張 磊，杜木子

(1.西安石油大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室管理處(實(shí)驗(yàn)中心)，陜西 西安 710065；2.陜西市政建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710021)

0 前 言

鋼管混凝土柱由于其承載力高、塑性好、施工方便等特性廣泛應(yīng)用在建筑、橋梁、地下建筑等結(jié)構(gòu)中。目前已有研究表明，鋼管混凝土柱中配置鋼骨不僅可以有效提高承載力，相比普通鋼管混凝土柱還具有更好的抗彎剛度、延性、耐火性能等優(yōu)點(diǎn)[1]，但是鋼管混凝土內(nèi)鋼骨形式對(duì)承載力影響的研究還比較少。因此，本文采用ABAQUS有限元軟件對(duì)6個(gè)內(nèi)配不同鋼骨的構(gòu)件進(jìn)行非線性分析，研究鋼骨形式對(duì)承載力的影響，進(jìn)而發(fā)掘出最具經(jīng)濟(jì)性與安全性的鋼骨配置形式。

1 有限元模型的建立

1.1 單元選取與網(wǎng)格劃分

ABAQUS中擁有多種單元類(lèi)型可供選擇，本文為了更好地體現(xiàn)出鋼管、鋼骨與混凝土之間相互作用的關(guān)系，故混凝土、鋼管與鋼骨均采用減縮積分形式的八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元(C3D8R)。

網(wǎng)格采用自適應(yīng)結(jié)構(gòu)劃分方法進(jìn)行劃分，保證每個(gè)單元的三項(xiàng)尺寸相差不大。

1.2 本構(gòu)關(guān)系

本文所建立模型的本構(gòu)關(guān)系主要有鋼材和混凝土。鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用三折線模型模擬鋼材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

鋼管內(nèi)混凝土的塑性應(yīng)力應(yīng)變模型采用ABAQUS所提供的混凝土塑性損傷模型，塑性損傷模型可以很好地反映出混凝土在軸壓過(guò)程中的剛度退化和承載力退化現(xiàn)象。

混凝土抗壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用韓林海[2]的混凝土單軸抗壓應(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式，抗拉本構(gòu)模型采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)[3]中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式。

1.3 接 觸

本文所建立模型接觸主要有混凝土與鋼骨、混凝土與外鋼管之間的接觸?；炷僚c鋼骨、混凝土與外鋼管的接觸法向?yàn)橛步佑|、切向?yàn)椤傲P”接觸，采用此接觸可以很好地模擬鋼管混凝土中鋼管對(duì)混凝土的約束作用。

1.4 邊界條件與加載方式

本文分別在柱頂與柱底設(shè)置參考點(diǎn)耦合其加載截面，并設(shè)置邊界條件及作用力。在柱底約束X、Y、Z方向的位移以及X、Z方向的轉(zhuǎn)角位移，在柱頂約束X、Y方向位移以及Z方向的轉(zhuǎn)角位移防止柱在加載過(guò)程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)。加載方式采用位移加載。

2 分析結(jié)果

2.1 鋼骨-鋼管混凝土短柱軸壓承載力

內(nèi)配不同鋼骨的鋼管混凝土極限軸壓如表1所示，其中鋼管和鋼骨均為Q235鋼材，混凝土采用C60混凝土鋼骨。

表1 模型計(jì)算結(jié)果

由表1可知，當(dāng)鋼管厚度相同時(shí)，內(nèi)配鋼骨可以顯著提高短柱軸壓承載力，內(nèi)配圓鋼管、方鋼管、工字鋼、十字型鋼的構(gòu)件相比沒(méi)有配置鋼骨的構(gòu)件承載力分別提高了27.39%、24.82%、25.18%、25.40%，這主要是因?yàn)閮?nèi)配鋼骨不僅可以提高了構(gòu)件的截面含鋼率、而且鋼骨和鋼管會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生雙重約束力，其中內(nèi)配圓鋼管產(chǎn)生的雙重約束效果最好，內(nèi)配方鋼管的約束效果最差，內(nèi)配工字鋼和十字型鋼的約束效果相差不大，且好于內(nèi)配方鋼管的構(gòu)件。當(dāng)截面含鋼率相同時(shí)，內(nèi)配圓鋼管、方鋼管、工字鋼、十字型鋼相比沒(méi)有配置鋼骨的鋼管混凝土承載力分別降低了0.3%、2.4%、2.0%、2.0%，這主要是因?yàn)楫?dāng)截面含鋼率相同時(shí)，未配置鋼骨的構(gòu)件鋼管厚度明顯大于內(nèi)配鋼骨的構(gòu)件，從而使約束效應(yīng)系數(shù)顯著增大，有研究表明[4]，約束效應(yīng)系數(shù)的增加會(huì)增大鋼管混凝土的軸壓承載力，因此，當(dāng)含鋼率相同時(shí)，約束效應(yīng)系數(shù)較大的SC1構(gòu)件承載力會(huì)略大于其他試件。

2.2 鋼骨-鋼管混凝土軸力應(yīng)變關(guān)系

內(nèi)配不同鋼骨的鋼管混凝土軸力應(yīng)變關(guān)系如圖1所示。

圖1 鋼骨-鋼管混凝土軸力應(yīng)變曲線

由圖1可知，6個(gè)構(gòu)件在加載時(shí)均有明顯的彈性階段-彈塑階段-下降段。配骨指標(biāo)相同時(shí)，內(nèi)配圓鋼管的鋼骨-鋼管混凝土不僅極限承載力高，而且殘余承載力也高于其他構(gòu)件，這主要是由于內(nèi)外圓鋼管的雙重約束不僅使混凝土承載力得到加強(qiáng)，而且鋼管在內(nèi)外混凝土的雙重約束下，可以延緩鼓曲，從而使殘余承載力得到有效提高。內(nèi)配方鋼管的構(gòu)件殘余承載力最差，這主要是因?yàn)榉戒摴軐?duì)混凝土的約束力主要作用在四角，從而使其對(duì)混凝土的約束不能得到充分發(fā)揮，因此，造成了承載力和殘余承載力較低。內(nèi)配工字鋼和十字型鋼的構(gòu)件，極限承載力以及殘余承載力幾乎相同，且都高于內(nèi)配方鋼管的構(gòu)件而低于內(nèi)配圓鋼管的構(gòu)件，這說(shuō)明工字鋼和十字型鋼雖然鋼骨形式不同，但是對(duì)混凝土在鋼管中的約束效果幾乎相同的。

因此，工程中在鋼管混凝土柱內(nèi)配置圓鋼管會(huì)取得較好的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié) 論

1)基于ABAQUS有限元軟件合理考慮單元選擇、本構(gòu)關(guān)系、接觸關(guān)系，以及邊界條件建立了6個(gè)鋼骨-鋼管混凝土模型，并進(jìn)行了非線性分析。

2)當(dāng)鋼管厚度相同時(shí)，在鋼管混凝土柱內(nèi)配置任何形式鋼骨均可以有效提高短柱的軸壓承載力。

3)當(dāng)柱截面含鋼率相同時(shí)，未配置鋼骨的鋼管混凝土極限承載力最高，內(nèi)配圓鋼管的鋼管混凝土承載力略低于未配置鋼骨的鋼管混凝土；內(nèi)配工字鋼和十字型鋼的鋼管混凝土極限承載力接近；內(nèi)配方鋼管的鋼管混凝土極限承載力最差。

4)當(dāng)配骨指標(biāo)相同時(shí)，內(nèi)配圓鋼管的鋼管混凝土殘余承載力最高，未配置鋼骨的鋼管混凝土以及內(nèi)配工字鋼和十字型鋼的鋼管混凝土殘余承載力接近，而內(nèi)配方鋼管的鋼管混凝土殘余承載力最差。因此，在工程中使用內(nèi)配圓鋼管的鋼管混凝土最有經(jīng)濟(jì)性。

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