薄壁波纹钢管混凝土柱局部屈曲性能研究

朱哲清， 高剑平， 罗 民

（华东交通大学土木建筑学院，南昌330013）

0 引 言

薄壁钢管柱因为其高强度和高刚度的特点，常被用作城市高架桥的桥墩.然而，在历史上多次地震中，这类柱子遭受局部屈曲破坏严重，给灾后搜救工作带来了极大的阻力[1].已有试验研究[2]的结果表明，方钢管混凝土柱中钢管发生局部屈曲现象比空钢管混凝土柱滞后.通过钢结构方法确定的钢管宽厚比对于钢管混凝土柱来说是偏低的.对于某些采用钢管混凝土结构的中低层建筑以及城市高架桥的墩身而言，对构件的整体承载力要求相对偏低，所以外用钢管可以适当的采用更加轻薄的钢管，此举可以较为有效地节约钢材的用量，在保证构件承载力的要求下，达到降低总体工程项目造价的目的[3].试验研究和数值模拟[4-5]均表明：因受压翼缘发生局部屈曲，这类薄壁钢管柱在轴力和弯矩的组合作用下，在柱端部塑性铰区一定范围内往往发生集中破坏，而板的局部屈曲会削弱构件强度、刚度和耗能能力.

因此，为了提高薄壁钢管的抗屈曲能力和屈曲后的抗震性能，提出了一种新型的薄壁波纹钢管混凝土柱，其截面如图1所示 （其中D为波纹管边长，b1、b2分别为波纹折线段边长，t为钢板厚度）.在薄壁波纹钢管混凝土柱滞回性能试验研究的基础上[6]，利用有限元软件ABAQUS模拟了薄壁波纹钢管混凝土柱在低周往复荷载作用下滞回性能和局部屈曲性能，并分析了钢板的强度、宽厚比、长细比及混凝土强度对薄壁波纹钢管柱局部屈曲临界承载力的影响规律.

图1 薄壁波纹钢管混凝土柱截面示意图

1 试验研究

拟静力试验在湖南大学结构实验室进行，试验模型以高架桥柱为研究对象，采用悬臂柱模型.试件制作分为3部分：底座、柱身和柱头.为了确保钢筋混凝土管柱底部为没有转动和滑移的固定端，在试件柱身的底部设计了一个相对刚度很大的基座.

试验中发现，柱脚（柱身靠近底座部位）部位各面局部屈曲区域的屈曲波基本连结成凸凹的一个环状；敲击各面鼓曲部位可以听到空洞的声音，剖开钢板后发现柱脚处局部屈曲破坏比较严重，压碎后混凝土呈片状脱落，说明了薄壁波纹钢板在柱脚处约束较弱，容易发生局部屈曲.

各试件的屈曲破坏状况均为距柱脚处2～3 cm左右区域出现了一个环状外凸屈曲部分.观察到各试件在1～3倍屈服位移处发生受压侧钢筒鼓曲.经过卸载并反向加载后，鼓曲的部分基本复原，但却引起另一侧受压区钢管鼓曲.随着继续加载，鼓曲向两侧延伸，变得越来越显著.当鼓曲较明显后，卸载并反向加载后鼓曲将不再被拉平，但仍然看到，存在明显的受拉侧向鼓曲.最后破坏呈三种状态：①直缝管开裂且发生横向拉伸开裂；②钢管直焊缝开裂；③钢管只发生鼓曲而不发生断裂.

2 薄壁波纹钢管混凝土柱局部屈曲有限元模拟

2.1 有限元计算模型

钢材采用四节点减缩积分格式的壳单元(S4R)，考虑到计算的精度和时间，在壳单元厚度方向采用9个积分点的辛普森积分[6]；核心混凝土和刚性底板均采用八节点减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R)，该单元可用于模拟较大的网格屈曲，进行大应变分析[7-10].为了便于施加边界条件及荷载作用，引入两个刚片.加载装置中的底部基座等效为一个刚片，另一个刚片作为盖板，均与钢管混凝土柱固接.在分析的过程中采用多个分析步进行模拟[11-12]，在第一个分析步中对构件底部盖板施加轴向面荷载，后面的多个分析步中均保持轴力恒定，将每个循环中的正向、反向加载各自定义成一个分析步，依次对柱端的盖板进行位移加载.

2.2 有限元计算结果与试验结果的比较

骨架曲线综合反映了试件受力和变形的关系，它能较为直观的反映出试件在水平荷载作用下的屈服荷载、最大荷载、极限位移和延性等主要特征，文中所要研究的局部屈曲荷载即为骨架曲线中的最大荷载.如图2，试验结果与模拟结果大致吻合，说明可以用文中所建立的有限元模型去模拟薄壁波纹钢管混凝土柱发生局部屈曲时的影响参数.

图2 试件B2的骨架曲线图

图3表示薄壁波纹钢管混凝土柱在柱脚处应力最大，这也是最可能首先发生局部屈曲的部位，与试验结果是相符的.

图3 薄壁波纹钢管混凝土柱应力分布

2.3 局部屈曲影响因素分析

2.3.1 宽厚比的影响

把波纹钢板的厚度分为9个等级，试件的截面尺寸和材料特性为：波纹管边长D=276mm，波纹折线段边长b1=42 mm，b2=40 mm，钢材强度fy=246MPa，混凝土强度fcu=48.8MPa，试件长度b=1500mm，轴向压力No=450 kN.钢板厚度和宽厚比取值见表1.

表1 宽厚比对屈曲荷载的影响

如表1和图4所示，随宽厚比的增加，钢管对混凝土的强度提高系数逐渐降低，导致局部屈曲荷载逐渐减小.

图4 宽厚比对屈曲荷载的影响

2.3.2 钢材强度的影响

选取了规范中规定的4种钢材，其截面尺寸和材料特性为：D=276mm，b1=42mm，b2=40mm，混凝土强度fcu=48.8MPa，试件长度b=1500mm，轴向压力No=450 kN，宽厚比=276，钢板厚度t=1mm，当钢材强度 fy分别取 235、345、390、420 MPa 时，屈曲荷载 Nuo分别为 35.2、44.5、47.6、49.6 kN.

图5为钢材强度对屈曲强度的影响规律.钢管起到约束混凝土的作用，提高钢材强度能提高薄壁钢管混凝土整体的抗压强度.从图5可以看出，薄壁钢管混凝土的屈曲荷载会随着钢材强度的增加而增大.

图5 钢材强度对屈曲荷载的影响

2.3.3 混凝土强度的影响

选取了规范中规定的C25～C70的混凝土，共模拟了6种混凝土，其截面尺寸和材料特性为： D=276 mm，b1=42 mm，b2=40 mm，试件长度b=1500 mm，轴向压力No=450 kN，宽厚比=276，钢板厚度t=1 mm，钢材强度fy=246 MPa，当混凝土强度 fcu分别取 C25、C30、C40、C50、C60、C70 时，屈曲荷载 Nuo分别为：31、31.6、33.9、34、34.3、34.9 kN.

图6为混凝土强度对屈曲荷载的影响规律.对同一种截面形状、内填不同强度混凝土的薄壁钢管混凝土，混凝土强度越低，钢管的约束作用越强，混凝土强度提高越多.从图6可以看出，混凝土强度对薄壁波纹钢管混凝土柱的屈曲荷载影响不大.

图6 混凝土强度对屈曲荷载的影响

2.3.4 长细比的影响

选取了5种不同长细比的混凝土构件，其截面尺寸和材料特性为：D=276 mm，b1=42 mm，b2=40mm，轴向压力 Nɑ=450 kN，宽厚比=276，钢板厚度t=1mm，混凝土强度48.8 MPa，钢材强度fy=246 MPa，当试件长度 b 分别取：1500、2070、2760、3588、4140 mm 时，屈曲荷载 Nuo结果为：33.9、26.1、15.5、11、8.7 kN.

图7为长细比对屈曲荷载对的影响规律.长细比越大的构件越容易发生弯曲失稳破坏，通过图7可以分析出薄壁波纹钢管混凝土柱的屈曲荷载随着长细比的增加而逐渐减小.

图7 长细比对屈曲荷载的影响

3 结 论

文中运用有限元软件ABAQUS对影响薄壁波纹钢管混凝土柱屈曲的相关参数进行了分析，影响规律如下：

（1）随着宽厚比的增大屈曲荷载基本上逐渐递减.（2）随着钢板强度的增加，屈曲荷载逐渐增大.（3）当混凝土强度增加时，屈曲荷载变化不是很大.

（4）随着长细比的增加，屈曲荷载呈逐渐递减的趋势.

因此，工程实践中，可采用增大柱截面尺寸，同时适当降低宽厚比等措施提高薄壁波纹钢管混凝土柱的抗局部屈曲能力.

[1]Zheng Y,Usami T,Ge H.Ductility of thin-walled steel box stubcolumns[J].Journal of Structural Engineering,2000,126(11):1304-1311.

[2]Uy B.Local and post-local buckling of concrete filled steelwelded box columns[J].Journal of Constructional Steel Research,1998,47(1/2):47-72.

[3]韩林海 ，杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[4]高剑平，吴永根，霍静思.薄壁波纹钢管混凝土柱滞回性能实验研究[J].世界地震工程，2012，28（3）:34-42.

[5]Gao SB,Usami T,Ge H.Ductility evaluation of steel bridge piers with pipe sections[J].Journal of Engineering Mechanics,1998,124（3）:260-267.

[6]沈聚敏，王传志，江见鲸.钢筋混凝土有限元与板壳极限分析[M].北京：清华大学出版社，1993.

[7]黄 宏，黄斌洁.圆中空夹层钢管混凝土纯扭构件工作机理研究[J].华东交通大学学报，2010，27(6):1-6.

[8]聂建国，王宇航，樊健生.钢管混凝土柱轴压力-弯矩-扭矩空间复合受力拟静力试验研究[J].建筑结构学报，2012，33（9）:1-11.

[9]黄承逵，徐 磊，刘 毅.钢管自密实自应力混凝土短柱轴压力学性能试验研究[J].大连理工大学学报，2006，46（5）:696-701.

[10]李 毅，黄 宏，张安哥.带肋方钢管混凝土纯弯力学性能研究[J].铁道建筑，2009(10):113-116.

[11]李 艳，占美森，熊进刚.薄壁钢管混凝土柱轴心受压承载力的试验研究[J].混凝土，2008(11):28-32.

[12]黄 宏，黄 诚，陈梦成.方中空夹层钢管混凝土压弯构件滞回性能的有限元分析[J].铁道建筑，2010（7）:38-43.