李莉斯

(西藏大學(xué)，西藏拉薩 850000)

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內(nèi)配圓鋼管鋼骨混凝土軸心受壓柱受力特性分析

李莉斯

(西藏大學(xué)，西藏拉薩 850000)

為了研究?jī)?nèi)配圓鋼管鋼骨混凝土軸心受壓柱受力特性，文章采用大型有限元軟件ANSYS建立了圓鋼管的鋼骨混凝土柱的有限元分析模型，對(duì)其在軸心受壓時(shí)的內(nèi)力分布情況、變形性能進(jìn)行分析，研究了影響內(nèi)配圓鋼管鋼骨混凝土受力特性的因素，得出了提升其受壓性能的建議，以期對(duì)今后類(lèi)似工程的提供一定的設(shè)計(jì)參考。

內(nèi)配圓鋼管； 鋼骨混凝土柱； 有限元； 軸心受壓

隨著國(guó)內(nèi)建筑業(yè)的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)向超高層、重載方向發(fā)展，導(dǎo)致建筑物中主要承載構(gòu)件——柱子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)理論體系下面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。內(nèi)配圓鋼管鋼骨混凝土以受力性能好、性?xún)r(jià)比高、應(yīng)用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)逐漸被應(yīng)用于工程實(shí)際中[2]。

因?yàn)榕鋱A鋼管鋼骨混凝土柱的諸多優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們開(kāi)展了一定的試驗(yàn)及理論研究。張德娟[3]從組合柱的破壞產(chǎn)生機(jī)理入手，利用38根核心方柱分析研究了其周期反復(fù)水平荷載的受力特性，指出了影響組合構(gòu)件延性的關(guān)鍵原因；陳周熠[4]對(duì)比研究了8根鋼管高強(qiáng)混凝土核心軸壓短柱的受力性能和破壞特點(diǎn)；林擁軍等[5]依托工程實(shí)踐，采用9根核心方柱對(duì)軸壓試驗(yàn)展開(kāi)了研究，之后又在這些構(gòu)件的三種類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)上完成了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。

雖然國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)這種新型混凝土柱結(jié)構(gòu)開(kāi)展了大量研究，但國(guó)內(nèi)學(xué)者們對(duì)其軸心受壓承載力的研究不多且不系統(tǒng)，而且其應(yīng)用歷史也不長(zhǎng)。基于此，本文著重針對(duì)軸心受壓這一力學(xué)性能對(duì)配有圓鋼管的鋼骨混凝土柱展開(kāi)研究，通過(guò)對(duì)比普通混凝土柱研究其承載能力及延性，并研究鋼骨含鋼率、箍筋配筋率等對(duì)其性能的影響，以期可以促進(jìn)其理論研究的發(fā)展以及在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

1 計(jì)算模型建立

1.1 模型選擇

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般采取的有限元模型的主要類(lèi)型有三種：分離式、整體式和組合式[9]。本文考慮內(nèi)配圓鋼管鋼骨混凝土單構(gòu)件計(jì)算的精確性，采用分離式有限元模型，確保計(jì)算結(jié)果接近真實(shí)情況。

1.2 本構(gòu)關(guān)系選擇

由于混凝土材料的特性，混凝土受力時(shí)，應(yīng)力和變形關(guān)系尚且不能用一種本構(gòu)模型能夠完全合理地描述。本文在參考相關(guān)資料和規(guī)范的基礎(chǔ)上，考慮本研究構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征及受力特點(diǎn)，采用以下本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行模擬見(jiàn)式(1)。

(1)上升段采用GB 50010 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》建議表達(dá)式模擬。

(2)下降段采用Hognestad的表達(dá)式模擬。

(1)

1.3 模型建立

基于研究目的，本次混凝土取的模型為Solid65單元，鋼管采取的模型為Solid45單元，箍筋和縱筋采取的模型為L(zhǎng)ink8單元，模型如圖1所示。

2 軸壓荷載-位移分析

2.1 與普通鋼筋混凝土柱比較

同尺寸、材料性能參數(shù)情況下將內(nèi)配圓鋼管鋼骨混凝土柱與普通鋼筋混凝土柱進(jìn)行同條件受力分析，通過(guò)數(shù)值模擬得到這兩種柱的柱頂荷載-位移曲線(圖2)。

從圖2可以看出：

(1)配有圓鋼管的鋼骨混凝土柱的屈服荷載和極限荷載都高于普通鋼筋混凝土柱，說(shuō)明混凝土柱以圓鋼管為鋼骨的承載力是高于普通鋼筋混凝土柱的；

(2)配有圓鋼管的鋼骨混凝土柱的柱頂極限位移與普通鋼筋混凝土柱相較之下，前者提高較大，且具有更好的延性。因此混凝土柱內(nèi)配有圓鋼管的鋼骨時(shí)比普通鋼筋混凝土柱在受力性能和變形性能方面均有很大的提高。

2.2 鋼骨含鋼率影響分析

內(nèi)配有圓鋼管的鋼骨混凝土柱軸心受壓時(shí)，在相同截面尺寸、鋼筋配置和混凝土強(qiáng)度等級(jí)下，研究不同鋼骨含鋼率的影響。對(duì)上述構(gòu)件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到荷載-位移曲線如圖3所示。

(a)模型整體

(b)模型細(xì)部圖1 配有圓鋼管的鋼骨混凝土柱有限元模型

圖2 兩種柱的柱頂荷載-位移曲線

圖3 不同含鋼率柱頂荷載-位移曲線

從圖3可以看出：

(1)內(nèi)配圓鋼管的鋼骨混凝土柱的屈服荷載的提高只能通過(guò)在一定范圍內(nèi)增大鋼骨含鋼率來(lái)實(shí)現(xiàn)，試件的極限荷載隨著鋼骨含鋼率的增加而增大；

(2)含鋼率為1.5 %的模擬試件的柱頂位移最大，其次是含鋼率為3.5 %、9.5 %和7.5 %，因此考慮其變形性能的提高，鋼骨含鋼率的增加不超過(guò)3.5 %為宜。

綜上所述，要同時(shí)提高內(nèi)配圓鋼管的鋼骨混凝土柱的屈服強(qiáng)度和變形能力，鋼骨含鋼率的范圍最好不超過(guò)7.5 %。

2.3 配筋率影響分析

考慮配筋率對(duì)混凝土柱配有圓鋼管鋼骨影響，在其他條件相同的情況下僅配箍率不一樣時(shí)的數(shù)值模擬試件的柱頂荷載-位移曲線如圖4所示。

圖4 不同配筋率柱頂荷載-位移曲線

從圖4可以看出：

(1)盡管配箍率不一樣，但曲線發(fā)育情況近似。配箍率越大，極限荷載也隨之變大，但是這個(gè)變化不是太明顯；

(2)隨著配箍率的增大，其柱頂?shù)奈灰剖窃黾拥?，因此可以說(shuō)明當(dāng)混凝土柱配有圓鋼管的鋼骨時(shí)增加其配箍率可以有效地提高延性，也能增加一定的承載力。

2.4 縱向鋼筋配筋率影響分析

研究縱向鋼筋配筋率對(duì)其影響，在其他條件相同的情況下僅配箍率不一樣時(shí)的數(shù)值模擬試件的柱頂荷載-位移曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：

(1)柱的極限荷載隨縱筋鋼筋配筋率的增大而增大，所以縱筋配筋量的增加會(huì)有效提高混凝土柱配有圓鋼管為鋼骨時(shí)的承載力；(2)隨著縱筋鋼筋配筋率的增加，柱的最大位移的改變卻沒(méi)有多大變化。因此縱筋配筋率的增加對(duì)內(nèi)配圓鋼管的鋼骨混凝土柱的承載力的提高是有意義的，但對(duì)其延性的影響不大。

3 結(jié)論與建議

本文通過(guò)ANSYS數(shù)值模擬，對(duì)內(nèi)配圓鋼管鋼骨混凝土軸心受壓受力特性進(jìn)行相關(guān)研究，得到了以下結(jié)論：

(1)相比普通鋼筋混凝土柱而言，以圓鋼管為鋼骨的混凝土柱有更好的承載能力和延性。

(2)配以圓鋼管為鋼骨的混凝土柱的極限荷載和屈服荷載隨鋼骨含鋼率、箍筋配筋率和縱筋配筋率的增加而增大，但強(qiáng)度增長(zhǎng)率有所不同。

[1] 鄧俊.淺談?shì)p鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[J]. 住宅科技，2010(8)：49-51.

[2] 劉潔.鋼管混凝土核心柱的最新研究進(jìn)展[J].山西建筑，2008(30)：80-81.

[3] 劉潔，王正中. 鋼管混凝土核心短軸壓承載力計(jì)算公式研究[J]. 山西建筑，2008(21)：10-12.

[4] 江一鳴. 鋼骨-鋼管高性能混凝土組合柱受力性能分析[J]. 城市建設(shè)理論研究，2013(9).

[5] 林擁軍，李潔等. 配有圓鋼管的鋼骨混凝土短柱軸心受壓正截面受壓承載力的試驗(yàn)研究[J] .四川建筑科學(xué)研究，2003(4)：11-13.

西藏大學(xué)學(xué)科(學(xué)位)培育點(diǎn)項(xiàng)目“建筑與土木工程”

李莉斯(1982～)，女，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。

TU311.1

A

[定稿日期]2017-04-26