付明春

(大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程系， 遼寧 大連　116300)

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鋼管混凝土和鋼筋混凝土力學(xué)性能探析

付明春

(大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程系， 遼寧 大連116300)

摘要：利用ANSYS有限元方法對(duì)鋼管/鋼筋混凝土的軸壓性能及偏壓性能進(jìn)行三維模擬分析，評(píng)價(jià)鋼管混凝土的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土； 鋼筋混凝土； 力學(xué)性能

0引言

鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)由于其良好的抗壓耐火性能和低造價(jià)的特點(diǎn)，在工程的實(shí)際施工中得到廣泛應(yīng)用。但隨著我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化和施工技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)也日益明顯，已無(wú)法很好地滿足現(xiàn)階段的施工要求,這一條件下鋼管混凝土應(yīng)運(yùn)而生。鋼管混凝土(CFST)是將混凝土材料填充進(jìn)鋼管的混合材料，外部鋼管可顯著提高核心混凝土的縱向剛度、抗壓強(qiáng)度及應(yīng)變力，很好地彌補(bǔ)了鋼筋混凝土的劣勢(shì)，在建筑工程中的應(yīng)用前景良好。對(duì)不同的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，剖析其力學(xué)性能，對(duì)于工程實(shí)踐工作更高效開展具有重要意義。

1有限元模型構(gòu)建

鋼管混凝土模型中的混凝土本構(gòu)模型如下：

(1)

鋼筋混凝土模型中的混凝土本構(gòu)可表示為：

(2)

其中

式中：ε----混凝土的應(yīng)變量，mm;

ε0----混凝土模型彈性應(yīng)變的臨界值，mm;

σ----對(duì)應(yīng)應(yīng)變量下的應(yīng)力值，Pa;

fc----混凝土的應(yīng)力峰值，Pa。

鋼材模型則采取理想雙線性彈塑性模型[1]，即不考慮鋼材的強(qiáng)化階段，其模型如圖1所示。

圖1　鋼材理想雙線性彈塑性模型

圖中,OB段屬鋼材的彈性階段，B點(diǎn)為屈服折點(diǎn)，BC為理想塑性階段，C點(diǎn)為應(yīng)力起點(diǎn)，C點(diǎn)后認(rèn)為鋼材失效。

模型構(gòu)建完畢后，分別在ANSYS分析模型中選用恰當(dāng)?shù)娜驈椈蓡卧瑢?duì)不同混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土與鋼材間的粘結(jié)滑移作用進(jìn)行模擬。

2混凝土柱的軸壓性能分析

軸壓是混凝土柱在具體實(shí)踐中最常見的受力狀態(tài)，混凝土柱的軸壓性能直接決定了土柱的使用價(jià)值。按照上述模型在相同軸壓條件下，對(duì)鋼管混凝土柱及鋼筋混凝土柱的軸壓性能進(jìn)行模擬分析。在ANSYS模型軟件環(huán)境中，對(duì)兩個(gè)土柱模型施加相同壓力，觀察兩組模型的變化情況，并在輸出端觀察比較不同土柱的軸壓-形變曲線[2]；同時(shí)，分別觀察兩土柱中混凝土和鋼材的單一受力情況，進(jìn)而對(duì)混凝土柱的軸壓性能進(jìn)行深入分析。其具體比較結(jié)果如下。

2.1　整體軸壓性能比較

鋼筋混凝土柱及鋼管混凝土柱的應(yīng)變量隨著軸壓承載力的變化曲線如圖2所示。

不難發(fā)現(xiàn)，RC柱和CFST柱在軸壓下的形變過程均可分為彈性階段、彈塑性階段及失效階段。

2.1.1彈性階段(OA/OA′)

當(dāng)軸壓力較小時(shí)，RC柱和CFST柱的混凝土和鋼材均處于彈性階段，二者的應(yīng)變量隨著軸壓力的增大而增加，且彈性階段的曲線斜率近似不變，應(yīng)變量與軸壓力間的變化有線性關(guān)系。分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可知，鋼筋骨架與混凝土呈相互粘連、相互作用狀態(tài)，二者共同承載壓力；而鋼管混凝土中由于混凝土的泊松比較小，核心混凝土和鋼材實(shí)際上是單獨(dú)承壓。

2.1.2彈塑性階段(AB/AB′)

隨著軸壓力的進(jìn)一步加大，土柱進(jìn)入彈塑性階段，AB段為RC柱的變化曲線。這一階段RC柱的混凝土逐漸出現(xiàn)開裂、脫落現(xiàn)象，混凝土的應(yīng)變變化率逐漸減小；而鋼筋骨架仍處于彈性階段，鋼筋和混凝土的承載力差距逐漸拉大，在鋼筋應(yīng)變量達(dá)到屈服應(yīng)變值前，相同應(yīng)變條件下鋼筋的承載力大于混凝土。鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)變時(shí)，混凝土仍未達(dá)到應(yīng)變峰值；軸壓進(jìn)一步加大使混凝土的應(yīng)變量達(dá)到峰值，混凝土被破壞。CFST柱的鋼管可很好地約束核心混凝土，壓力的不斷增加將導(dǎo)致核心混凝土的開裂而發(fā)生體積增大，對(duì)鋼管內(nèi)壁產(chǎn)生壓力，而鋼管對(duì)核心混凝土的反向作用力可使土柱的整體強(qiáng)度增加，直至土柱達(dá)到承載力峰值。

2.1.3失效階段(BC/BC′)

當(dāng)軸壓力大小達(dá)到RC柱的承載峰值后，土柱的承載力明顯下降。由于混凝土的破壞，此時(shí)鋼筋骨架結(jié)構(gòu)成為主要承載體，直至鋼筋壓屈變形，土柱完全失效。CFST柱在達(dá)到最大承載力后，鋼管仍具有一定負(fù)荷能力，直至外壓力將鋼管壓屈失穩(wěn)。

通過這一曲線可明顯看出，在相同承載條件下，鋼管混凝土柱的整體承載力和形變能力均明顯優(yōu)于鋼筋混凝土柱。

2.2　混凝土柱承壓機(jī)理比較分析

RC柱和CFST柱中，混凝土和鋼材的單一受力應(yīng)變曲線如圖3所示。

由圖3可知，在RC柱和CFST柱中的主要承載體均為混凝土，而鋼管或鋼筋的荷載較小。鋼管混凝土柱中的混凝土承載力高于RC柱的主要原因是由于鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用，使土柱的整體強(qiáng)度得到一定程度的提高。并且，鋼管的外部約束力還能明顯提高混凝土的變形能力，鋼管混凝土柱的抗震性能明顯優(yōu)于鋼筋混凝土柱。此外，對(duì)RC柱和CFST柱的力學(xué)性能進(jìn)行量化分析可知，相同材料及外部條件下，CFST柱的承載力峰值比RC柱承載力峰值高出21%~27%，且鋼管混凝土柱的形變量是鋼筋混凝土柱的2倍左右[3]。

2.3　承載力計(jì)算及擬合分析

2.3.1鋼管混凝土承載力計(jì)算公式

在即有研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)分析方法，即可對(duì)鋼管混凝土不同組分間的作用關(guān)系進(jìn)行量化，并提出鋼管混凝土的承載力峰值計(jì)算模型如下：

(3)

式中:N----土柱的最大承載力，kN;

A----土柱的截面積，m2;

ζ0----截面約束效應(yīng)系數(shù);

fc----混凝土柱的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，Pa；

B1----計(jì)算系數(shù)，B1=0.138 1·fc/215+0.764 6；

C1----計(jì)算系數(shù)[4],C1=-0.072 7·fc/15+0.021 6。

2.3.2鋼筋混凝土柱承載力計(jì)算公式[5]

鋼筋混凝土柱的整體承載力計(jì)算公式如下：

(4)

φ----土柱的穩(wěn)定系數(shù)，其計(jì)算公式為

i----土柱截面的最小半徑，m；

l0----土柱的計(jì)算長(zhǎng)度，m。

2.3.3公式計(jì)算與有限元模擬結(jié)果的比較分析

按照上述公式和本研究中的有限元模擬結(jié)果，計(jì)算本研究中混凝土柱試件的承載力水平，并比較其差值。

RC柱及CFST柱承載力的兩種計(jì)算結(jié)果比較分析見表1。

表1　RC柱及CFST柱承載力的兩種計(jì)算結(jié)果比較分析

由表1可知，公式計(jì)算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果的誤差范圍<10%，本研究結(jié)果的可信度較高。經(jīng)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單計(jì)算可知，公式計(jì)算結(jié)果和有限元模擬結(jié)果均顯示，在相同條件下CFST柱的承載力較RC柱約高21%~27%。因此，在具體實(shí)踐過程中，使用鋼管混凝土不僅可通過減少原料使用量達(dá)到成本控制目標(biāo)，還能提高工程的承載力水平。

3混凝土柱的偏壓受力研究

3.1　模擬實(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)際應(yīng)用過程中，混凝土柱普遍處于偏壓受力狀態(tài)[6]，對(duì)兩種土柱的偏壓受力性能進(jìn)行研究分析，對(duì)于工程應(yīng)用具有重要的理論指導(dǎo)意義。使用與上文類似的有限元模型，并對(duì)兩種土柱模型的偏心率做出改變，進(jìn)而對(duì)RC柱和CFST柱的偏壓受力性能進(jìn)行理論分析。使用ANSYS模型軟件模擬混凝土柱的偏壓受力狀態(tài)，并逐漸加大土柱的荷載力大小，可得到鋼筋混凝土柱和鋼管混凝土柱的荷載-撓度變化曲線，如圖4所示。

圖4　CFST柱和RC柱的荷載-撓度變化圖

由圖4可知，當(dāng)土柱撓度處于彈性范圍內(nèi)，荷載能力隨著撓度的增加呈線性變化，對(duì)應(yīng)圖4中的OA(OA′)段；隨著荷載的進(jìn)一步加大，鋼筋混凝土的受壓側(cè)發(fā)生破裂現(xiàn)象，荷載增加幅度降低，而鋼管混凝土柱的約束作用則在一定程度上延長(zhǎng)了自身的彈塑性階段，對(duì)應(yīng)圖中的OB(OB′)段；當(dāng)荷載超出混凝土的承載峰值時(shí)，CFST柱的鋼管仍具有良好的約束作用，故鋼筋混凝土的失效時(shí)間遠(yuǎn)少于鋼管混凝土。

根據(jù)相關(guān)國(guó)家政策，所有新建及改造污水處理場(chǎng)均需要采取惡臭廢氣處理措施。因此，建議在滲瀝液新建項(xiàng)目可研及設(shè)計(jì)階段充分考慮除臭系統(tǒng)投資及占地要求，必要時(shí)可將生物土壤濾池設(shè)置在各池頂，以減少工程用地，同時(shí)美化環(huán)境。

3.2　土柱的偏壓承載力計(jì)算模型

鋼筋混凝土柱的偏壓承載力計(jì)算模型為[7]：

(5)

式中：NR----RC柱的偏壓承載力，kN;

x----土柱受壓的相對(duì)高度，m;

h0----土柱的計(jì)算高度，m;

α1----參數(shù)，可按照規(guī)定計(jì)算。

而鋼管混凝土的有關(guān)理論研究尚未成熟，其計(jì)算模型種類多樣，且計(jì)算繁雜，最常用的CFST柱偏壓承載力計(jì)算模型如下

(6)

式中：N----土柱軸力，kN;

M----土柱彎矩，mm;

βm----等效彎矩系數(shù);

kf,kn----均為參數(shù)值;

Nu----CFST柱的承載力水平,kN。

采取與上面相同的方法將公式計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，可知誤差<8%，有限元模型可用于土柱的偏壓力學(xué)性能模擬計(jì)算。且計(jì)算結(jié)果顯示，CFST柱最大荷載時(shí)的形變位移為5.82mm，明顯高于RC柱(最大荷載時(shí)的形變位移為3.18mm)，表明鋼管混凝土柱具有更優(yōu)良的形變能力。

4結(jié)語(yǔ)

通過有限元模擬實(shí)驗(yàn)，從軸壓性能及偏壓性能兩方面對(duì)鋼管混凝土柱及鋼筋混凝土柱的力學(xué)性能進(jìn)行比較分析，并將分析結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，本研究的準(zhǔn)確度有充分保障。分析研究結(jié)果可知，鋼管混凝土及鋼筋混凝土柱的主要承載體均為混凝土，鋼管結(jié)構(gòu)則可對(duì)核心混凝土產(chǎn)生約束效應(yīng)，從而有效提高鋼管結(jié)構(gòu)的整體承載力水平和變形能力。因此，在具體工程應(yīng)用過程中，工程人員可根據(jù)即有公式或利用有限元模型正確進(jìn)行鋼管混凝土的設(shè)計(jì)使用，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)工程建筑質(zhì)量的提高。

參考文獻(xiàn)：

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Mechanics performance analysis for

steel pipe concrete and reinforced concrete

FU Ming-chun

(Department of Architectural Engineering Applied Technology Institute, Dalian Ocean University, Dalian 116300, China)

Abstract：With ANSYS finite element analysis, 3D model is built for simulating the axial compression and bias performance of concrete filled steel tube and reinforced concrete to evaluate quality of the two concretes.

Key words：concrete filled steel tube; reinforced concrete; mechanical properties.

作者簡(jiǎn)介：付明春(1971-)，男，漢族，遼寧瓦房店人，大連海洋大學(xué)碩士研究生，主要從事工程力學(xué)方向研究,E-mail:826287651@qq.com.

收稿日期：2014-09-13

中圖分類號(hào)：TU 398

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2015)01-0027-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.1.06