李德山，池思源，王志濱

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350116)

圓端形鋼管混凝土柱偏壓力學(xué)性能研究

李德山，池思源，王志濱

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350116)

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)圓端形鋼管混凝土壓彎構(gòu)件進(jìn)行工作機(jī)理及參數(shù)分析，研究結(jié)果表明：在偏壓狀態(tài)下，圓端形鋼管混凝土具有較高的承載力和較好的延性；鋼管能對(duì)核心混凝土提供有效的約束，約束效果主要集中在圓弧段；圓端形鋼管混凝土偏壓承載力隨著鋼管強(qiáng)度、含鋼率的提高而提高；隨著核心混凝土強(qiáng)度提高，構(gòu)件承載力增大，延性降低；隨著長(zhǎng)細(xì)比增大，構(gòu)件承載力降低；截面高寬比對(duì)構(gòu)件偏壓承載力影響較小，隨著截面高寬比增大，構(gòu)件延性有降低的趨勢(shì).

圓端形；鋼管混凝土柱；壓彎；有限元分析

0 引言

圓端形鋼管混凝土是由中部矩形截面和兩端半圓形截面組合而成的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，具有承載力高、抗震性能良好以及施工方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)這種截面形式橫向剛度大、造型美觀，在城市人行天橋、高架橋以及高速重載鐵路橋中具有良好的應(yīng)用前景[1-2].目前圓端形鋼管混凝土已經(jīng)在武漢市后湖斜拉橋主塔、廈門市杏林灣路段平臺(tái)邊墩、深圳市機(jī)荷高速公路拱橋等工程中得到應(yīng)用[3].

關(guān)于圓端形鋼管混凝土力學(xué)性能，一些學(xué)者開展了試驗(yàn)研究和理論分析.王志濱等[3]進(jìn)行了17個(gè)圓端形鋼管混凝土短柱的軸壓試驗(yàn)，研究了截面高寬比、含鋼率以及不同構(gòu)造措施對(duì)短柱軸壓力學(xué)性能影響規(guī)律.謝恩普等[4]采用ABAQUS有限元軟件對(duì)圓端形鋼管混凝土軸壓短柱進(jìn)行機(jī)理分析及參數(shù)分析.謝建雄等[5]對(duì)圓端形微膨脹鋼管混凝土雙肢柱力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬.谷利雄等[6]進(jìn)行了10個(gè)圓端形鋼管混凝土短柱軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究，并進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬.王二磊[7]進(jìn)行了圓端形鋼管混凝土柱軸壓及偏壓試驗(yàn)，并且進(jìn)行了相應(yīng)的有限元分析.從目前研究情況來看，主要集中在圓端形鋼管混凝土短柱力學(xué)性能研究，關(guān)于長(zhǎng)柱壓彎力學(xué)性能試驗(yàn)研究及工作機(jī)理分析相關(guān)報(bào)道比較少，因此有必要對(duì)該類結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)一步開展深入研究，以便為工程實(shí)踐提供參考.本文采用ABAQUS有限元軟件，建立圓端形鋼管混凝土有限元模型，分析長(zhǎng)柱在偏心荷載作用下力學(xué)性能以及工作機(jī)理，并進(jìn)行參數(shù)分析，探討各主要參數(shù)對(duì)長(zhǎng)柱壓彎力學(xué)性能的影響規(guī)律.

1 有限元模型的建立

圓端形鋼管混凝土截面示意見圖1，其中H、B為圓端形鋼管截面的邊長(zhǎng)，t為鋼管厚度.圓端形鋼管混凝土短柱有限元模型見圖2.鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用文獻(xiàn)[1]建議的二次塑流五段線模型.核心混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用文獻(xiàn)[1]建議的方、矩形鋼管混凝土本構(gòu)模型，該模型數(shù)學(xué)表達(dá)式見公式(1)，對(duì)于圓端形鋼管混凝土，實(shí)際使用時(shí)根據(jù)約束效應(yīng)系數(shù)相等的原則進(jìn)行換算.核心混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用文獻(xiàn)[8]建議的本構(gòu)模型.ABAQUS有限元模型中，鋼管與混凝土界面法線方向采用硬接觸模擬，切向接觸行為采用庫倫摩擦模型，摩擦系數(shù)取為0.6.鋼管采用S4R單元模擬，混凝土采用 C3D8R單元模擬.將構(gòu)件端部與參考點(diǎn)進(jìn)行自由度耦合，在參考點(diǎn)上施加軸壓荷載，采用位移加載方式進(jìn)行計(jì)算.

為了驗(yàn)證有限元模型的適用性以及計(jì)算精度，本文對(duì)文獻(xiàn)[3]構(gòu)件RCFST-1和構(gòu)件RCFST-2以及文獻(xiàn)[6]構(gòu)件CFRT4-A進(jìn)行數(shù)值模擬.在構(gòu)件繞截面弱軸方向，取L/1 000作為初始偏心，以考慮初始缺陷對(duì)構(gòu)件承載力的影響.各構(gòu)件荷載(N)-軸向應(yīng)變(ε)關(guān)系曲線對(duì)比見圖3，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體吻合良好，這為圓端形鋼管混凝土長(zhǎng)柱工作機(jī)理分析以及參數(shù)分析提供了良好的基礎(chǔ).

圖1 圓端形鋼管混凝土橫截面示意圖Fig.1 Cross section of round-end CFST

圖2 短柱有限元模型Fig.2 Finite element model of short column

圖3 荷載(N)-軸向應(yīng)變(ε)關(guān)系曲線Fig.3 Load(N) and axial strain(ε) curves

2 工作機(jī)理分析

圓端形鋼管混凝土偏壓長(zhǎng)柱典型算例各參數(shù)為：截面高度H=800 mm，截面寬度B=400 mm，高寬比H/B=2，構(gòu)件長(zhǎng)度L=6 000 mm，構(gòu)件繞強(qiáng)軸長(zhǎng)細(xì)比λ=28.5，荷載繞強(qiáng)軸偏心距e=200 mm，偏心率e/r=0.5，其中r=H/2，鋼管強(qiáng)度等級(jí)為Q345，鋼管厚度t=14 mm，截面含鋼率α=0.11，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60.

圓端形鋼管混凝土長(zhǎng)柱有限元模型見圖4.首先將構(gòu)件端部與參考點(diǎn)進(jìn)行自由度耦合，在參考點(diǎn)上施加偏心荷載；構(gòu)件兩端邊界為鉸接，一端放松繞強(qiáng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，約束其它自由度；另一端放松軸向平動(dòng)自由度及繞強(qiáng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，約束其它自由度，計(jì)算全過程采用位移加載.為了方便比較，還設(shè)計(jì)圓鋼管混凝土和矩形鋼管混凝土算例，以上三者的橫截面面積、含鋼率、長(zhǎng)度、強(qiáng)度均相同，矩形截面構(gòu)件和圓端形截面構(gòu)件的截面高寬比相同.

三個(gè)典型算例的荷載(N)-跨中撓度(um)對(duì)比曲線見圖5.可得出如下規(guī)律：(1)圓端形鋼管混凝土偏壓承載力和矩形截面較接近，高于圓形鋼管混凝土構(gòu)件，原因是前兩種構(gòu)件的截面慣性矩較大；(2)三個(gè)構(gòu)件的延性由高到低的順序?yàn)閳A形構(gòu)件、圓端形構(gòu)件和矩形構(gòu)件，原因是前兩種構(gòu)件的核心混凝土受到的約束力更強(qiáng)，且鋼管的局部穩(wěn)定性更好.

圖4 長(zhǎng)柱有限元模型Fig.4 Finite element model of long column

圖5 荷載(N)-跨中撓度(um)關(guān)系曲線Fig.5 Load(N) and deflection(um) curves

峰值荷載作用時(shí)圓端形鋼管混凝土跨中截面混凝土的縱向應(yīng)力云圖見圖6.混凝土最大縱向應(yīng)力出現(xiàn)在受壓區(qū)圓弧段區(qū)域，該數(shù)值大于混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，說明鋼管對(duì)核心混凝土提供了有效的約束.圓端形鋼管混凝土破壞時(shí)鋼管Mises應(yīng)力云圖見圖7，由圖可知，構(gòu)件破壞時(shí)鋼管沒有出現(xiàn)明顯的局部屈曲現(xiàn)象，說明鋼管在核心混凝土的支撐作用下，局部穩(wěn)定性得到提高，構(gòu)件跨中區(qū)域鋼管塑性變形較明顯，最終形成塑性鉸破壞，鋼管混凝土柱表現(xiàn)出較好的塑性和穩(wěn)定性.

圖6 峰值荷載作用時(shí)混凝土縱向應(yīng)力Fig.6 Concrete longitudinal stress at peak load

圖7 構(gòu)件破壞時(shí)鋼管Mises應(yīng)力Fig.7 Mises stress of tube at failure moment

圓端形鋼管混凝土跨中截面特征點(diǎn)鋼管對(duì)核心混凝土的約束力(p)-跨中截面撓度(um)關(guān)系曲線見圖8，其中A特征點(diǎn)位于構(gòu)件受壓區(qū)，D特征點(diǎn)位于構(gòu)件受拉區(qū)，由圖可知，圓端形鋼管混凝土截面受拉區(qū)和受壓區(qū)的鋼管與內(nèi)部混凝土之間均存在約束作用，截面圓弧段接觸應(yīng)力數(shù)值較大，說明構(gòu)件圓弧段約束效果大于中部平直段.圓端形鋼管混凝土壓彎構(gòu)件不同高度處受壓區(qū)鋼管對(duì)核心混凝土的約束力(p)-跨中截面撓度(um)關(guān)系曲線見圖9，由圖可知，受壓區(qū)跨中截面處的約束力較大，隨著離跨中截面距離的增加，相互作用約束力逐漸減小.

圖8 跨中截面p-um曲線Fig.8 p and um curves at mid-span section

圖9 受壓區(qū)不同高度處p-um曲線Fig.9 p and um curves at different height of compressive zone

3 參數(shù)分析

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)圓端形鋼管混凝土壓彎長(zhǎng)柱進(jìn)行參數(shù)分析，探討各主要參數(shù)對(duì)構(gòu)件N-um曲線影響規(guī)律，參數(shù)分析以上文給出的典型算例模型為基礎(chǔ).參數(shù)分析對(duì)比曲線見圖10.

圖10 參數(shù)分析Fig.10 Parameter analysis

由參數(shù)分析計(jì)算結(jié)果可知：(1)圓端形鋼管混凝土偏壓承載力隨著鋼管強(qiáng)度、含鋼率的提高而提高；鋼管強(qiáng)度等級(jí)由Q235提高到Q345，構(gòu)件偏壓承載力提高了31%；截面含鋼率由0.05增加到0.15，構(gòu)件偏壓承載力提高了67%，并且曲線彈性階段剛度也隨含鋼率的提高而逐漸增大.(2)混凝土強(qiáng)度越高，構(gòu)件承載力越大；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C40提高到C80，構(gòu)件偏壓承載力提高了37%，但N-um曲線下降段變陡，構(gòu)件延性降低，原因是因?yàn)榛炷岭S著強(qiáng)度提高脆性增大.(3)隨著長(zhǎng)細(xì)比增大，構(gòu)件承載力及剛度均降低，但曲線下降段趨平緩，構(gòu)件延性提高.(4)保持橫截面面積及含鋼率不變，改變截面高寬比，對(duì)比N-um曲線可知，截面高寬比對(duì)圓端形鋼管混凝土構(gòu)件偏壓承載力影響較小，隨著截面高寬比增大，構(gòu)件延性有降低的趨勢(shì).(5)在本算例偏心距范圍內(nèi)，構(gòu)件偏壓承載力和剛度隨著荷載偏心距的增大而降低，偏心率較大的構(gòu)件在達(dá)到峰值荷載后較偏心率較小的構(gòu)件曲線下降段更加平緩.

4 結(jié)語

1) 圓端形鋼管混凝土具有較高的承載力和較好的延性，鋼管能對(duì)核心混凝土提供有效約束，約束效果主要集中在圓弧段，受壓區(qū)跨中截面處的約束力較大，隨著離跨中截面距離的增加，相互作用約束力逐漸減小.

2) 壓彎受力狀態(tài)下，構(gòu)件破壞時(shí)鋼管沒有明顯的局部屈曲現(xiàn)象，說明鋼管在核心混凝土的支撐作用下，局部穩(wěn)定性得到提高，構(gòu)件跨中區(qū)域鋼管塑性變形較明顯，最終形成塑性鉸破壞，鋼管混凝土柱表現(xiàn)出較好的塑性和穩(wěn)定性.

3) 圓端形鋼管混凝土偏壓承載力隨著鋼管強(qiáng)度、含鋼率的提高而提高；隨著核心混凝土強(qiáng)度提高，構(gòu)件承載力增大，延性降低；隨著長(zhǎng)細(xì)比增大，構(gòu)件承載力降低；截面高寬比對(duì)構(gòu)件偏壓承載力影響較小，隨著截面高寬比增大，構(gòu)件延性有降低的趨勢(shì)；在本算例偏心距范圍內(nèi)，構(gòu)件偏壓承載力隨著荷載偏心距的增大而降低，偏心率較大的構(gòu)件在達(dá)到峰值荷載后較偏心率較小的構(gòu)件曲線下降段更加平緩.

[1] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu):理論與實(shí)踐 [M].2版.北京:科學(xué)出版社，2007.

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(責(zé)任編輯：蔣培玉)

Mechanical behavior of round-end concrete-filled steel tubular columns under eccentric load

LI Deshan，CHI Siyuan，WANG Zhibin

(College of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350116，China)

Based on the finite element software ABAQUS, the mechanism and parameter analysis of round-end concrete filled steel tubular columns were carried out.The research results show that, the round-end concrete filled steel tubular columns have high bearing capacity and good ductility under eccentric load.The steel tube can provide effective confinement to core concrete, and the confinement effect is mainly concentrated in the circular section.The bearing capacity increased with the increasing of the strength of the steel tube or the steel contains ratio.As the strength of core concrete increasing, the bearing capacity was improved and ductility decreased.With slenderness ratio increasing, the bearing capacity was decreased.Height to width ratio has moderate effect on the eccentric bearing capacity of columns, the ductility of columns reduced with the increasing of height to width ratio.

round-end；concrete-filled steel tubular columns；compression and bending；finite element analysis

2015-04-21

王志濱(1979-)，博士，副教授，主要從事鋼與組合結(jié)構(gòu)研究，wangzhibin@fzu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308124)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0538

1000-2243(2016)04-0538-05

TU398

A