圆钢管混凝土短柱局压力学性能研究

刘劲 丁发兴 龚永智 余志武 李大稳

摘 要：进行了12个圆钢管混凝土短柱局压试验，探讨混凝土强度等级、局压面积比对钢管混凝土短柱局压极限承载力的影响.试验结果表明，混凝土强度等级提高，极限承载力增大而延性降低；局压面积比减小，则承载力越高延性越低.采用合理的材料本构关系，利用ABAQUS有限元软件建立圆钢管混凝土短柱局压的壳实体三维有限元模型，在试验验证的基础之上，利用ABAQUS软件及相应的有限元模型探讨局压面积比、含钢率、钢材强度和混凝土强度对短柱局压极限承载力的影响.通过拟合分析提出圆钢管混凝土短柱局压极限承载力的实用计算公式，将该计算公式、有限元计算值、其他学者提出的计算公式与笔者试验及其他学者共47组圆钢管混凝土短柱局压试验资料进行对比，分析结果表明，笔者提出的公式计算结果与试验结果相比具有较高的精度.

关键词：钢管混凝土；局压；有限元方法； 极限承载力

中图分类号：TU398 文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2015）11-0033-08

与传统的钢结构或混凝土结构相比，钢管混凝土柱具有承载力高、延性好和施工便捷等优点，在建筑和桥梁工程中得到了越来越广泛的应用[1]，为此许多学者对此开展了研究[1-6].钢管混凝土柱局部受压是工程使用中常见的一种受力方式，如在桥墩结构中.蔡绍怀[1]进行了圆钢管混凝土中心区局部承压试验，探讨了圆钢管混凝土试件长度、套箍指标、局压面积比和在局压区域配置螺旋箍筋对局压性能的影响和对局压极限承载力的提高作用.作者根据试验测试结果，采用回归分析方法得到圆钢管混凝土局压极限承载力计算公式，其研究成果为钢管混凝土结构技术规程 （CECS28：2012）[7-8]所采纳.Han等[2～4]对圆钢管混凝土柱局部受压下的工作机理进行了研究，结果表明：端板厚度和局压面积比对试件承载力及延性有很大的影响，同时截面形式的不同也对试件中钢管与混凝土的套箍作用有显著影响；并运用ABAQUS软件对钢管混凝土短柱局压进行分析，提出钢管混凝土短柱局压承载力的简化计算方法.

笔者所在课题组采用ABAQUS软件选取合理的材料本构关系和壳实体三维有限元建模方法对圆形及圆端形钢管混凝土轴压短柱进行分析[9-10]，可合理体现钢管对混凝土约束套箍作用，能准确模拟钢管混凝土轴压短柱的力学性能，该方法可进一步应用于圆钢管混凝土短柱局压力学性能分析中.为丰富圆钢管混凝土短柱局压力学性能的研究，提出更为简洁、准确的承载力公式，本文展开如下工作：1）进行12个无端板圆钢管混凝土短柱局压试验研究；2）运用ABAQUS有限元软件建立三维有限元模型，对圆钢管混凝土短柱局压进行建模计算；3）探讨混凝土强度、局压面积比、含钢率以及钢材强度对圆钢管混凝土短柱局压极限承载力的影响；4）通过拟合建立圆钢管混凝土短柱局压承载力实用计算公式，根据本文及其他学者提供的试验成果，比较笔者提出的计算式与其他计算式之间的精度差异.

1 试验研究

1.1 试验概况

试验共设计了12个圆钢管混凝土试件，名义尺寸为D×t×L=300 mm×4 mm×900 mm，试件信息见表1.其中D为截面直径，t为钢管壁厚，L为试件高度，d为圆钢管混凝土试件局压加载板的直径， f.cu为混凝土立方体抗压强度，f.y为钢材屈服强度，β为局压面积比，β=A.c/A.b（A.c为试件混凝土横截面面积，A.b为局压面面积）.

为方便观察试件加载破坏的变形，在加工好的空钢管试件外表面喷上红色油漆，并画好50 mm×50 mm白色网格.浇筑混凝土时，对灌入的混凝土振捣密实，浇灌混凝土结束后，使顶端混凝土表面与钢管上截面保持水平，浇灌时，制作150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方体试块，并将其与钢管混凝土试件在同等条件下养护.

1.2 试验方法

试验前，先测试钢材和混凝土的力学性能.钢材屈服强度f.y为311 MPa，极限强度f.u 为460 MPa，弹性模量E.s为2.07×105 MPa.C30混凝土强度f.cu为35.5 MPa，C50混凝土强度f.cu为54.4 MPa.

将40 mm厚的局压垫板放置在试件顶端正中位置，试验荷载通过局压垫板传递.两个位移计布置在压力机的上下加载板之间，由此可测得局压垫板相对于试件的位移，试件上作用的压力值可由机器直接读出.为考察钢管与混凝土之间粘结，同时准确地观测钢管的变形，对于每个试件，钢板从上至下截面处布置5个应变花.应变花、位移计和钢管混凝土试件加载如图1所示.

试验采用如下加载机制：弹性阶段加载时，每级荷载相当于极限荷载的1/15左右，弹塑性阶段加载时，每级荷载相当于极限荷载的1/25左右，每级荷载持续时间约为3 min，加载过程保持慢速连续，相应数据同步采集，试件接近极限承载力时，慢速连续加载直至试件破坏，每个钢管混凝土试件试验时间持续约2 h.

1.3 试验现象

在加载初期，圆钢管混凝土试件处于弹性工作状态，荷载达到极限荷载的60%～70%以前，荷载位移曲线大致呈线性关系，试件表面没有明显变化.随着荷载的增加，当荷载增至极限荷载的60%～70%时，试件开始进入弹塑性阶段，其轴向刚度不断减小，试件实测的荷载轴向位移曲线如图2所示，不同荷载水平下试件表面的钢管纵向应变（ε..L）和环向应变（ε..θ，s）分布如图3所示.此时试件表面开始出现鼓曲，局部受压使得钢管膨胀现象从上到下依次递减.随着外荷载的继续增加，当试件达到极限荷载后，钢管变形尤其是试件上端迅速增加，端部混凝土明显压碎开裂，试件破坏如图4所示.

除局压面积比为8.55的圆钢管混凝土试件之外，其余试件破坏后承载力出现较明显下降，如图2所示，最后试件因为变形过大而终止试验.由图可知，钢管混凝土试件在加载作用下呈向外鼓出现象，试件破坏形态受局压面积比影响显著，局压面积比越小，鼓出范围和程度越大.

1.4 试验结果分析

由图2钢管混凝土局压试件荷载位移曲线可知，局压面积比对试件承载力和刚度有着很大的影响，试件承载力和刚度随着局压面积比的增大而递减，同时，局压面积比越大，其下降趋势越缓.

图3为不同加荷阶段（n=N/N.b分别为0.1，0.3，0.5，0.7和0.9，N.b为短柱局压极限承载力）钢管纵向、环向应变沿高度的分布情况.从图中可以看出，在荷载的初始阶段，纵向、环向应变增加较慢，当荷载达到极限荷载70%以上，应变迅速增加，试件中上部环向应变和纵向应变最大，与试验所观察到的鼓曲情况相吻合.

为了比较圆钢管混凝土短柱局压约束效果，引入钢管混凝土短柱局压承载力折减系数SI，即钢管混凝土短柱局压极限承载力N.b，e与试件全截面受压极限承载力N.u，e的比值：

2 理论分析

2.1 建立模型

以ABAQUS/Standard6.4[11]为有限元分析工具建立模型，钢管采用壳单元（S4R），局压加载板、混凝土和钢管端部垫板采用三维实体单元（C3D8R），模型中单元网格划分形式为Structured，如图7所示.模型中钢管与混凝土的界面采用库伦摩擦型接触，切线方向采用罚函数，摩擦系数取0.5，法线方向选择硬接触模拟，相互作用为表面表面接触，滑移方式为有限滑移，参数取值及建模方法参考文献＼[9-10＼].

钢材和混凝土的本构关系及相应的参数取值见文献＼[10＼]，混凝土与端部垫板、混凝土与局压加载板的约束形式为绑定，通过壳实体耦合以定义钢管与其端部垫板的约束关系.模型中一端垫板固定，另一端在局压加载板上加载.采用位移方式加载以得到荷载位移曲线的下降段，并通过增量法求解.

2.2 计算结果分析

选取本文试验及文献＼[1-2＼]中的47组圆钢管混凝土短柱局压试验结果进行有限元分析，采用上述有限元理论建立模型，计算得到不同局压面积比圆钢管混凝土典型破坏形态如图8所示.

荷载位移曲线有限元计算结果与试验结果的比较如图9所示，本文有限元结果N.b，FE与试验结果N.b，e如表1所示，试验结果与有限元结果比值的均值为1.006，离散系数为0.077，可见有限元计算结果与试验结果整体吻合较好.

2.3 加载板形状对荷载位移曲线的影响

采用与本文相同的试验参数，改变加载板形状，与试验作相同局压面积比的对比，即圆钢管混凝土柱通过方形加载板加载，探讨加载板形状对荷载位移曲线的影响.典型荷载位移曲线如图10所示.可见，β=8.55时，圆钢管混凝土柱采用圆方加载板试件荷载相差在1%以内，β=2.14时，圆钢管混凝土柱采用方加载板试件极限承载力高于采用圆加载板试件4.98%.可见，加载板形状的改变对试件荷载位移曲线影响较小.

2.4 荷载位移曲线参数分析

考虑局压面积比β，含钢率ρ，钢材强度f.y，混凝土强度f.cu等因素的影响，对钢管混凝土局压性能进行有限元参数分析.模型情况：圆钢管混凝土短柱84组，直径D均为200 mm，钢管壁厚t分别为2.5 mm，4.9 mm，7.2 mm，钢管长L为600 mm.局压面积比β分别为16， 9， 4， 1，混凝土抗压强度f.cu分别为30 MPa，70 MPa，100 MPa，钢材屈服强度f.y分别为235 MPa，335 MPa，420 MPa，其中Q235钢材匹配C30混凝土和C70混凝土，Q335钢材匹配C70混凝土和C100混凝土，Q420钢材匹配C70混凝土和C100混凝土，典型荷载位移曲线如图11所示.

1） 局压面积比：图11（a）为圆钢管混凝土短柱在不同局压面积比下的荷载位移曲线对比.从图11（a）可知局压面积比对钢管混凝土短柱局压极限承载力影响很大，局压面积比越大，极限承载力越小.

2） 含钢率：图11（b）所示为圆钢管混凝土短柱局压在不同含钢率下的荷载位移曲线比较.从图11（b）可知，当含钢率较大时，构件弹性阶段的刚度和极限承载力更大.当含钢率达到一定阶段时，构件的荷载位移曲线没有下降段.

3） 钢材强度：图11（c）所示为圆钢管混凝土短柱局压在不同钢材强度下的荷载位移曲线比较.从图11（c）可知，钢材强度越大，构件极限承载力越大，但构件弹性阶段的刚度没有增大.

4） 混凝土强度：图11（d）所示为圆钢管混凝土短柱局压在不同混凝土强度下荷载位移曲线的比较.从图11（d）可知，混凝土强度越大，构件极限承载力和构件刚度越大.

Δ/mm（a） 局压面积比的影响

Δ/mm（b） 含钢率的影响

Δ/mm（c） 钢材强度的影响

Δ/mm（d） 混凝土强度的影响

4 结 论

1）本文进行了12组圆钢管混凝土短柱局压试验研究，探讨局压面积比、混凝土强度对局压承载力的影响，结果表明局压面积比越大局压承载力越小，混凝土强度等级越高局压承载力越大.

2）运用有限元软件ABAQUS建立圆钢管混凝土短柱局压计算模型，计算结果与试验结果吻合良好且精度最高.

3）有限元参数分析表明影响圆钢管混凝土短柱局压承载力的主要因素有局压面积比、含钢率、钢材强度和混凝土强度，局压面积比是影响局压极限承载力的主要因素，同时有限元分析表明局压加载板的形状对局压承载力的影响较小.

4）通过参数分析提出圆钢管混凝土短柱局压极限承载力实用计算公式，计算结果与试验结果吻合较好.

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