复式钢管混凝土轴压性能有限元分析

刘永超，李永波

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司公路养护技术研发中心，辽宁沈阳110111）

复式钢管混凝土轴压性能有限元分析

刘永超，李永波

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司公路养护技术研发中心，辽宁沈阳110111）

外方内圆中空夹层钢管混凝土具有诸多特点和广阔的应用前景，但是其破坏时主要表现为内外钢管的局部屈曲。为提高钢管抵抗局部屈曲的能力，该文提出在内外钢管之间设置纵向加劲肋，构成了一种新型复式钢管混凝土。在建立准确的ABAQUS有限元分析模型基础上，研究了此种复式钢管混凝土的轴压性能，发现与普通中空夹层钢管混凝土相比，其破坏形态得到了明显改善，承载力及延性有明显的提高。

复式钢管混凝土；加劲肋；轴压性能；有限元分析

0 引言

近几十年来，由于钢管混凝土结构具有良好的力学性能，加之其在计算分析及设计方法上的日趋完善，各式钢管混凝土得到了广泛的应用，并且取得了令人满意的使用效果和经济效益[1-3]。其中，中空夹层钢管混凝土由于中部没有混凝土，在横截面积相同的情况下，与实心钢管混凝土比，抗弯刚度明显增大；在外钢管尺寸相同的情况下，承载力不仅不会降低，延性和抗震性能还得到了提高。由于具有上述特性，中空夹层钢管混凝土在各类厂房柱、地铁站台柱、各式支架、桥梁工程以及高层建筑等结构中具有广阔的应用前景。其中，外方内圆中空夹层钢管混凝土(截面形式见图1)由于外方钢管的存在，使其具有较大的抗弯刚度，稳定性更高，节点构造也更为简单，便于连接施工[4]；而内圆形钢管由于自身抵抗局部屈曲的能力较强，对混凝土的约束作用更加显著，因此外方内圆中空夹层钢管混凝土具有较好的力学性能。

图1 外方内圆中空夹层钢管混凝土

研究表明，外方内圆中空夹层钢管混凝土轴压破坏时，外钢管向外局部鼓曲，内钢管向内局部鼓曲[5]。钢管的局部屈曲影响了钢管与混凝土之间的相互作用及钢管强度的充分利用，对构件的力学性能有重要影响，因此减缓甚至消除钢管的局部屈曲问题具有重要意义。该文提出了在内外钢管之间增设加劲肋的措施，构成一种新型复式钢管混凝土（截面形式见图2），并采用有限元方法分析其轴压性能，以期为复式钢管混凝土的进一步研究及应用提供理论依据。

图2 复式钢管混凝土

1 有限元分析模型的建立

1.1 材料的本构关系模型

钢材的本构关系模型主要由五个阶段组成[1]，分别为弹性段、弹塑性段、塑性段、强化段和二次塑流段。钢材的弹性模量Es取2.06×106MPa，泊松比μ取0.3[6]。

钢管混凝土构件中的混凝土由于受到钢管的约束，与素混凝土相比，不仅峰值应变有所增加，本构关系曲线的下降段也更为平缓。为此该文采用考虑钢管对混凝土套箍效应的本构关系模型[7]。弹性模量按式Ec=4700(MPa)计算，泊松比取为0.2[8]。

1.2 接触设置

为了较真实反应混凝土和钢管之间的相互作用，提高计算精度，在接触面法线方向上设置为硬接触，即假设接触压力p能够完全地在界面间进行传递；在接触面切线方向上定义库伦摩擦模型，来模拟两接触面间的摩擦特性。摩擦系数μ取0.6[7]。

构件端板与钢管及混凝土之间的接触均设置为共节点[9]。

1.3 边界条件及网格划分

该文主要研究短柱的轴压力学性能，构件的长度L均取为构件宽度B的3倍[3]。由于轴压构件的几何形状和边界条件在X、Y、Z三个方向上均对称，为了节省计算时间，取1/8构件进行建模分析，在3个对称面上设置相应的对称边界条件，并在顶部施加Y方向的轴压荷载。模型中混凝土采用C3D8R实体单元，该单元不仅适用于大应变分析，还适用于接触分析[9-10]。钢管采用S4R壳单元，该单元可以产生任意大的横向剪切变形以及转动，适合大变形分析[10]。具体边界条件及网格划分情况如图3所示。

图3 边界条件与网格划分情况

1.4 有限元分析方法的验证

文献[11]研究的构件可以看作该文复式钢管混凝土内圆钢管直径较小的情形，为了保证有限元分析结果的可靠性，该文对文献[11]中的SC(square，circle)和SRC(square，rib，circle)钢管混凝土轴压构件(截面形式分别如图1、图2所示)进行了有限元分析，并将有限元方法得出的轴压承载力与文献[11]中的试验结果进行对比分析，具体情况如表1所示。

通过对比分析可知，构件的轴压承载力有限元分析结果与试验值吻合较好，验证了有限元模型的可靠性。

2 轴压性能分析

表1 轴压承载力有限元值与试验值对比

该文以典型的复式钢管混凝土短柱为例(B=200mm；L= 600mm；t=ts=t0=3mm；D=80mm；bs=57mm；fy=235MPa；fc= 38.5MPa)，分析了轴压构件受力的全过程，对其工作机理展开初步研究，并与普通中空夹层钢管混凝土进行对比分析。

2.1 破坏形态

图4分别给出了增设加劲肋和不增设加劲肋两种构件1/4中截面变形前后的形状及1/2长度方向变形后的形状。对于1/4中截面，深颜色表示变形前的形状，浅颜色表示变形后的形状。

图4 两种构件破坏形态局部示意图

由图4可知，两类构件在受力时混凝土均产生向外的横向变形，增设加劲肋的构件鼓曲最大位置是在中截面1/4宽度处(A点)，而没有增设加劲肋的构件鼓曲最大位置是在中截面1/2宽度处(B点)。另外，对于增设加劲肋的构件混凝土横向变形在长度方向上较均匀，而没有增设加劲肋的构件在中截面附近的横向变形明显大于其他部位。

图5所示为带加劲肋和不带加劲肋的轴压构件中截面外方钢管在受力过程中横向变形的发展情况。图中Nc1表示极值承载力，-0.8Nc1表示承载力从最大值下降了20%。

图5 两种构件中截面横向变形对比

由图5可见，两种构件受力初期，外钢管几乎整体同步变形且变形量较小。随着外荷载的增加，不带肋构件外钢管中间变形越来越大，而带肋构件外钢管的1/4或3/4宽度处横向变形不断增大。当两种构件达到极限承载力以后，不带肋构件的外钢管最大横向变形高于带加劲肋的构件。这是因为混凝土在产生横向变形时通过加劲肋对内钢管传递拉力，使得内钢管与外钢管一起受力，在一定程度上限制了混凝土横向变形的发展。由此可见，加劲肋为内外钢管提供一个可靠的支撑，限制了其横向变形的发展，提高了钢管抵抗局部屈曲的能力，改善了构件的破坏形态，这将有助于提高构件的承载力。

2.2 荷载-变形全过程分析

图6给出了带肋与不带肋两种构件的N-ε关系曲线。

图6 两种构件N-ε关系曲线

从图6中可知，两种构件弹性阶段的刚度基本相同，随后两种构件刚度均有所下降，但带肋构件刚度下降速率比不带肋构件更缓慢。另外，增设加劲肋后构件的承载能力得到了提高。两类构件达到峰值承载力后曲线均开始下降，未增设加劲肋的构件承载力下降了42%，且下降速度较快，而增设加劲肋的构件承载力只下降了29%，且下降速度较慢，说明构件增设加劲肋后残余承载力得到了明显提高。

图7给出了整个复式钢管混凝土轴压构件以及混凝土和钢管各自承受的轴压力与纵向应变的关系曲线。从图7中可知，钢管先达到最大承载力，随后混凝土达到最大承载力，而混凝土承载力达到最大时，整个构件的承载力也几乎同时达到最大。随后由于混凝土和钢材的承载力降低，构件的承载力也降低。在构件中混凝土所受的轴压力较大，约为1278kN，而钢管所受的压力相对较小，约为861kN，即混凝土承受了大多数的轴压力。

图7构件、混凝土及钢管N-ε关系曲线

图8 给出了整个复式钢管混凝土轴压构件以及混凝土和钢管各自的应力-应变关系曲线。为了便于对比，图中的应力都采用中截面上的平均值。其中，钢管混凝土的应力为名义压应力（σsc=N/Asc，Asc为构件中截面面积）。为使图像直观利于对比，图中将钢管的应力值除以10。

图8 构件、混凝土及钢管应力-应变曲线

由图8可见，复式钢管混凝土轴压构件在达到极限强度之前，钢管就出现了屈服，而此时混凝土尚未达到极限强度。随后，钢管相继到达了塑性和强化阶段，其纵向应力先有所减小，而后又有所提高。当混凝土达到极限强度时，构件也几乎同时达到极限强度，随后混凝土的应力-应变曲线开始下降，构件的名义应力-应变曲线也开始下降。

2.3 延性分析

该文借助轴压延性系数，进一步对比研究了两种构件的轴压延性。延性系数表达式为[12]：

式中：ε85%—承载力从最大值下降了15%时对应的应变；εc1—与极限承载力对应的应变。

表2给出了两种构件的轴压延性系数对比情况。

表2 带肋与不带肋构件轴压延性系数对比

可以看出，中空夹层钢管混凝土增设加劲肋后，轴压延性系数提高了18%，说明加劲肋能够有效提高构件的延性。这是因为增设加劲肋以后，构件的截面含钢率得到了提高，另外加劲肋使内外钢管共同受力，不仅改善了构件的变形性能，还使混凝土的塑性性能得到了提高，从而使构件的延性得到了改善。

2.4 混凝土应力分析

图9给出了复式钢管混凝土荷载-应变全过程曲线上的四个特征点，图10给出了对应这四个特征点的中截面混凝土轴向应力分布图。图9中四个特征点分别为[3]：1点对应钢管开始屈服时，2点对应构件达到极限承载力时，3点对应轴向应变达到2倍极限应变时，4点对应轴向应变达到20000με时。

图9 复式钢管混凝土N-ε关系曲线

图10 中截面混凝土轴向应力云图

从图10可知，钢管开始屈服时，中截面混凝土的轴向应力基本相同，约为1.05fc，而外钢管拐角处混凝土的轴向应力达到1.2fc；构件达到极限承载力时，加劲肋附近核心混凝土轴向应力约为1.2fc，外钢管角部处的应力值较大，约为1.6fc，中间的混凝土轴向应力较小；当轴向应变达到2倍的极限应变时，混凝土轴向应力整体有所增大，外钢管拐角处及加劲肋与内钢管相交处的混凝土轴向应力仍高于中间的混凝土，而与外钢管接触的混凝土轴向应力明显降低，这是因为此时该处的混凝土已被压碎，应力出现了重分布；当轴向应变达到20000με时，混凝土的轴向应力整体有所降低，但外钢管拐角处及加劲肋与内钢管相交处的应力值仍高于中间的混凝土。由此可见，加劲肋对内外钢管起到了可靠的支撑作用，明显加强了对混凝土的套箍作用，提高了混凝土的抗压强度。

3 结论

（1）与中空夹层钢管混凝土相比，复式钢管混凝土的加劲肋为内外钢管提供可靠的支撑，明显改善了其破坏形态。

（2）加劲肋的存在增强了钢管对混凝土的套箍效应，使混凝土的塑性性能得到了提高，构件的延性增强。同时，提高了混凝土的抗压强度，提高了构件的承载力。

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责任编辑：孙苏,李红

抗震防震

日本开发防震加固新技术，可防止建筑物内支柱倒塌

日本发明了一种廉价的防震加固技术，以类似安全带的树脂材料“绷带”包裹建筑物内支柱。

由日本构造品质保证研究所开发的这种防震加固技术称为“SRF工艺”。据悉，这种抗震“绷带”采用树脂纤维编织制造，形状类似安全带。施工时，将抗震带涂上胶粘剂，包裹固定在建筑物支柱上。地震发生时，支柱即使出现内部损伤也不会倒塌，这可以确保被掩埋的人员有足够的生存空间。以一座每层有12间房屋的4层楼为例，通常加固工程需要花费5000万日元到l亿日元(1美元约合105日元)。采用这一技术后，仅需500万日元左右。如果是木质建筑，仅需数十万日元。

据悉，工程施工相当简单，构造品质保证研究所此前已经完成了250个此类项目，包括新干线高架桥、医院以及约40栋学校建筑物等。

（摘自：《中国安全生产报》）

Finite Element Analysis on Axial Compressive Performance of Composite Concrete-filled Steel Tubes

The sandwich steel tube concrete,exteriorly square,interiorly round and hollow,has many superiorities and wide application prospects,but its deformation is largely presented as the partial buckling of the exterior and interior steel tube.To improve the steel tube's resistance to partial buckling, this paper presents that stiffening ribs should be placed between the exterior and interior steel tubes to construct a new composite concrete-filled steel tube.Based on the accurately established ABAQUS finite element analysis model,the axial compressive performanceof composite concrete-filled steel tubes are studied,and just to find that compared with ordinary hollow sandwich steel tube concrete the new one's deformation has been strikingly improved,with its bearing capacity and extension performance significantly enhanced.

composite concrete-filled steel tubes;axial compressive performance

TU528.59

A

1671-9107（2017）03-0037-05

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.03.037

2017-01-17

刘永超（1991-），男，内蒙古赤峰人，研究生，助理工程师，主要从事桥梁检测、维修、加固设计。

李永波（1989-），男，山东临沂人，研究生，助理工程师，主要从事桥梁检测、维修、加固设计。