圆钢管混凝土柱滞回性能分析

杨进芳

摘 要：通过确定合理的混凝土和钢材本构模型，采用有限元软件ABAQUS分析圆钢管混凝土柱滞回性能，并基于现有试验验证了有限元模型的准确性，分析了轴压比、钢管壁厚以及混凝土和钢材强度对圆钢管混凝土耗能能力、刚度退化及强度退化的影响。分析结果表明，圆钢管混凝土柱滞回曲线饱满且无明显捏缩。轴压比较小时，刚度和强度基本不退化，轴压比较大时，滞回环面积减小较多，强度和刚度退化有所加快，但不明显。钢管壁厚越大，钢管耗能能力越好，强度退化越慢，这证明钢管混凝土柱具有较好的抗震性能和耗能能力。

关键词：钢管混凝土;抗震新能;耗能能力;有限元

中图分类号：TU398.9文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）11-0117-03

Analysis of Hysteretic Behavior of Concrete Columns with Round Steel Pipes

YANG Jinfang

（Tianshui First Construction Engineering Company，Tianshui Gansu 741000）

Abstract： By selecting reasonable constitutive models of concrete and steel， the hysteretic behavior of CFST columns is analyzed by using finite element software ABAQUS， and the accuracy of the finite element model is verified based on the existing tests. The effects of axial compression ratio， steel tube wall thickness and concrete and steel strength on the energy dissipation capacity， stiffness degradation and strength degradation of CFST are analyzed. The analysis results show that the hysteretic curve of concrete-filled steel tubular column is full and there is no obvious pinch. When the axial compression ratio is small， the stiffness and strength do not degenerate. When the axial compression ratio is large， the hysteresis area decreases more， and the degradation of strength and stiffness is accelerated， but not obvious. The larger the wall thickness is， the better the energy dissipation capacity is and the slower the strength degradation is. This proves that CFST columns have good seismic performance and energy dissipation capacity.

Keywords： concrete filled steel tubular column;seismic performance;energy dissipation capacity;finite element analysis

鋼管混凝土由于具有较高的承载力，已广泛应用于我国工业重载结构、桥梁以及高层建筑中[1-2]，圆钢管混凝土柱由于钢管对核心混凝土的环向约束，极大地提高了柱轴向承载力，改善了柱延性，且较高的承载力减小了柱截面，增大了建筑地使用空间，节省了混凝土用量。钢管在施工时可作为混凝土的浇筑模板，降低了工程造价，加快了施工速度。长期以来取得了较好地综合经济效果。另外，由于钢管内的混凝土具有热惰性，火灾下可以吸收较多的热量，这使得钢管的升温较慢，极大地提高了钢管混凝土柱抗火性能，降低了该类结构的防火工程造价。已有部分学者对钢管混凝土滞回性能进行了试验研究[3-8]和有限元分析，分析了钢管混凝土强度退化、刚度退化以及耗能能力。

本文基于有限元软件ABAQUS分析了圆钢管混凝土柱滞回性能，研究了钢管壁厚混凝土强度对圆钢管混凝土耗能能力、刚度退化及强度退化的影响。

1 数值模型的建立

基于ABAQUS有限元软件，建立了两端铰接和悬臂的圆钢管混凝土柱滞回性能分析模型，进行了滞回性能数值模拟，并基于已有试验结果对本文有限元模型进行了验证。

1.1 单元确定

鉴于钢管混凝土直径与壁厚比值较大，故在本文中采用ABAQUS中带缩减积分的壳单元S4R模型钢管，该单元具有计算速度快、变形与试验结果更吻合的特点。采用三维实体单元C3D8R模型混凝土，考虑到混凝土骨料大小，网格尺寸取为20 mm。

1.2 混凝土本构模型选取

混凝土本构模型采用ABAQUS软件中的塑性损伤模型（Concrete Damaged Plasticity，CDP）[2]，混凝土应力应变关系的计算公式如式（1）所示：

[y=2x-x2x≤1xβ0x-1η+xx>1]                      （1）

式（1）中，[x=εε0]，[y=σσ0]，[η=2]，[β0=2.36×10-50.25+ξ-0.57×fc0.5×0.5≥0.12]。

1.3 钢材本构模型选取

往复加载下的钢材采用随动强化本构模型，随动强化钢材本构关系如图1所示，ES为钢材的弹性模量，fy为钢材的屈服强度，fu为钢材的抗拉强度，其弹性模量为αEs，α一般取0.01，其余参数取值参见文献[2]。

2 算例验证

为验证本文有限元模型的有效性，基于现有试验数据对数值模型进行了验证，所选定的轴压比分别为0、0.3以及0.5，钢管直径分别为108 mm和114 mm，钢管壁厚为3 mm和4 mm，具体几何尺寸和材料性能参数如表1所示。

试验和计算滞回曲线对比如图2所示，图中虚线为试验曲线，细实线为模拟曲线。如图2（a）和（b）所示，轴压比为0的C108-1和C114-1试件加载到位移最大时，未见明显的刚度退化。而强度退化则随着加载位移的增大缓慢增加。轴压比为0.3的C114-2试件刚度退化不明显，但是强度退化较慢，如图2（c）所示。轴压比为0.5时，出现了轻微的刚度退化，强度退化明显加快，如图2（d）所示C114-3试件。

各试件的耗能能力如图2（a）至图2（d）所示。可见轴压比越大，圆钢管混凝土柱的耗能能力越小，这主要是由于在轴压比较大时，试件抗侧承载力在到达峰值后便快速下降，而未经历稳定下降阶段，这也是我国规范限定柱轴压比的原因。

总体可见，计算承载力略小于试验承载力，这主要是由于柱为两端铰接装置，跨中进行位移加载，铰支座在轴向荷载较大时，摩擦力较大，而数值模拟时为理想铰支座，故计算承载力略有偏低。总体计算曲线与试验曲线吻合较好。

3 参数分析

参数分析的典型试件的尺寸为柱长L=3 600 mm，柱直径D=400 mm，钢材强度采用Q345，混凝土强度为C50。为进一步明晰钢管壁厚和轴压比对钢管混凝土柱滞回性能的影响，对比了以上几种因素作用下滯回曲线骨架线，钢管壁厚t对滞回性能的影响如图3所示。可见随着钢管壁厚的降低，骨架曲线急剧下降，当钢管壁厚为2 mm时，承载力下降为壁厚10 mm时的1/3。不同轴压比作用骨架曲线如图4所示，轴压比n对钢管混凝土柱抗侧承载力影响较小，当其由0.1增加到0.5时，承载力下降16%左右，但轴压比对峰值承载力后的强度退化影响较大，超过0.3时强度退化明显加快，滞回曲线包络面积也明显减小。

4 结论

本文采用有限元软件ABAQUS分析圆钢管混凝土柱，研究了钢材强度、轴压比、钢管壁厚以及长细比对其滞回性能的影响。基于本文研究，可以得到如下结论：①钢管壁厚对钢管混凝土滞回性能影响较大，随着钢管壁厚的增大，柱抗侧承载力显著增大，抗侧刚度也明显提高;②轴压比对峰值承载力后强度退化影响较大，随着轴压比的增加，强度退化明显加快。

参考文献：

[1]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构（修订版）（精）[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践[M].3版.北京：科学出版社，2016.

[3]周绪红，张素梅，刘界鹏.钢管约束钢筋混凝土压弯构件滞回性能试验研究与分析[J].建筑结构学报，2008（5）：75-84.

[4]吕西林，陆伟东.反复荷载作用下方钢管混凝土柱的抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2000（2）：2-11.

[5]杨俊芬，胡盼盼，闫西峰，等.圆钢管混凝土悬臂长柱压弯构件抗震性能研究[J].建筑结构学报，2016，37（11）：121-129.

[6]马恺泽，梁兴文，李斌.高轴压比方钢管高强混凝土柱抗震性能研究[J].工程力学，2010，27（3）：155-162.

[7]隋海燕.圆钢管高强混凝土柱低周疲劳性能试验与理论研究[D].大庆：东北石油大学，2011.

[8]张国伟.钢管混凝土柱在地震作用下的累积损伤性能研究[D].长沙：湖南大学，2009.