戴永紅 （南京金凌石化工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210042）

0 前 言

鋼管混凝土是指在鋼管內(nèi)充填混凝土而形成的由鋼管與核心混凝土協(xié)同承受外荷載作用的一種組合結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土格構(gòu)柱一般由圓鋼管混凝土柱肢和空鋼管或型鋼綴件組成，截面一般設(shè)計(jì)成雙軸對(duì)稱(chēng)或單軸對(duì)稱(chēng)。按柱肢數(shù)量可分為雙肢柱、三肢柱、四肢柱和多肢柱。由于單肢鋼管混凝土在荷載的偏心率或軸心受壓構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比較大時(shí)，單肢柱的鋼管和混凝土難以達(dá)到有效組合，鋼管難以發(fā)揮對(duì)核心混凝土的約束作用，致使鋼管混凝土在軸壓下所具有的諸多優(yōu)勢(shì)都難以體現(xiàn)。在這種情況下，采用由兩肢或多肢鋼管混凝土柱肢通過(guò)綴件（或綴條）連接而組成的格構(gòu)柱就可以避免上述缺點(diǎn)。鋼管混凝土格構(gòu)柱因截面開(kāi)展，所以慣性矩較大，能夠有效地降低了構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比，而且因柱肢分布在構(gòu)件周?chē)?。?dāng)荷載或偏心率較大時(shí)，組成格構(gòu)柱的柱肢以軸壓為主，仍然可以有效發(fā)揮鋼管混凝的諸多優(yōu)勢(shì)[2]。這種格構(gòu)柱，目前在輸電線塔、風(fēng)力發(fā)電塔架、火車(chē)站站臺(tái)柱、單層和多層工業(yè)廠房、大跨度拱橋中應(yīng)用的比較多，將來(lái)有望在高層、超高層建筑的巨型框架結(jié)構(gòu)中得到卓有成效的應(yīng)用。除此之外，鋼管混凝土柱因其獨(dú)特的造型，可增加其美觀性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這種格構(gòu)式鋼管混凝土柱的極限承載力試驗(yàn)研究和理論研究工作開(kāi)展的還比較少，在實(shí)體結(jié)構(gòu)上做試驗(yàn)更是寥寥無(wú)幾[3]。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)鋼管混凝土格構(gòu)柱在行車(chē)行走的不同工況下的鋼管混凝土雙肢柱的受力性能進(jìn)行分析。

1 工程概況

合肥某集團(tuán)公司重型機(jī)械裝配車(chē)間廠房由42根鋼管混凝土格構(gòu)柱作為主體結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件，格構(gòu)柱上部為H型實(shí)腹式鋼柱，下部為鋼管混凝土雙肢柱，鋼管材質(zhì)為Q235B級(jí)鋼，核心混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。鋼管混凝土雙肢柱沿縱向以12m間距等跨分布，橫向兩跨分布如圖1所示。

圖1 剖面圖

2 鋼管混凝土格構(gòu)柱受力實(shí)測(cè)方案

根據(jù)工程設(shè)計(jì)AB跨上布置有雙層吊車(chē)，BC跨上布置有2臺(tái)單層吊車(chē)，本文選取具有代表性的中間一榀桁架的中柱下部雙肢柱在吊車(chē)運(yùn)行過(guò)程中受力情況作為研究對(duì)象。

2.1 行車(chē)行走多工況加載方案

根據(jù)中間鋼管混凝土格構(gòu)柱在吊車(chē)正常使用過(guò)程中豎向荷載作用下的受力情況，制定了8種工況下格構(gòu)柱的受力監(jiān)測(cè)方案，分別是：

①AB跨、BC跨吊車(chē)均在中間柱縱向左右兩邊跨之外；

②BC跨150/30t吊車(chē)處于中柱沿縱向左邊跨且吊車(chē)第一個(gè)車(chē)輪正壓在肩梁上；

③BC跨吊車(chē)按方案②的位置不動(dòng)，AB跨100/20t吊車(chē)駛?cè)胫兄乜v向左邊跨且吊車(chē)第一個(gè)車(chē)輪正壓在肩梁上，260/75t在中間柱縱向左右兩邊跨之外；

④BC跨吊車(chē)按方案②的位置不動(dòng)，AB跨100/20t吊車(chē)按方案③的位置不動(dòng)，AB跨260/75t橋式吊車(chē)駛?cè)胫兄乜v向右邊跨且吊車(chē)第一個(gè)車(chē)輪正壓在肩梁上；

⑤BC跨吊車(chē)按方案②的位置不動(dòng)，AB跨100/20t吊車(chē)駛離中間柱縱向左右兩邊跨，AB跨260/75t吊車(chē)按方案④的位置不動(dòng)；

⑥AB跨吊車(chē)按方案④的位置不動(dòng)，BC跨吊車(chē)駛離中間柱縱向左右兩邊跨；

⑦AB跨260/75t吊車(chē)按方案⑥的位置不動(dòng)，100/20t吊車(chē)駛離中間柱縱向左右兩邊跨；

⑧AB跨260/75t吊車(chē)駛離中間柱縱向左右兩邊跨，AB跨100/20t吊車(chē)駛?cè)胫兄乜v向左邊跨且吊車(chē)第一個(gè)車(chē)輪正壓在肩梁上。

其中方案⑥行車(chē)位置如圖2所示。

圖2 方案6行車(chē)位置

圖3 鋼管表面應(yīng)變計(jì)布置圖

2.2 測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集[4]

監(jiān)測(cè)方案選擇振弦式傳感器監(jiān)測(cè)鋼管混凝土格構(gòu)柱在吊車(chē)正常使用階段的受力情況,選用的傳感器為EJ-66型振弦式應(yīng)變計(jì)，與傳感器配套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備為XP99型振弦頻率儀和XD20X自動(dòng)選點(diǎn)箱，監(jiān)測(cè)中通過(guò)頻率儀和選點(diǎn)箱將傳感器采集到的信息傳輸?shù)轿C(jī)中。在每種工況作用下，通過(guò)自動(dòng)采集各個(gè)工況的輸出頻率值，根據(jù)公式ε=K(Fi-F0)+B得到每個(gè)工況下鋼管表面應(yīng)變值，進(jìn)而求出鋼管豎向力。式中：ε 為應(yīng)變；Fi實(shí)測(cè)頻率；F0初始頻率；K、B為監(jiān)測(cè)儀器的頻率系數(shù)，由儀器生產(chǎn)廠家給出。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)如圖3,采集到的雙肢柱柱腳監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻率值如表1所示。

8種加載方案加載過(guò)程中的頻率 表1

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 柱肢鋼管縱向受力分析

根據(jù)應(yīng)變計(jì)算公式計(jì)算后得到各種監(jiān)測(cè)方案下鋼管豎向應(yīng)變值和依據(jù)計(jì)算公式計(jì)算后得到各種監(jiān)測(cè)方案下鋼管豎向力，分別如表2、表3所示。

各種監(jiān)測(cè)方案下鋼管豎向應(yīng)變（με） 表2

各種監(jiān)測(cè)方案下鋼管豎向力（kN） 表3

3.2 核心混凝土豎向受力分析

鋼管混凝土格構(gòu)柱柱腳所受豎向力與核心混凝土所受豎向力如表4、表5所示。

8種加載方案下鋼管混凝土雙肢柱柱腳所受的力（kN） 表4

8種加載方案下核心混凝土所受的力（kN） 表5

4 鋼管混凝土格構(gòu)柱受力數(shù)值模擬分析[5]

4.1 有限元模型建立與求解

4.1.1 單元類(lèi)型的選取

鋼管混凝土雙肢柱鋼管采用Q235B級(jí)鋼，肩梁采用Q345級(jí)鋼。因?yàn)殇摬木哂袕椥院退苄缘淖冃涡阅埽詫?duì)鋼管混凝土格構(gòu)柱的受力性能分析時(shí)，將鋼管簡(jiǎn)化為理想的彈塑性體，即認(rèn)為鋼材在受力過(guò)程中將呈現(xiàn)彈性和塑性?xún)蓚€(gè)階段，不考慮其強(qiáng)化階段和二次流塑階段。鋼材采用各向同性的理想彈塑性材料雙線性隨動(dòng)硬化模型(BKIN)作為模型本構(gòu)關(guān)系，核心混凝土采用Von Mises多線性等向硬化模型（MISO）作為模型本構(gòu)關(guān)系。力學(xué)參數(shù)為：Q235B鋼管，彈性模量Es=1.92×105N/mm2、泊松比ν=0.3、鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=215N/mm2。C40鋼管核心混凝土：彈性模量Ec=3.25×104N/mm2、泊松比ν=0.2、軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=26.8 N/mm2、極限壓應(yīng)變?chǔ)與u=0.0033。在本文ANSYS模型中，用Solid45單元模擬鋼管及綴條，用Solid65單元模擬混凝土。

4.1.2 單元模型的建立與邊界條件施加

本文主要研究鋼管混凝土格構(gòu)柱柱腳在豎向多工況載荷作用下鋼管和核心混凝土的應(yīng)力分布問(wèn)題，因此選擇柱腳以上到第一段肩梁處的鋼管混凝土格構(gòu)柱作為有限元原型。在有限元建模時(shí)，將肩梁部分等效成剛度無(wú)限大的剛體，用一塊厚為200mm、寬度等于鋼管外徑、兩頭為半圓形（半徑為D/2）的鋼板放在鋼管混凝土格構(gòu)柱頂部代替肩梁，通過(guò)鋼板將荷載傳至柱肢，Solid45單元模擬該鋼板，柱肢與鋼板連接處采用公用節(jié)點(diǎn)的處理方式。核心混凝土與鋼管相交處處理采用三維面與面Contact174接觸單元和Targetl70目標(biāo)單元，混凝土作為目標(biāo)面用Targetl70單元來(lái)模擬，鋼管被當(dāng)做接觸面用Contact174單元來(lái)模擬，鋼管與核心混凝土之間的摩擦系數(shù)取0.45。

本工程沿廠房橫向兩連跨（AB跨、BC跨）、沿縱向14排布置格構(gòu)柱，而且縱向設(shè)有柱間支撐，因此縱向剛度很大，在有限元模型中，考慮到上述情況約束住肩梁Y方向位移。本次監(jiān)測(cè)過(guò)程中，因未考慮吊車(chē)橫向水平荷載，故在有限元模型中，對(duì)肩梁同時(shí)施加X(jué)方向的位移約束。鋼管混凝土模型頂部截面上根據(jù)上部傳遞的荷載施加Z方向荷載，柱腳底部施加X(jué)、Y、Z方向的位移約束。

4.1.3 單元模型的求解

利用有限元軟件ANSYS模型模擬出吊車(chē)對(duì)應(yīng)的8種工況載荷下鋼管表面應(yīng)力云圖，其中方案⑥應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 方案⑥鋼管應(yīng)力云圖

4.2 有限元模擬計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比分析

4.2.1 鋼管監(jiān)測(cè)值與有限元模擬計(jì)算值的比較

根據(jù)上文模擬計(jì)算得出的8種工況下鋼管混凝土格構(gòu)柱鋼管應(yīng)力云圖和監(jiān)測(cè)得到的柱腳鋼管應(yīng)力，進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可以看出，ANSYS模擬值雖然大都小于理論計(jì)算值，但誤差并不大，說(shuō)明數(shù)值模擬過(guò)程中選取的單元和摩擦系數(shù)與實(shí)際情況比較吻合。

4.2.2 混凝土有限元模擬計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值之間的比較

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出的鋼管應(yīng)變計(jì)算出鋼管縱向應(yīng)力并求出鋼管所分配的內(nèi)力，進(jìn)而求出核心混凝土所承擔(dān)的豎向力。將計(jì)算出的混凝土豎向力與ANSYS模擬出的對(duì)應(yīng)的8種組合模式下核心混凝所受的力進(jìn)行比較，如圖7、圖8所示。

圖5 鋼管實(shí)測(cè)值與模擬值之比較（10694）

圖6 鋼管實(shí)測(cè)值與模擬值之比較（10864）

圖7 核心混凝土應(yīng)力理論值與模擬值之比較（10694）

圖8 核心混凝土應(yīng)力理論值與模擬值之比較（10864）

由圖7、8可以看出，ANSYS模擬出的核心混凝土承擔(dān)的豎向力值稍大于理論計(jì)算值，但整體趨勢(shì)與理論計(jì)算結(jié)果比較吻合。

5 鋼管與核心混凝土內(nèi)力分配規(guī)律

根據(jù)監(jiān)測(cè)到的鋼管豎向力和按理論計(jì)算出的雙肢柱柱肢鋼管所受的豎向力，推出鋼管混凝土核心混凝土承擔(dān)的力，從而求得吊車(chē)8種工況載荷下鋼管混凝土雙肢柱柱腳核心混凝土與鋼管的豎向力分配比，如圖9所示。

圖9 核心混凝土與鋼管豎向力分配比

從圖9可以看出，在不同的豎向荷載作用下，鋼管混凝雙肢柱各柱肢核心混凝土與鋼管分擔(dān)的豎向力比值基本在4.5～5之間。

6 結(jié) 論

通過(guò)上述對(duì)鋼管混凝土格構(gòu)柱的受力監(jiān)測(cè)和非線性有限元數(shù)值模擬分析，得出以下基本結(jié)論。

①有限元軟件ANSYS對(duì)鋼管混凝土雙肢柱進(jìn)行非線性數(shù)值模擬時(shí)，鋼管、肩梁和綴條單元選用Solid45，核心混凝土單元選用Solid65，核心混凝土與鋼管接觸面上的混凝土用Targel70目標(biāo)單元來(lái)模擬，鋼管接觸面用Contact174單元來(lái)模擬，選用的鋼材BKIN和混凝土MISO本構(gòu)關(guān)系都是可行的，這為類(lèi)似工程的數(shù)值模擬計(jì)算提供參考。

②就本工程而言，在豎向荷載不同的組合作用下，鋼管混凝雙肢柱各柱肢核心混凝土與鋼管分擔(dān)的豎向力比值基本在4.5～5之間。

③從8種吊車(chē)工況載荷下鋼管混凝土雙肢柱鋼管的模型應(yīng)力云圖可以看出，綴條與鋼管連接處的節(jié)點(diǎn)是個(gè)比較敏感的部位，表明綴條的設(shè)置影響到雙肢柱整體的傳力性能。

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