钢管混凝土短柱的位移变形分析

张 旭

（河北大学建筑工程学院， 河北 保定 071000）

1 概述

钢管混凝土是一种通过在钢管中灌注混凝土而形成的支护构件，钢管混凝土兼具了两类材料的优点，既有钢材的强度和延性，又具备混凝土抗压性好的特点，在地面建筑中已得到广泛应用[1-3]。在钢管混凝土结构中，由于钢管和混凝土之间的粘结力较好，当结构内局部区域产生拉应力时，混凝土可以在钢管良好抗拉能力的帮助下避免其发生拉伸破坏，并改善混凝土的受力状况，从而使混凝土的抗压性能得到充分发挥。

2 模型建立与加载求解

支架模拟分析前，本节先应用ANSYS软件对U型钢短柱、方形钢管混凝土短柱和圆形钢管混凝土短柱进行加载模拟，对比分析加载结果，观察三种短柱的变形趋势。

根据以往的试验［4］表明，当混凝土结构的高宽比h/b＞3时，混凝土的抗压强度趋于稳定，因此，一般规定用 h/b=3-4的混凝土来测试单轴均匀受压时的抗压强度。因此建立三种短柱结构模型时，将试件的高度(L)设计为截面长边B的3倍，即取L/B=3。U型钢短柱模型为标准U29型钢截面，高450mm；圆形混凝土短柱和方形混凝土短柱考虑等截面，圆形钢管混凝土短柱模型的截面直径 170mm，高450mm；方形混凝土短柱截面边长为150mm，高450mm。钢管混凝土结构中选择C30强度的混凝土。根据《混凝土结构设计规范》规定，混凝土弹性模量 Ec＝3×104MPa，轴心抗拉强度ft＝1.43 MPa，抗压强度fc＝14.3MPa，泊松比μ=0.2；钢筋的弹性模量Es=210GPa，泊松比μ=0.3。

钢管混凝土短柱模型建立有分离式建模和整体式建模两种方法，为保证数据的可靠性，本文选用分离式建模。该方法是将钢管混凝土结构分成钢管和混凝土两种单元进行建模处理。其优点就在于将混凝土与钢管接触之间的粘结和滑移考虑在内，这样可以将混凝土的开裂宽度更加精确的计算出来，但由于参数设置比较繁琐，且与本文涉及不深，所以本文在模拟时并没有对此加以考虑。建立钢管混凝土短柱模型时，钢管采用的是solid45单元，混凝土则采用ANSYS实体单元中的 Concrete65单元进行模拟，该单元是模拟混凝土结构时选用的主要单元，在考虑了混凝土的拉裂和压碎情况之外，该单元还对混凝土的蠕变和塑性变形效果加以分析，作为一种每个节点上分布有3个方向自由度的八节点单元，solid65单元在钢筋混凝土结构建模时得到了广泛应用。

设置混凝土参数［5］时，选择线性等向强化模型作为其本构关系，综合以往模拟和现场经验，本文将混凝土幵 口裂缝的剪力传递系数设置为0.5，闭口裂缝的剪力传递系数设置为1.0。为防止格栅混凝土短柱在计算过程中出现个别混凝土单元被压碎，进而造成单元自由度发散的现象，本文模拟时不对混凝土的压碎加以考虑，以保证计算的顺利进行。因此，在对混凝土进行赋参时，将混凝土的单轴抗压强度设置为-1，以关闭其压碎功能，这样模型在运算的时候就更容易收敛。

3 钢管混凝土短柱变形位移分析

在方形短柱中，分别在X、Y向选取四个节点，X向四个节点分别为X轴与钢管外壁左右交点的纵轴上中部节点和顶部节点，Y向节点选取规律一致。由结果可以看出，X、Y向规律一致，同时Z方向的变形规律一致。

由于模型的对称性，X、Y方向位移变形量规律一致，且不随Z方向位移而变化，本文在方形钢管混凝土短柱中Z=450mm平面中选取X正半轴六个节点进行分析，顺着X正方向节点编号依次为：N0249、N3326、N3328、N3330、N4932、N4930。从结果中可以看出六条曲线均呈线性，其中最大变形量为5mm，随着X方向的坐标值越大，曲线的斜率越大，变形量增长的速度越大。N0249节点位移变化曲线为一条水平曲线，节点在X方向无位移变形。N3326节点离原点最近，X方向位移增量最少，增长速率最小，最大变形量为 1.7mm。N3328节点的最大变形量为3.1mm，N3330节点的变形量为4.1mm，N4932节点的变形量为4.6mm，N4930节点的变形量为5.0mm。其中N4932、N4930节点在外层钢管上。

同理，圆形钢管混凝土短柱中Z=450mm平面上选取X正半轴六个节点进行分析，顺着X正方向节点编号依次为：N1、N28、N31、N34、N14、N3941。对比方形和圆形钢管混凝土短柱中Z=450mm平面上X正半轴6节点的X位移，得出短柱的整体变形量一致，对比数据看出对比内部节点方形短柱的位移量稍微大于圆形短柱的位移量。但由于方形和圆形网格划分有所区别，疏密程度不一致，因此对应内部节点的X方向位移有所差别。

综上分析得出，由于钢管的约束作用，混凝土材料的变形量相对较钢管的变形量小。钢管混凝土结构能够更好的实现钢管与混凝土双材料的结构耦合支护效果。钢管对混凝土的约束作用进一步的提高了混凝土抗压性能，钢管由于自身的材料特性和结构的耦合作用，进一步提高了钢管的抗拉强度。

［1］ 杜国锋，徐礼华，徐浩然，等．钢管混凝土组合 T 形短柱轴压力学性能研究［J］西安建筑科技大学学报: 自然科学版，2008，52( 4) : 110－116．

［2］AvalS B B，Saadeghvaziri M A，Golafshani A A． Comprehensivecomposite inelastic fiber element for cyclic analysis of concrete－filled steel tube column［J］.Journal of Engineering Mechanics，ASCE，2002，128( 4) : 428－437．

［3］祝雯．钢管混凝土结构的研究现状及发展趋势［J］．广州建筑，2011，39( 1) : 5－10．

［4］Ellobody E，Young B.Experimental investigation of concrete－filledcoldformed high strength stainless steel tube columns［J］．Jour-nal of Constructional Steel research，2006，62( 5) : 484－492．

［5］刘学军,魏德敏圆形钢管混凝土柱承载力计算综述科技情报开发与经济,2000,10．