恒高温下圆钢管混凝土界面粘结性能有限元分析

薛媛媛 XUE Yuan-yuan；蔡祖荣 CAI Zu-rong

（①湖南城建职业技术学院建筑工程系，湘潭 411101；②湖南建投地产集团有限公司，长沙 410005）

0 引言

钢管混凝土的界面粘结性能是钢管和混凝土之间共同受力与协调变形的基础[1]。钢管混凝土的界面抗剪粘结力包含三部分：钢管与混凝土之间的化学胶结力、机械咬合力、摩擦力[2，3]。国内外研究者[2-7]对常温下钢管混凝土界面粘结性能进行了较深入研究，研究参数包括混凝土强度、混凝土的收缩、矿物添加剂及添加量、试件宏观偏差、钢管内表面粗糙程度、径厚比、长径比、钢材和混凝土材料类型等，结果表明各参数对界面粘结强度均有一定的影响，相关研究结果可见综述类文献[4，5，8]。对高温后试件，国内外研究者[9-13]也开展了相关研究，研究参数主要包括高温作用时间、长径比、截面形状、混凝土强度、养护条件及混凝土类型等，结果表明高温作用将使界面粘结强度降低。对高温下试件，陈俊等[14]、靳忠强[15]开展了相关研究，研究参数主要包括恒温温度、长径比、径厚比、加劲肋等。

目前，国内外大多局限于常温下和高温后钢管混凝土界面粘结性能研究，其理论分析和试验研究都得到了显著成果，但恒高温下研究只见少部分。因此为更进一步研究恒高温下圆钢管混凝土的粘结滑移性能，本文通过ABAQUS 有限元软件对试件进行推出试验的模拟分析，在验证模型的合理性后，进一步探讨主要影响因素对界面平均粘结强度的影响规律，研究成果对于解释高温下钢管混凝土结构的工作机理和承载力的劣化规律具有重要意义。

1 有限元模型建立

1.1 温度场分析

在高温作用时，钢管混凝土试件中的核心混凝土已经过了凝固期，由水化热产生的热量基本消失，可认为无热源。受火时，周围的热空气主要通过热对流和热辐射方式传热给钢管，而以导热方式传热到试件内部。对于无内热源的试件，起热传导的方式详见文献[16]。

ABAQUS 软件中提供了无耦合的热分析、相继耦合的热应力分析和完全耦合的热应力分析三种热分析模块[17]。在研究恒高温下圆钢管混凝土推出试验的模拟分析时，采用相继耦合的热应力分析，即先采用无耦合的热分析求解出温度场数据，之后将温度场数据导入到结构受力分析模型，进而最终实现高温下的界面粘结性能有限元分析。在高温下，混凝土和钢材的热工参数材料性质一般不是常数，因此试件热传导属于非线性瞬态，从而钢材和混凝土的热工参数成为试件截面温度场分析的重要前提。材料的热工参数主要包括：导热系数、比热、容重和热膨胀系数等，在进行温度场模型计算时采用Lie 提出的热工模型[1]。

1.2 结构分析

1.2.1 单元类型选取

建立恒高温下圆钢管混凝土有限元模型，材料的单元类型为结构三维应力分析单元、钢管采用壳单元、核心混凝土和垫板均采用三维实体单元。在模拟计算中，钢材采用等向弹塑性模型，满足Von Mises 屈服准则；混凝土采用的是塑性损伤模型；对于受拉区混凝土，采用应力-断裂能关系曲线进行描述；采用韩林海[1]和宋天诣[18]给出的公式计算常温下和高温下的钢管与混凝土应力-应变关系模型。

1.2.2 钢管与混凝土界面模型

在有限元分析中钢管与混凝土的相互作用是三维的，模型通过钢管与混凝土界面法向行为的接触和切向行为的粘结滑移构成，在分析计算时，界面法向行为的接触采用“硬接触”；对于横向切向行为方向，在推出试验过程中试件未受到扭转的作用，同时未见相关的研究者对其进行具体分析，因此忽略其影响；纵向切向行为方向，钢管与混凝土相互作用表现为它们之间的粘结滑移现象，因此采用节点之间的弹簧单元，通过定义各个弹簧的力-变形关系曲线（即文献[14]试验得出的荷载-相对滑移曲线以及文献[19]回归得到的粘结应力-相对滑移关系模型计算）实现有限元模拟。

1.2.3 约束及边界条件

根据课题组所做试验的具体实际加载装置情况，试件的加载端自由，另一端固定，钢管与底部垫板之间用壳-实体耦合进行约束，为了求解计算顺利，减少应力集中，本模型加载方式采用位移加载。

2 模拟结果及分析

在高温下，钢材内部金属结构以及混凝土材料性能都会产生一定的劣化，由于混凝土是一种惰性材料，传热慢，导致截面温度不均匀，因此，不同的截面位置核心混凝土的材料性能也不同，混凝土越靠近核心位置，其受到温度影响越小。如下列出了恒温温度500℃下的温度场分布云图，如图1 所示。其中NT11 为节点温度，单位为℃。由图可知，钢管混凝土试件的等温线为一系列同心圆，由钢管外表面向内表面，温度逐渐减小，核心混凝土的温度梯度较大，截面内部的温度变化趋于平缓。

图1 截面温度场

图2 列出部分试件荷载-滑移曲线的模拟计算结果与陈俊等[14]试验结果进行了比较。由有限元计算曲线的相关数据可知，在达到峰值荷载之前曲线基本呈线性，随不同的恒温温度变化，曲线有所不同，一些出现不明显的下降段，一些甚至仅仅出现拐点，一些有明显的峰值荷载，之后有明显的下降段；相同的恒温温度时，曲线的形状基本相似，几乎不随钢管厚度和长度变化而变化。从图可知，模拟和试验二者在曲线上升段吻合良好，平均粘结强度和对应滑移值也比较接近，但有些曲线在下降段存在一定的偏差，原因可能是钢管存在“宏观偏差”和材料本身离散。

图2 模拟计算与试验[14] 荷载-滑移曲线的比较

3 粘结强度影响因素分析

在验证模型正确后，本文对试验研究中的参数范围进行了扩展，对不同恒温温度、径厚比及长径比参数的恒高温作用下钢管混凝土界面粘结强度进行了计算分析。表1列出了相关参数以及对应的模拟计算结果与试验实测结果比较，对比结果可知，有限元计算得出的结果和试验结构均吻合较好，这说明，用此计算模型模拟钢管混凝土的界面粘结问题是合理的。

表1 平均粘结强度的模拟计算结果与文献[14]试验结果的对比

4 结语

本文对恒高温下圆钢管混凝土界面粘结性能进行了模拟分析，主要研究工作和结论如下：

①采用精细的弹簧单元建立了恒高温下圆钢管混凝土界面粘结性能有限元分析模型，通过与现有推出试验结果比较验证了建模方法的正确性。

②将模拟计算与试验结果对比表明，该模拟可以较为准确的预测平均粘结强度值，且模拟计算所得荷载-滑移曲线与试验所得荷载-滑移曲线基本吻合。

③在验证模拟正确性的基础上，进一步研究了不同恒温温度、长径比、径厚比对恒高温下圆钢管混凝土界面平均粘结强度的影响，结果表明，随恒温温度升高，平均粘结强度先降低后升高再降低；随长径比增大，平均粘结强度减小；径厚比对其影响不明显。