徐　鑫， 陳建兵， 俞志豪

(蘇州科技大學 土木工程學院， 江蘇 蘇州　215011)

?

內(nèi)灌砂鋼管柱受力性能有限元分析

徐鑫， 陳建兵， 俞志豪

(蘇州科技大學 土木工程學院， 江蘇 蘇州215011)

摘要：內(nèi)灌砂鋼管柱是目前橋梁施工中常用的一種臨時支撐結(jié)構(gòu)，為研究其受力特征，采用ABAQUS軟件建立其不同構(gòu)造參數(shù)的有限元模型。經(jīng)模擬計算分析，得到了軸心荷載作用下各模型的極限承載能力，對比了鋼管柱、混凝土鋼管柱與內(nèi)灌砂鋼管柱的荷載-位移曲線、荷載-應(yīng)變曲線變化規(guī)律。在內(nèi)灌砂密實度相同情況下，討論了長細比、徑厚比、含鋼率等3參數(shù)對內(nèi)灌砂鋼管柱的縱向位移和縱向應(yīng)變的影響，且其承載力隨三者變化也較為顯著。該研究結(jié)果對內(nèi)灌砂鋼管柱在橋梁施工中的推廣應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)灌砂鋼管柱； 受力性能； 軸心受壓； 有限元； 承載力

0引言

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，各類重大工程、建設(shè)項目包括大跨度空間結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)也日益增多。為了滿足這些大型結(jié)構(gòu)的施工順利進行和施工質(zhì)量的保證，需要搭設(shè)穩(wěn)定的臨時結(jié)構(gòu)來輔助施工。當前常用的臨時支撐可分為整體式穩(wěn)定體系、半穩(wěn)定體系、單點支撐體系三種類型[1]。在施工中由于鋼管柱單點支撐安裝簡單、施工成本少、并可周轉(zhuǎn)使用等特點，所以在工程施工較為常見，且備受工程界青睞[2]。

在鋼管中灌入砂子而形成的支撐柱，由于其承載能力、穩(wěn)定性等特性皆較空心鋼管支撐優(yōu)越，近幾年來，工程界已對其進行相關(guān)應(yīng)用及研究。如文獻[3]把內(nèi)灌砂鋼管柱作為鋼筋混凝土樁的接長支架結(jié)構(gòu)、文獻[4]把灌砂鋼管柱成功應(yīng)用于基坑圍護中、文獻[5]研究了砂卵石的不同壓實度對內(nèi)灌砂卵石方薄壁鋼管柱承載力性能的影響。但內(nèi)灌砂鋼管柱獨立作為支撐結(jié)構(gòu)，例如如圖1所示，還鮮見有相關(guān)研究報道。因而，有必要對其受力性能進行研究。

圖1　某橋梁內(nèi)灌砂鋼管臨時支撐柱

本文采用ABAQUS有限元軟件建立了砂鋼管柱的結(jié)構(gòu)模型，通過對其長細比、徑厚比、含鋼率等參數(shù)研究，分析了其對砂鋼管柱受力性能的影響。

1構(gòu)件設(shè)計

參照圖1中內(nèi)灌砂鋼管支撐柱的實際尺寸進行縮尺，設(shè)計了直徑分別為89、108、133 mm 等3種不同長細比的內(nèi)灌砂鋼管柱，鋼管皆采用強度等級為Q235的鋼。為對比其受力性能，又分別設(shè)計了1根鋼管柱和內(nèi)灌C20混凝土的鋼管混凝土柱。構(gòu)件設(shè)計參數(shù)見表1所示。在表1中，SFST表示鋼管砂；CFST表示鋼管混凝土；ST表示空心鋼管；D為鋼管外直徑；L為試件長度；λ為長細比；α為含鋼率。

表1 構(gòu)件設(shè)計參數(shù)試件編號D/mmL/mmt/mmλα/%SFST18953546.0117.2SFST210855045.0914.3SFST310845044.1714.3SFST410865046.0114.3SFST510855055.0917.7SFST610855035.0910.8SFST713379946.0111.7ST110855045.0914.3CFST110855045.0914.3

2模型建立

2.1組建構(gòu)件

根據(jù)表1中的構(gòu)件設(shè)計參數(shù)，建模時內(nèi)灌砂鋼管柱采用全截面形式，并在柱上下端各設(shè)置尺寸為170 mm×170 mm×10 mm的剛度無窮大的墊塊作為加載板。底墊塊板采用固定端約束，頂墊塊板約束X和Y方向自由度。其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　支撐柱組成結(jié)構(gòu)(單位： mm)

2.2材料本構(gòu)模型

應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是工程結(jié)構(gòu)受力過程中材料受力和變形關(guān)系的概括，是內(nèi)部微觀機理的宏觀表現(xiàn)。對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型準確的確立關(guān)系到有限元軟件模擬的準確性，以下依次對鋼材、混凝土、砂子的本構(gòu)模型參數(shù)進行確定。

2.2.1鋼材本構(gòu)模型

鋼材本構(gòu)模型選取雙直線模型[6]，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為：

(1)

式中：σ為鋼材等效應(yīng)力；取fu=1.5 fs；鋼管的彈性模量為Es=2.1×105MPa；εi為鋼管的等效應(yīng)變；εy為鋼管屈服時應(yīng)變；εst為鋼管強化時的應(yīng)變；εu為鋼管達到極限強度時的應(yīng)變，取εst=12εy，εu=120εy，ζ=1/216。

2.2.2混凝土本構(gòu)模型

混凝土本構(gòu)關(guān)系模型采用ABAQUS中自帶的混凝土損傷塑性模型，其受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型參數(shù)取值參考文獻[6]。具體表達式如下：

(2)

2.2.3砂子本構(gòu)模型

ABAQUS中拓展的Drucker-Prager模型根據(jù)屈服面在子午面上的形狀分為3種：線性D-P模型，雙曲線D-P模型和指數(shù)型D-P模型。文中砂子本構(gòu)采用線性D-P模型，該模型是目前為止巖土工程方面運用十分廣泛的本構(gòu)模型，可以很好地反映巖土非線性變形的特點[7，8]。

線性Drucker-Prager模型的屈服函數(shù)為[8]：

F=t-ptanβ-d=0

2.3加載方法

在有限元求解過程中考慮相關(guān)非線性因素，采用位移增量迭代法加載的方式施加荷載，利用Amplitudes方法建立加載規(guī)律，將位移加在軸心RP1點與上墊塊的耦合處。進而利用位移反算荷載以得到荷載-位移曲線、荷載-應(yīng)變曲線。

2.4有限單元劃分及界面的處理

圓鋼管砂中的鋼管采用4節(jié)點殼單元(S4R)，砂和混凝土以及剛性加載板均采用8節(jié)點三維實體單元(C3D8R)，該種單元類型計算精度比較低，但計算自由度可以減少很多，從而加快有限元軟件計算速度。整個模型采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在進行網(wǎng)格劃分的時候，根據(jù)計算精度要求，對鋼管、砂子、混凝土進行精細化劃分，加載板則粗略劃分。網(wǎng)格劃分見圖3所示。

　a) 有限元模型　　b) 加載板剛體　　c) 砂實體單元　　d) 鋼管殼單元　

為考慮受壓過程中鋼管和砂協(xié)同受力，本文定義加載板與內(nèi)灌砂為綁定約束，加載板和鋼管端采用殼實體耦合，鋼管和砂之間定義庫倫摩擦，具體參數(shù)參見文獻[7]，該模型有法向接觸和切向黏結(jié)構(gòu)成。

3計算結(jié)果分析

ABAQUS模擬計算所得到的各個模型極限承載力及縱向位移的計算值，其中CFST1柱抗壓承載能力為791.43 kN，約為SFST2柱承載力的1.32倍，SFST2柱的峰值荷載相比與ST1柱提高了約35%左右。不同長細比、徑厚比、含鋼率砂柱的極限承載力也有所不同，但較純鋼管柱都有所提高，見表2所示。

3.1灌砂柱受力特征

這里僅以模型SFST2為例進行內(nèi)灌砂鋼管柱的受力分析，其在軸心壓力下的變形及云應(yīng)力分布如圖4所示。

在模擬計算過程中，當加載接近極限荷載600 kN時，受壓柱兩端發(fā)生局部屈曲，壓力稍微增加模型呈現(xiàn)出破壞現(xiàn)象，表明其已喪失承載能力。從圖4b、圖4c可以看出鋼管和砂子整體壓應(yīng)力分布均勻，但在荷載作用下鋼管首先受力，之后內(nèi)灌注砂即協(xié)同鋼管共同受力。由于鋼管的約束效應(yīng)，靠近鋼管外圍的砂子首先出現(xiàn)了屈服，其應(yīng)力明顯大于管內(nèi)近圓心砂子。

表2 各模型參數(shù)模擬值試件編號Δ/mmNu/kNμ1SFST12.5574.981.23SFST22.56600.781.29SFST32.56680.121.45SFST42.54557.811.19SFST52.52654.471.4SFST62.52554.471.19SFST72.5399.970.86ST12.49467.481CFST12.62791.431.69 注:Δ為縱向位移;Nu為極限承載力;μ1為各試件的極限承載力與試件ST1承載力之比。

　a) 整體變形圖　　b) 鋼管云應(yīng)力　　c) 砂柱云應(yīng)力　

3.2荷載-縱變形曲線

圖5給出了CFST1和ST1與基本模型SFST2的荷載-縱向變形對比曲線。從圖中曲線變化可以看出，CFST1柱在彈性階段荷載上升比較快，說明在開始階段就具有較高的剛度，進入屈服階段后縱向位移逐漸增大。ST1和SFST2在彈性階段曲線幾乎重合，隨后ST1先開始出現(xiàn)屈服，SFST2柱仍繼續(xù)上升，其峰值點荷載較ST1明顯提升。3種模型的峰值荷載對應(yīng)的縱向位移基本相同，在加載后期鋼管砂柱荷載值略微下降，曲線下降段較小而鋼管混凝土柱和純鋼管柱則無明顯下降段。

圖5　荷載-縱變形曲線

3.3荷載-縱應(yīng)變曲線

模型CFST1、ST1、SFST2的荷載-縱向應(yīng)變曲線如圖6所示，可以看出在相同條件下鋼管混凝土柱的應(yīng)變延性最好，相比于鋼管柱，砂管柱具有較好的抵抗變形能力，其縱向應(yīng)變約為鋼管柱的2倍左右?？梢赃@么認為，具有一定壓實度的內(nèi)灌砂鋼管柱可以增強鋼管柱的自生穩(wěn)定性，從而保證構(gòu)件具有更高的承載能力。

圖6　荷載-縱應(yīng)變曲線

3.4結(jié)構(gòu)參數(shù)對灌砂柱的影響

3.4.1長細比

圖7為不同長細比λ的鋼管砂柱的荷載-縱向位移曲線、荷載-應(yīng)變曲線。從中可以看出，長細比λ=4.17的SFST3荷載曲線上升最快，峰值荷載達到700 kN左右，而后逐漸略微有所下降。當長細比由4增加到6時，承載力下降了約19%。這是由于隨著長細比的增大，構(gòu)件開始由短柱向長柱發(fā)展，承載力會逐漸減小，因而長細比為4左右的鋼管砂具有最大承載力。隨著λ的增加荷載-應(yīng)變曲線也開始下降，構(gòu)件的后期延性略有降低，如圖7b所示。

圖7　不同長細比影響

3.4.2徑厚比

圖8a所示，在其它條件相同的情況下，SFST2、SFST5、SFST6灌砂柱的荷載-位移曲線的彈性階段幾乎重合，表明這三類砂柱具有相近的初始剛度。隨著管壁的厚度(徑厚比)增加，構(gòu)件的極限承載能力也有所提高，如t=5 mm(徑厚比為21.6)比t=3(徑厚比為36)的構(gòu)件提高約20%，但荷載后期縱向位移變化則基本一致，可以說明具有相近的延性。圖8b可以看出，這些構(gòu)件達到峰值荷載時對應(yīng)的縱向應(yīng)變基本差不多，相比于厚度小的鋼管砂柱，厚度大的具有更高的抵抗變形能力。

圖8　不同徑厚比影響

3.4.3含鋼率

含鋼率對構(gòu)件的承載力也很大，如圖9所示，不同含鋼率α變化范圍為11.7%～17.2%時的3種構(gòu)件的荷載-位移曲線、荷載-應(yīng)變曲線。結(jié)果表明，在其他條件相同的情況下，構(gòu)件SFST1較SFST7的α的增加了47%，其承載值提高了70%左右。圖9b結(jié)果表明，隨著α的變化，縱向應(yīng)變也相應(yīng)的提高，但在后期荷載中不為明顯。

圖9　不同含鋼率影響

4結(jié)論

1) 在軸心受壓作用力下，具有一定壓實度的灌砂鋼管柱由于砂和圓鋼管共同作用，一定程度上延緩了圓鋼管柱的屈曲，改善鋼管柱的整體穩(wěn)定性。相比于鋼管柱，灌砂鋼管柱的軸心抗壓承載能力提高了約35%左右。相對于鋼管混凝土柱，這種新型的灌砂鋼管柱臨時支撐可以重復利用原料，具有經(jīng)濟性和環(huán)保性的特點。

2) 長細比不同的鋼管砂柱，在軸心受壓作用力下，長細比為4的構(gòu)件具有最高的承載力，隨著長細比的增加，極限承載力隨之下降，各構(gòu)件的荷載位移、荷載應(yīng)變形狀基本相似。長細比變化對構(gòu)件的極限承載力較為明顯。

3) 徑厚比和含鋼率對鋼管砂柱的承載能力有一定的影響，尤其是含鋼率的變化更為明顯。含鋼率提升6%左右，其鋼管砂柱的極限承載能力提高了70%左右。

參考文獻：

[1] 秦海強，靳軍峰，辛森.臨時支撐在場館類大型鋼結(jié)構(gòu)安裝中的應(yīng)用[A].第十屆中國科協(xié)年會論文集(四)[C].2008.

[2] 余流.施工臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 酈鈴福.鋼管砂樁在深水無覆蓋層支架現(xiàn)澆上部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].中國公路學報，1995，8(4)：64-70.

[4] 周成，蔡整銀，殷建華.大型深基坑中鋼筋混凝土聯(lián)合鋼管砂支撐的應(yīng)用與快速拆除[J].華南理工大學學報，2003，31(S)：56-62.

[5] 劉歡，姚勇，褚云朋，等.內(nèi)填砂卵石薄壁方鋼管柱軸壓性能試驗研究[J].工業(yè)建筑，2013，43(9)：120-123.

[6] 丁發(fā)興，周林超，余志武，等.鋼管高性能混凝土短柱受力性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2002，23(2)：41-47.

[7] 江濤.大直徑超長鉆孔灌注樁群樁效應(yīng)的三維非線性有限元分析[D].南京：河海大學，2007.

[8] 劉世濤，程培峰.基于ABAQUS土體數(shù)值分析的本構(gòu)模型[J].低溫建筑技術(shù)，2010(2)：90-92.

文章編號：1008-844X(2016)02-0165-05

收稿日期:2016-01-07

作者簡介:徐鑫( 1991-) ，男，碩士研究生，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)的研究

通訊作者:陳建兵( 1968-) ，男，教授，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)的研究。

中圖分類號：U 445

文獻標識碼：A