带纵肋圆钢管混凝土短柱压弯受力性能分析

魏 华，孙斯纹

（沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870）

钢管混凝土具有套箍混凝土的强度高、重量轻、塑性好、耐疲劳等优点[1],但钢管极易发生局部屈曲，降低结构的承载能力，为此,国内外研究者先后提出一些抵消这种影响的构造措施,主要包括设置纵向加劲肋、采用约束拉杆和角部隅撑这三种方法[2],其中设置纵向加劲肋的方法制作的构件较少,加劲肋和钢管焊在一起,整体性好,有利于提高钢管和混凝土的共同工作性能,同时还有利于提高构件的抗火性能[3]。国内外研究者对带肋薄壁方钢管混凝土短柱已进行了不少试验研究和理论分析[2-5],而对于带纵肋圆钢管压弯的研究鲜有报道。基于此，本文分析了混凝土强度、钢管径厚比、加强肋的设置等参数对带肋圆形钢管混凝土短柱力学性能的影响，为圆形带纵肋钢管混凝土短柱的应用提供参考。

1 本构模型

1.1 钢材

本文选用等向混合强化模型，钢材的本构关系选为二次塑流模型。

1.2 核心混凝土

本文采用的核心混凝土受压应力-应变关系曲线是在韩林海研究的基础上，由刘威提出的应力-应变模型。

2 有限元模型建立

2.1 单元选取及网格划分

本文在建立模型的过程中，钢管、纵肋、核心混凝土均采用C3D8R 单元 ，即8 节点六面体线性减缩积分单元。钢材弹性模量取206000MPa，泊松比取0.3。

2.2 接触设置

钢管和混凝土法向作用采用硬接触，混凝土为主面，钢管为从面，切向作用采用常用的库伦摩擦模型，且摩擦系数选为0.6；加劲肋和钢管为焊接，在ABAQUS 有限元模拟中定义为绑定约束。

2.3 边界条件及加载方式

本文采用了柱端加载的加载方式，加载分为两个步骤，第一步首先在柱端耦合参考点加载柱端轴力，第二步在柱端加载水平位移。其中柱端为完全自由，柱底部采用固端约束。

2.4 模型信息

本文建立的模型直径均为150mm，加劲肋均是截面尺寸为5mm*30mm 的钢板，加劲肋钢板强度为Q345，截面尺寸示意图如图4所示，其余各参数如表1 所示。

图4 带肋构件截面尺寸示意图

3 模型计算结果

本文利用 ABAQUS 软件建立13 个短柱模型，通过改变钢材强度、长细比、径厚比等参数，分析了各参数变化对带纵肋圆钢管短柱骨架曲线、刚度退化以及强度退化、延性等力学性能的影响。

3.1 是否带肋的影响

本节通过研究构件是否带肋对各项指标的影响，发现纵向肋的增加使得构件刚度退化加快、延性系数提高，构件变形能力得到明显改善。

3.2 混凝土强度的影响

当混凝土强度增大时，有利于抑制构件的刚度退化。延性系数对比可见随着混凝土强度的增大，构件的延性系数略有浮动，其中混凝土强度为C50 时构件延性系数最大，构件变形能力最好。

3.3 钢管强度的影响

当钢管强度提高时，构件极限承载力有明显提高，但刚度退化影响不大。构件的延性系数略有增大，其中钢管强度为Q345 时构件延性系数最大，构件变形能力最好。

3.4 长细比的影响

增大长细比使得构件的极限承载力大幅降低，且有利于抑制构件的刚度退化。随着长细比的增大，构件的延性系数大幅下降，说明长细比增大不利于改善构件变形能力。

3.5 径厚比的影响

增大径厚比使得构件的极限承载力略有降低，证明径厚比对构件承载能力有较大影响。径厚比的增大有利于抑制带纵肋短柱构件刚度退化且影响较明显。随着径厚比的增大，构件的延性系数略有浮动，其中径厚比为25时构件延性最好，但径厚比为21.4 时承载力最高，说明在设计时应综合考虑各因素，不可盲目追求一方的最大化。

4 结论

本文通过分析得出以下结论：

带纵向肋圆钢管混凝土短柱较不带肋时承载力明显增大，一定程度改善构件的延性，但不利于改善构件刚度。

加载角度对构件的承载力、刚度退化影响并不明显，但当加载角度与肋呈45°时构件的延性系数与极限承载力均最优。

混凝土强度对构件的承载力、刚度退化以及延性影响不大。

钢管强度的提高对构件的刚度影响并不明显，当钢管强度从Q235 提高到Q345 时，构件承载力与延性系数都得到明显提高，但当钢管强度由Q345 提高到Q460 时构件承载力得到提高而延性较Q345 钢略低，说明在实际应用中应结合需求适当提高钢管强度。

长细比的降低对构件承载力的增大和抑制刚度退化以及提高变形能力均有积极影响。

钢管厚度的增加使构件的承载力有所提高，但加速了刚度退化。当钢管厚度为6mm时构件的变形能力最强。