程设计时，不建议采用减小拉杆纵向间距的方法提高承载力，从经济方面考虑，建议采用拉杆纵向间距为150 mm。

图8 拉杆纵向间距变化的影响

拉杆横向间距对试件荷载-纵向位移曲线的影响，如图9所示，可以看出：试件的极限承载力、对应的纵向位移均随拉杆横向间距的减小而增大，相对拉杆间距为200 mm的试件，拉杆间距为75 mm和100 mm时，试件的极限承载力分别提高了10.72%、6.61%。且拉杆横向间距对试件的影响主要源于对核心混凝土的影响。

图9 拉杆横向间距变化的影响

拉杆直径对试件荷载-纵向位移曲线的影响，如图10所示，可以看出：试件的极限承载力、对应的纵向位移基本没有影响，因此，建议采用直径为10 mm的拉杆。随钢管壁厚的增加，试件的极限承载力和刚度越大，钢管对核心混凝土的约束效应越强，纵向位移增加，如图11所示。当钢管壁厚由6 mm增加到12 mm时，其承载力提高了50.68%。所以，采用较大的壁厚，试件的承载力得到了十分有效的提升，且增幅明显。

图10 拉杆直径变化的影响

图11 钢管壁厚变化的影响

p-Δx曲线较明显的表现为两阶段，如图12所示。第一阶段，混凝土开裂前，p-Δx曲线呈线性关系且侧向位移增加较小；第二阶段，混凝土开裂至混凝土压碎，p-Δx曲线呈非线性关系且随荷载增加侧向位移增加较大。在同级荷载作用下，偏心距越大，试件柱中侧向变形越大。因此，在进行设计时，宜减小偏心。偏心荷载方向如图6所示。

图12 偏心距变化的影响

4 结 论

(1)本文建立的带约束拉杆L形钢管混凝土柱有限元分析模型，其计算结果与试验数据吻合较好，证明该模型是合理的。横截面平均应变基本满足平截面假定。在轴向荷载作用下，带约束拉杆L形钢管混凝土柱，由于钢板侧向变形受到拉杆的约束，使钢管对核心混凝土的约束作用得到提高。

(2)拉杆纵向间距对试件的极限承载力、对应的纵向位移影响不明显。工程设计时，不建议采用。则拉杆横向间距对试件的极限承载力、对应的纵向位移影响明显，主要是源于对核心混凝土的影响。而拉杆直径对试件的极限承载力、对应的纵向位移基本没有影响。

(3)随钢管壁厚的增加，极限承载力、试件刚度和对应的纵向位移均增大。偏心距对带约束拉杆L形钢管混凝土柱的极限承载力影响较大，在进行设计时，宜减小偏心。

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