钢骨-钢管混凝土压弯构件受力性能分析

袁姣姣 尹张亮

（北京市机械施工集团有限公司，北京 100000）

0 引言

钢管混凝土由于钢管和混凝土良好的协同作用展现出优越的受力性能，在超高层和大跨空间结构中得到广泛应用［1］。对于承受重载的钢管混凝土组合构件，在实际工程中常在其内部中配置型钢和钢管等，由于钢骨可以约束混凝土裂缝的发展，以及钢骨受到混凝土的支撑作用不易局部屈曲，进而提升了该类组合构件的承载力和延性［2-4］，同时，内部钢骨的存在可以有效解决大尺寸构件中内部混凝土浇筑时带来的施工问题。典型的钢管混凝土构件和内置钢管而形成的组合构件截面示意图如图1所示。

图1 钢管混凝土组合构件截面形式

目前，关于各类钢管混凝土压弯构件的受力性能已有较多研究，如尧国皇［5］通过数值研究和理论分析系统研究了不同截面钢管混凝土构件复合受力性能，并给出了相应的计算方法；薛阳［6］对自密实高强混凝土压弯构件的受力性能进行了试验研究和有限元分析。对于钢骨-钢管混凝土构件，研究多集中在轴压性能［7］，关于该类构件的压弯性能研究缺乏。因此，有必要对钢骨-钢管混凝土构构件的压弯性能进行分析，明晰该类构件的受力机理和钢骨类型对受力性能的影响。

因此，本研究通过ABAQUS 有限元软件建立3种不同截面的钢骨-钢管混凝土压弯构件有限元模型，通过已有试验对模型的准确性进行验证。在此基础上分析和对比了3 种压弯构件的工作机理，包括构件侧向承载力，轴力和弯矩分布和发展，以及应力和破坏形态，讨论了钢骨类型的影响，为进一步深入研究及工程中的相关设计提供参考。

1 有限元模型

1.1 材料本构

对于钢管和钢骨，其采用双线性模型，包括弹性段和强化段，强化段的模量取钢材弹性模量的0.01 倍。混凝土采用ABAQUS 有限元软件中的塑性损伤模型，其本构关系采用文献［1］中钢管混凝土中核心混凝土的应力-应变关系，如式（1）。

式中：x=ε/ε0，y=σ/σ0，具体参数取值见文献［1］。在损伤模型中，膨胀角取30°，fb0/fc0值为1.16；塑性势能方程的流动偏角取0.1；k为拉压子午面第二应力不变量之比，k取2/3；黏性系数的取值为0.000 1。

1.2 模型建立

共设计3种截面的组合构件（见图1），3种截面差别仅为内部钢骨。构件长度为800 mm，外钢管截面直径和壁厚分别为200 mm 和5 mm，十字形钢腹板度和翼缘宽度为90 mm 和45 mm，壁厚均为5 mm，内部圆钢管截面直径和壁厚分别为59 mm和5 mm，构件CC1 与CC2 的钢骨率相同。钢材和型钢屈服强度为355 MPa，混凝土抗压强度为50 MPa。

在ABAQUS 有限元软件中建立压弯构件的有限元模型，各部件均采用三维实体单元，单元类型为C3D8R。钢管与混凝土的界面通过法向行为和切向行为定义，法向采用“hard”接触，切线方向选择库伦摩擦模型，摩擦系数为0.6。构件下端固支边界通过约束构件底部整个面的三个方向的位移实现，构件上端自由，端板通过“绑定”与各部件进行约束。计算时先在构件顶部端板施加轴向荷载（轴向荷载比为0.3），然后在端板上施加侧向位移。各部件网格大小均为12 mm，模型的边界与网格划分如图2所示。

图2 有限元模型的边界与网格

1.3 模型验证

为验证建立模型的准确性，对文献［3,6］中不同截面钢管混凝土压弯构件的试验结果进行模拟，包括钢管混凝土和钢骨-钢管混凝土试件。试件模拟与试验的荷载-变形曲线对比如图3所示，由图3可以看出，模拟曲线与试验曲线整体上吻合良好，加载后期两种曲线有一定差异，这可能是因为试验与模拟的边界有一定差异。模拟与试验峰值荷载之比的平均为1.001，表明建立的有限元模型准确合理。

图3 模拟与试验的荷载-变形曲线对比

2 受力机理对比与分析

2.1 侧向荷载-位移曲线

3 种截面构件的侧向荷载-侧向位移（P-Δ）曲线如图4所示，可见3种构件的P-Δ曲线形态相似。以构件C1 为例，整个曲线可以分为OA段（弹性阶段），AB段（弹塑性阶段）和BC段（下降阶段）。在OA阶段，试件的P-Δ曲线呈直线，荷载随着位移呈线性增加，A点时荷载达到0.55Pmax。A点后，构件受拉侧外钢管开始屈服，曲线斜率逐渐变小，构进入弹塑性，B点时荷载达到最大，即为构件的极限承载力（Pmax=112 kN）。B点侧向位移逐渐增大，荷载下降，C点时构件的荷载下降至0.85Pmax，此时侧向位移达到40.0 mm，展现出较好的延性。

图4 荷载-位移曲线

与构件C1 相比，构件CC1 和CC2 的P-Δ曲线弹性阶段的刚度没有明显变化，而极限荷载明显提高，构件CC1 和CC2 的峰值荷载分别为128.1 kN 和134.2 kN，其较构件C1提高了14.4%和19.8%，这表明在钢管混凝土中配置型钢可以显著提高其压弯承载力，且圆钢管较十字形型钢展现出更明显的提升效果。

2.2 轴向荷载变化

为分析型钢对轴力分布的影响，3 种构件底部截面各部件轴向荷载的变化如图5 所示。可见，侧向加载前，构件C1 的钢管和混凝土承担的轴力大小相近，约为50%。随着侧向位移的增加，混凝土的轴力增加，钢管的轴力则减小，当达到峰值承载力时，钢管和混凝土承担的荷载分别占18%和82%，这表明钢管卸载的轴力被混凝土承担。

由图5（b）可知，型钢的存在影响了各部件轴力的发展，侧向加载前，钢管、混凝土和型钢的轴力占初始轴向荷载的38%、39%和23%。当侧向位移超过3.3 mm 后，钢管和型钢的轴力明显下降，而混凝土的轴力则逐渐增加。由于混凝土良好的支撑作用，型钢的轴力下降程度小于钢管。达到峰值荷载时，钢管和型钢承担的轴力分别占8%和22%。构件CC2 的轴力变化过程与构件相似，不同的是，加载后期外部混凝土的轴向荷载保持稳定，而内部混凝土的轴力明显增加，这表明内部混凝土逐渐发挥出更明显的作用。综上可知，内部型钢的存在对构件截面的轴力发展影响显著。

图5 各部件轴向荷载发展

2.3 弯矩发展与分布

加载全过程中各部件底部截面的弯矩M发展如图6所示。从图6可以看出，3种构件各部件的M-Δ发展形态相似，外钢管承载的弯矩最大，混凝土的弯矩次之，内部钢骨的最小。构件C1、CC1和CC2在达到峰值荷载时的最大弯矩分别为104.5 kN·m，118.4 kN·m和124.7 kN·m，构件CC1和CC2较C1分别提高13.3%和19.3%，这表明型钢的存在提高了构件的抗弯承载力。构件CC1加载后期钢管和型钢的弯矩保持相对稳定，而混凝土的弯矩逐渐增加，这与构件C1相似。不同的是，构件CC2加载后期弯矩的增加主要是由外钢管和内部混凝土弯矩的上升造成的，这表明内部型钢的存在对构件各部件弯矩分布有一定影响，进而影响构件的侧向承载力。

图6 各部件弯矩发展

2.4 应力分布与破坏形态

3种构件在不同特征点时刻底部及截面混凝土的纵向应力（S33）发展与分布如图7 所示，受压为负值。从图7可以看出，O点时，由于型钢和钢管对混凝土的约束作用，型钢附近混凝土应力分布不均匀，但整个混凝土截面受压。A点时，混凝土截面左侧出现明显的受拉区域，但受拉区域明显小于受压区域。B点时截面的受拉区域延伸接近构件截面中心，由于应力集中，右侧受压区域出现明显的高应力区域，且由于型钢和钢管的约束作用，钢部件内部混凝土在受压侧也产生明显的高应力区域。C点时受拉区域已经延伸超过截面中心，最大压应力值也增大了。

图7 混凝土截面应力分布

C点时3 种构件钢部件的Mises 应力分布和破坏形态如图8 所示。可见，各部件均产生明显的整体弯曲变形，且外钢管在底部受压侧产生明显的局部屈曲。3 种构件的外钢管应力分布相似，高应力区域均在构件下部的受拉侧和受压侧边缘附近，但下部整个横截面并未完全屈服。此外，内部型钢和钢管由于混凝土的保护，其高应力区域明显小于外部钢管，这使得钢部件可以发挥更好的承载作用。

图8 钢部件的应力和破坏形态

3 结论

①建立钢骨-钢管混凝土压弯构件的有限元模型并验证了模型的合理性，通过该模型分析了不同截面压弯构件的受力机理。

②由于内部钢骨与混凝土良好的共同作用，在钢管混凝土中配置钢骨显著提高了构件的侧向承载力，且圆钢管的作用较十字形型钢更显著。

③内置钢骨对压弯构件各部件的轴力和弯矩的发展和分布影响显著，侧向加载过程中钢管和钢骨卸载的轴力被混凝土承担，外钢管对抗弯承载力的贡献明显高于混凝土和钢部件。

④内置钢骨对构件混凝土的应力分布影响显著，3种截面构件的整体破坏形态相似，而内部钢骨受到混凝土的保护较外钢管的破坏程度更低。