钢管混凝土和钢筋混凝土力学性能探析

付明春

(大连海洋大学 应用技术学院建筑工程系， 辽宁 大连　116300)



钢管混凝土和钢筋混凝土力学性能探析

付明春

(大连海洋大学 应用技术学院建筑工程系， 辽宁 大连116300)

摘要：利用ANSYS有限元方法对钢管/钢筋混凝土的轴压性能及偏压性能进行三维模拟分析，评价钢管混凝土的质量。

关键词：钢管混凝土； 钢筋混凝土； 力学性能

0引言

钢筋混凝土(RC)结构由于其良好的抗压耐火性能和低造价的特点，在工程的实际施工中得到广泛应用。但随着我国建筑结构的不断优化和施工技术的现代化发展，钢筋混凝土结构的缺点也日益明显，已无法很好地满足现阶段的施工要求,这一条件下钢管混凝土应运而生。钢管混凝土(CFST)是将混凝土材料填充进钢管的混合材料，外部钢管可显著提高核心混凝土的纵向刚度、抗压强度及应变力，很好地弥补了钢筋混凝土的劣势，在建筑工程中的应用前景良好。对不同的混凝土结构进行深入分析，剖析其力学性能，对于工程实践工作更高效开展具有重要意义。

1有限元模型构建

钢管混凝土模型中的混凝土本构模型如下：

(1)

钢筋混凝土模型中的混凝土本构可表示为：

(2)

其中

式中：ε----混凝土的应变量，mm;

ε0----混凝土模型弹性应变的临界值，mm;

σ----对应应变量下的应力值，Pa;

fc----混凝土的应力峰值，Pa。

钢材模型则采取理想双线性弹塑性模型[1]，即不考虑钢材的强化阶段，其模型如图1所示。

图1　钢材理想双线性弹塑性模型

图中,OB段属钢材的弹性阶段，B点为屈服折点，BC为理想塑性阶段，C点为应力起点，C点后认为钢材失效。

模型构建完毕后，分别在ANSYS分析模型中选用恰当的三向弹簧单元，对不同混凝土结构中混凝土与钢材间的粘结滑移作用进行模拟。

2混凝土柱的轴压性能分析

轴压是混凝土柱在具体实践中最常见的受力状态，混凝土柱的轴压性能直接决定了土柱的使用价值。按照上述模型在相同轴压条件下，对钢管混凝土柱及钢筋混凝土柱的轴压性能进行模拟分析。在ANSYS模型软件环境中，对两个土柱模型施加相同压力，观察两组模型的变化情况，并在输出端观察比较不同土柱的轴压-形变曲线[2]；同时，分别观察两土柱中混凝土和钢材的单一受力情况，进而对混凝土柱的轴压性能进行深入分析。其具体比较结果如下。

2.1　整体轴压性能比较

钢筋混凝土柱及钢管混凝土柱的应变量随着轴压承载力的变化曲线如图2所示。

不难发现，RC柱和CFST柱在轴压下的形变过程均可分为弹性阶段、弹塑性阶段及失效阶段。

2.1.1弹性阶段(OA/OA′)

当轴压力较小时，RC柱和CFST柱的混凝土和钢材均处于弹性阶段，二者的应变量随着轴压力的增大而增加，且弹性阶段的曲线斜率近似不变，应变量与轴压力间的变化有线性关系。分析钢筋混凝土结构可知，钢筋骨架与混凝土呈相互粘连、相互作用状态，二者共同承载压力；而钢管混凝土中由于混凝土的泊松比较小，核心混凝土和钢材实际上是单独承压。

2.1.2弹塑性阶段(AB/AB′)

随着轴压力的进一步加大，土柱进入弹塑性阶段，AB段为RC柱的变化曲线。这一阶段RC柱的混凝土逐渐出现开裂、脱落现象，混凝土的应变变化率逐渐减小；而钢筋骨架仍处于弹性阶段，钢筋和混凝土的承载力差距逐渐拉大，在钢筋应变量达到屈服应变值前，相同应变条件下钢筋的承载力大于混凝土。钢筋达到屈服应变时，混凝土仍未达到应变峰值；轴压进一步加大使混凝土的应变量达到峰值，混凝土被破坏。CFST柱的钢管可很好地约束核心混凝土，压力的不断增加将导致核心混凝土的开裂而发生体积增大，对钢管内壁产生压力，而钢管对核心混凝土的反向作用力可使土柱的整体强度增加，直至土柱达到承载力峰值。

2.1.3失效阶段(BC/BC′)

当轴压力大小达到RC柱的承载峰值后，土柱的承载力明显下降。由于混凝土的破坏，此时钢筋骨架结构成为主要承载体，直至钢筋压屈变形，土柱完全失效。CFST柱在达到最大承载力后，钢管仍具有一定负荷能力，直至外压力将钢管压屈失稳。

通过这一曲线可明显看出，在相同承载条件下，钢管混凝土柱的整体承载力和形变能力均明显优于钢筋混凝土柱。

2.2　混凝土柱承压机理比较分析

RC柱和CFST柱中，混凝土和钢材的单一受力应变曲线如图3所示。

由图3可知，在RC柱和CFST柱中的主要承载体均为混凝土，而钢管或钢筋的荷载较小。钢管混凝土柱中的混凝土承载力高于RC柱的主要原因是由于钢管对核心混凝土的约束作用，使土柱的整体强度得到一定程度的提高。并且，钢管的外部约束力还能明显提高混凝土的变形能力，钢管混凝土柱的抗震性能明显优于钢筋混凝土柱。此外，对RC柱和CFST柱的力学性能进行量化分析可知，相同材料及外部条件下，CFST柱的承载力峰值比RC柱承载力峰值高出21%~27%，且钢管混凝土柱的形变量是钢筋混凝土柱的2倍左右[3]。

2.3　承载力计算及拟合分析

2.3.1钢管混凝土承载力计算公式

在即有研究数据基础上，利用恰当的数学分析方法，即可对钢管混凝土不同组分间的作用关系进行量化，并提出钢管混凝土的承载力峰值计算模型如下：

(3)

式中:N----土柱的最大承载力，kN;

A----土柱的截面积，m2;

ζ0----截面约束效应系数;

fc----混凝土柱的抗压强度设计值，Pa；

B1----计算系数，B1=0.138 1·fc/215+0.764 6；

C1----计算系数[4],C1=-0.072 7·fc/15+0.021 6。

2.3.2钢筋混凝土柱承载力计算公式[5]

钢筋混凝土柱的整体承载力计算公式如下：

(4)

φ----土柱的稳定系数，其计算公式为

i----土柱截面的最小半径，m；

l0----土柱的计算长度，m。

2.3.3公式计算与有限元模拟结果的比较分析

按照上述公式和本研究中的有限元模拟结果，计算本研究中混凝土柱试件的承载力水平，并比较其差值。

RC柱及CFST柱承载力的两种计算结果比较分析见表1。

表1　RC柱及CFST柱承载力的两种计算结果比较分析

由表1可知，公式计算结果与有限元模拟结果的误差范围<10%，本研究结果的可信度较高。经数据简单计算可知，公式计算结果和有限元模拟结果均显示，在相同条件下CFST柱的承载力较RC柱约高21%~27%。因此，在具体实践过程中，使用钢管混凝土不仅可通过减少原料使用量达到成本控制目标，还能提高工程的承载力水平。

3混凝土柱的偏压受力研究

3.1　模拟实验过程

在实际应用过程中，混凝土柱普遍处于偏压受力状态[6]，对两种土柱的偏压受力性能进行研究分析，对于工程应用具有重要的理论指导意义。使用与上文类似的有限元模型，并对两种土柱模型的偏心率做出改变，进而对RC柱和CFST柱的偏压受力性能进行理论分析。使用ANSYS模型软件模拟混凝土柱的偏压受力状态，并逐渐加大土柱的荷载力大小，可得到钢筋混凝土柱和钢管混凝土柱的荷载-挠度变化曲线，如图4所示。

图4　CFST柱和RC柱的荷载-挠度变化图

由图4可知，当土柱挠度处于弹性范围内，荷载能力随着挠度的增加呈线性变化，对应图4中的OA(OA′)段；随着荷载的进一步加大，钢筋混凝土的受压侧发生破裂现象，荷载增加幅度降低，而钢管混凝土柱的约束作用则在一定程度上延长了自身的弹塑性阶段，对应图中的OB(OB′)段；当荷载超出混凝土的承载峰值时，CFST柱的钢管仍具有良好的约束作用，故钢筋混凝土的失效时间远少于钢管混凝土。

根据相关国家政策，所有新建及改造污水处理场均需要采取恶臭废气处理措施。因此，建议在渗沥液新建项目可研及设计阶段充分考虑除臭系统投资及占地要求，必要时可将生物土壤滤池设置在各池顶，以减少工程用地，同时美化环境。

3.2　土柱的偏压承载力计算模型

钢筋混凝土柱的偏压承载力计算模型为[7]：

(5)

式中：NR----RC柱的偏压承载力，kN;

x----土柱受压的相对高度，m;

h0----土柱的计算高度，m;

α1----参数，可按照规定计算。

而钢管混凝土的有关理论研究尚未成熟，其计算模型种类多样，且计算繁杂，最常用的CFST柱偏压承载力计算模型如下

(6)

式中：N----土柱轴力，kN;

M----土柱弯矩，mm;

βm----等效弯矩系数;

kf,kn----均为参数值;

Nu----CFST柱的承载力水平,kN。

采取与上面相同的方法将公式计算结果与模拟结果进行比较，可知误差<8%，有限元模型可用于土柱的偏压力学性能模拟计算。且计算结果显示，CFST柱最大荷载时的形变位移为5.82mm，明显高于RC柱(最大荷载时的形变位移为3.18mm)，表明钢管混凝土柱具有更优良的形变能力。

4结语

通过有限元模拟实验，从轴压性能及偏压性能两方面对钢管混凝土柱及钢筋混凝土柱的力学性能进行比较分析，并将分析结果与公式计算结果进行比较，本研究的准确度有充分保障。分析研究结果可知，钢管混凝土及钢筋混凝土柱的主要承载体均为混凝土，钢管结构则可对核心混凝土产生约束效应，从而有效提高钢管结构的整体承载力水平和变形能力。因此，在具体工程应用过程中，工程人员可根据即有公式或利用有限元模型正确进行钢管混凝土的设计使用，进一步促进我国工程建筑质量的提高。

参考文献：

[1]杜闯.钢管混凝土和钢筋混凝土力学性能研究[D]：[硕士学位论文].天津：天津大学建筑工程学院，2011.

[2]李娟荣.某钢管混凝土柱工程分析与设计[D]：[硕士学位论文].西安：长安大学，2011.

[3]王烨妮.钢骨-钢管混凝土短柱偏压承载力的非线性有限元分析[D]：[硕士学位论文].西安：西安理工大学，2012.

[4]傅毅.T型钢管混凝土芯柱轴压热-力耦合性能有限元分析[C]//第十届全国现代结构工程学术研讨会论文集，2010.

[5]李永进.长期荷载作用对钢管混凝土叠合柱力学性能影响[J].北京工业大学学报,2013,39(8)：123-154.

[6]张玉芬.复式钢管混凝土轴压性能及节点抗震试验研究[D]：[硕士学位论文].西安：长安大学，2010.

[7]李晓明,臧德胜.钢板混凝土在隧道支护中的应用[J].长春工业大学学报:自然科学版,2014,35(3):284-287.

Mechanics performance analysis for

steel pipe concrete and reinforced concrete

FU Ming-chun

(Department of Architectural Engineering Applied Technology Institute, Dalian Ocean University, Dalian 116300, China)

Abstract：With ANSYS finite element analysis, 3D model is built for simulating the axial compression and bias performance of concrete filled steel tube and reinforced concrete to evaluate quality of the two concretes.

Key words：concrete filled steel tube; reinforced concrete; mechanical properties.

作者简介：付明春(1971-)，男，汉族，辽宁瓦房店人，大连海洋大学硕士研究生，主要从事工程力学方向研究,E-mail:826287651@qq.com.

收稿日期：2014-09-13

中图分类号：TU 398

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2015)01-0027-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.1.06