史艷莉，張文旭，賈志路，王文達(dá)

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

在建筑工程領(lǐng)域，生命周期設(shè)計(jì)理念是指在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，考慮結(jié)構(gòu)建造和使用等階段的各種有利或不利因素對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，據(jù)此來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程。內(nèi)配型鋼鋼管混凝土是指將型鋼嵌入鋼管內(nèi)部，再澆筑混凝土，形成鋼管、型鋼和混凝土能夠協(xié)同工作的一種組合結(jié)構(gòu)形式?；谏芷诘膬?nèi)配型鋼鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法需綜合考慮結(jié)構(gòu)建造和使用階段的荷載作用效應(yīng)[1]。

目前對(duì)內(nèi)配型鋼鋼管混凝土構(gòu)件生命周期工作機(jī)理的研究鮮有報(bào)道，但對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件生命周期各階段的研究已有較多的成果。在建造階段，鐘善桐等[2-7]對(duì)考慮初應(yīng)力的鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行研究，初應(yīng)力對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件剛度、強(qiáng)度和變形有影響；在使用階段，韓林海等[8-12]對(duì)有長(zhǎng)期荷載作用的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，提出構(gòu)件承載力計(jì)算方法。對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件生命周期的研究也有一些報(bào)道。Li等[13]對(duì)中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件生命周期內(nèi)的力學(xué)性能進(jìn)行初步研究，提出該類構(gòu)件有限元分析方法。Han等[14-15]對(duì)考慮鋼管腐蝕和長(zhǎng)期荷載作用的鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，隨著腐蝕程度和長(zhǎng)期荷載比的增大，構(gòu)件的強(qiáng)度和延性明顯降低。Hou等[16]對(duì)鋼管混凝土柱生命周期內(nèi)的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值研究，考慮初應(yīng)力、長(zhǎng)期荷載和橫向沖擊等作用，得到鋼管混凝土柱在耦合荷載作用下強(qiáng)度退化程度大于單個(gè)荷載作用情況之和。Li等[17]對(duì)鋼管混凝土疊合柱在生命周期內(nèi)的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出該類結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，本文將結(jié)構(gòu)建造階段的初應(yīng)力和使用階段的長(zhǎng)期荷載進(jìn)行耦合，利用ABAQUS建立有限元模型，對(duì)生命周期內(nèi)此類構(gòu)件的變形、強(qiáng)度和剛度等指標(biāo)的變化情況進(jìn)行初步探索，分析了初應(yīng)力系數(shù)、長(zhǎng)期荷載比、鋼管含鋼率和型鋼含鋼率對(duì)構(gòu)件長(zhǎng)期持荷階段的變形-時(shí)間曲線和生命周期過程中荷載-變形曲線的影響，以期為實(shí)際工程提供一定的參考。

1 有限元模型建立及驗(yàn)證

1.1 有限元模型的建立

本文運(yùn)用有限元軟件ABAQUS對(duì)內(nèi)配型鋼矩形鋼管混凝土軸壓短柱生命周期內(nèi)的力學(xué)性能進(jìn)行研究。建模時(shí)，鋼材的本構(gòu)模型采用二次流塑模型；一次加載時(shí)混凝土本構(gòu)模型采用塑性損傷模型[1]；生命周期內(nèi)，混凝土本構(gòu)模型在不同的受力階段是不同的，長(zhǎng)期持荷階段混凝土本構(gòu)模型采用黏彈性模型，利用ABAQUS提供的材料子程序UMAT定義長(zhǎng)期持荷階段混凝土的本構(gòu)模型[18]；長(zhǎng)期持荷后的加載破壞階段采用文獻(xiàn)[1]中的方法對(duì)混凝土本構(gòu)模型進(jìn)行修正，即假設(shè)長(zhǎng)期荷載作用不影響混凝土強(qiáng)度，只對(duì)應(yīng)變有影響。參考ACI 209，長(zhǎng)期荷載作用時(shí)的應(yīng)變?chǔ)舤=[1+φ(t，τ0)]ετ0+εsh，其中，φ為徐變系數(shù)，t為長(zhǎng)期荷載的持荷時(shí)間，τ0為加載齡期，ετ0為短期荷載下的應(yīng)變，εsh為混凝土的收縮應(yīng)變?；炷翍?yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)關(guān)系對(duì)比曲線如圖1所示，其中，σ0為混凝土在徐變開始時(shí)的應(yīng)力，ε0為長(zhǎng)期荷載下的總縱向應(yīng)變，στ0為短期荷載下的應(yīng)力。

建模時(shí)，各部件均采用8節(jié)點(diǎn)完全積分三維實(shí)體單元(C3D8)。鋼管和型鋼與混凝土的界面模型由法向接觸和切向黏結(jié)滑移構(gòu)成：界面切向?yàn)槊婷娼佑|，采用庫(kù)侖摩擦模型，摩擦因數(shù)取為0.25，界面的法向采用硬接觸。鋼管、型鋼和混凝土與加載板之間采用“tie”綁定，即加載板與各部件之間無(wú)相對(duì)滑移。構(gòu)件的簡(jiǎn)化模型如圖2所示，Ux,Uy,Uz分別表示x,y,z三個(gè)方向的約束。

1.2 模型驗(yàn)證

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此類構(gòu)件生命周期的試驗(yàn)研究較少，為了驗(yàn)證上述有限元建模方法的可靠性，對(duì)生命周期內(nèi)各階段的試驗(yàn)進(jìn)行有限元模擬，即對(duì)文獻(xiàn)[4]中2根考慮鋼管初應(yīng)力的方鋼管混凝土軸壓柱、文獻(xiàn)[1]中2根考慮長(zhǎng)期荷載作用的矩形鋼管混凝土軸壓柱和文獻(xiàn)[13]中1根中空夾層鋼管混凝土軸壓柱生命周期的試驗(yàn)進(jìn)行有限元模擬，試件基本參數(shù)如表1所示，其中，D為矩形鋼管橫截面長(zhǎng)邊的外邊長(zhǎng)，B為矩形鋼管橫截面短邊的外邊長(zhǎng)，t為鋼管厚度，L為構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度，fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，fty為鋼管屈服強(qiáng)度，Np為施加在鋼管上的初應(yīng)力，NL為施加的長(zhǎng)期荷載。模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線如圖3所示，其中，um為構(gòu)件中截面撓度。從整體模擬結(jié)果來(lái)看，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明此建模方法正確可靠，可用于有限元分析。由于有限元的計(jì)算過程不能完全反映試驗(yàn)過程，這就有可能導(dǎo)致兩者的結(jié)果存在誤差。圖3(d)，(e)的對(duì)比結(jié)果相對(duì)誤差較大，可能是由于混凝土自身因素導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生徐變變形的程度不同，或進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)試件的邊界條件等因素的影響導(dǎo)致相對(duì)誤差較大。

2 生命周期內(nèi)的工作機(jī)理分析

運(yùn)用有限元軟件ABAQUS對(duì)內(nèi)配型鋼矩形鋼管混凝土軸壓短柱生命周期內(nèi)的力學(xué)性能進(jìn)行研究，典型算例參數(shù)為：矩形鋼管截面D=500 mm，B=400 mm，厚度t=10 mm，型鋼選用I36c，高度H=1 500 mm，鋼管含鋼率αst=0.1，型鋼含鋼率αss=0.05，混凝土強(qiáng)度f(wàn)cu=60 MPa，鋼管屈服強(qiáng)度f(wàn)ty=345 MPa，型鋼屈服強(qiáng)度f(wàn)sy=345 MPa，初應(yīng)力系數(shù)β=0.4，長(zhǎng)期荷載比n=0.4，長(zhǎng)期持荷時(shí)間為3 600 d。

2.1 生命周期內(nèi)的荷載-位移全過程曲線

圖4，5分別為生命周期內(nèi)的荷載-位移全過程曲線和荷載分配曲線，根據(jù)該類構(gòu)件的受力特點(diǎn)，在曲線上取5個(gè)特征點(diǎn)：A點(diǎn)為初應(yīng)力結(jié)束，即開始施加長(zhǎng)期荷載；B點(diǎn)為開始持荷；C點(diǎn)為持荷結(jié)束；D點(diǎn)為構(gòu)件達(dá)到極限承載力；E點(diǎn)為荷載下降到極限荷載的85%。

表1試件基本參數(shù)Tab.1Basic Parameters of Specimens

(1)初應(yīng)力階段(OA段)：此階段采用力加載的方式給空鋼管施加初應(yīng)力，鋼管處于彈性狀態(tài)，曲線呈線性增長(zhǎng)。此時(shí)混凝土和型鋼處于失活狀態(tài)，OA段混凝土和型鋼不承擔(dān)荷載。

(2)長(zhǎng)期荷載階段(AB段)：此階段激活混凝土和型鋼，采用力加載的方式給構(gòu)件施加長(zhǎng)期荷載，鋼管、混凝土和型鋼都承擔(dān)荷載，從圖4可知，此時(shí)構(gòu)件剛度和一次加載構(gòu)件剛度大致相同，由于混凝土和型鋼的貢獻(xiàn)，AB段剛度大于OA段剛度。

(3)持荷階段(BC段)：構(gòu)件進(jìn)行長(zhǎng)期持荷，長(zhǎng)期荷載值不變，應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)，BC段荷載-變形曲線呈水平直線，從圖5可知，此時(shí)混凝土發(fā)生卸載，荷載下降30%左右，因?yàn)樵诔?yīng)力作用下混凝土產(chǎn)生徐變，應(yīng)力降低，混凝土所卸荷載分配給鋼材，此時(shí)鋼材承擔(dān)的荷載持續(xù)增加。

(4)加載破壞階段(CD段)：持荷結(jié)束后，采用位移加載使構(gòu)件達(dá)到極限承載力D點(diǎn)，由圖5可知，構(gòu)件達(dá)到極限承載力之前，鋼材均屈服，混凝土承擔(dān)的荷載繼續(xù)增加，混凝土和組合構(gòu)件同時(shí)達(dá)到極限承載力，與一次加載相比，構(gòu)件承載力變化很小，極限承載力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)84.2%，但此時(shí)構(gòu)件剛度明顯低于一次加載情況，因?yàn)槌鯌?yīng)力和長(zhǎng)期荷載會(huì)改變混凝土和鋼材的受力狀態(tài)。

(5)下降段(DE段)：D點(diǎn)之后，荷載值下降，混凝土應(yīng)力降低，鋼材應(yīng)力略有提高，構(gòu)件變形增大，最終發(fā)生破壞。

2.2 跨中截面各部件縱向應(yīng)力分布

為明確該類構(gòu)件生命周期過程中混凝土和鋼材在各特征點(diǎn)處的受力狀態(tài)，圖6～10給出了圖4各特征點(diǎn)處構(gòu)件跨中截面縱向應(yīng)力分布，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。在初應(yīng)力階段，混凝土和型鋼不參與受力，圖6(a)，(c)中混凝土和型鋼的縱向應(yīng)力為0。由圖6可知，初應(yīng)力階段鋼管有縱向應(yīng)力，混凝土和型鋼無(wú)縱向應(yīng)力，與圖5荷載分配曲線描述情況一致。由圖7，8可知，B點(diǎn)到C點(diǎn)混凝土應(yīng)力減小(主要在型鋼翼緣周圍)，即混凝土發(fā)生卸載，而鋼材應(yīng)力增加，因?yàn)殚L(zhǎng)期荷載階段混凝土有徐變變形，混凝土和鋼材之間發(fā)生內(nèi)力重分布，混凝土卸下的荷載分配給鋼材，此時(shí)混凝土和鋼材應(yīng)力均小于材料極限應(yīng)力。由圖8，9可知，混凝土和鋼材應(yīng)力明顯增大，且達(dá)到材料極限應(yīng)力，三組件均屈服，構(gòu)件到達(dá)極限荷載，型鋼翼緣先于腹板屈服，因?yàn)锽C段由混凝土卸下的荷載分配給翼緣較多，腹板較少，翼緣相對(duì)于腹板承擔(dān)更多的荷載。由圖10可知，極限荷載Nu下降到約0.85Nu時(shí)，構(gòu)件中截面處鋼管和混凝土變形較大，鋼管有側(cè)向鼓曲，混凝土四周區(qū)域的應(yīng)力小于中心區(qū)域，因?yàn)殇摴芎突炷劣忻撻_趨勢(shì)，鋼管對(duì)混凝土的約束作用減弱，混凝土中心區(qū)域應(yīng)力較大，因?yàn)樾弯搶?duì)混凝土有約束作用，導(dǎo)致此處混凝土應(yīng)力較大。

2.3 接觸應(yīng)力對(duì)比

圖11為該類構(gòu)件不同高度處鋼管與混凝土之間相互作用力-應(yīng)變(P-ε)曲線。由圖11可知，2種情況下的相互作用力變化規(guī)律類似，構(gòu)件H/2處相互作用力最大，沿構(gòu)件縱向向兩端減小，因?yàn)槎税搴瓦吔缂s束對(duì)構(gòu)件的約束較強(qiáng)，限制端部的變形，端部變形小，中截面變形大，導(dǎo)致中截面處相互作用力最大。一次加載過程中，構(gòu)件縱向應(yīng)變約為660×10-6時(shí)，構(gòu)件中截面處產(chǎn)生相互作用力，生命周期過程中，構(gòu)件縱向應(yīng)變約為2 400×10-6時(shí)，構(gòu)件中截面處產(chǎn)生相互作用力。因?yàn)樯芷谶^程中的初應(yīng)力階段先給鋼管施加初應(yīng)力，鋼管產(chǎn)生變形，混凝土不參與受力，且混凝土泊松比小于鋼材，鋼管橫向變形能力大于混凝土，鋼管與混凝土之間有脫開趨勢(shì)，當(dāng)構(gòu)件的變形達(dá)到一定程度，混凝土橫向變形能力大于鋼管時(shí)，鋼管與混凝土之間才會(huì)產(chǎn)生相互作用力，所以在生命周期過程中，鋼管與混凝土之間產(chǎn)生相互作用力的時(shí)間晚于一次加載的情況。

2.4 鋼材與混凝土之間的接觸應(yīng)力

圖12為該類構(gòu)件生命周期內(nèi)鋼材與混凝土在各特征點(diǎn)處的接觸應(yīng)力云圖，在長(zhǎng)期持荷階段，鋼管與混凝土之間并沒有接觸應(yīng)力的產(chǎn)生，所以圖12(a)，(b)中鋼管與混凝土之間的接觸應(yīng)力為0。初應(yīng)力階段鋼材與混凝土之間無(wú)接觸應(yīng)力，此時(shí)鋼管承擔(dān)初應(yīng)力，混凝土和型鋼未受力。由圖12(a)，(b)可知：長(zhǎng)期持荷結(jié)束之前，鋼管與混凝土無(wú)接觸應(yīng)力，因?yàn)榇藭r(shí)鋼管橫向變形能力大于混凝土，鋼管與混凝土有脫開趨勢(shì)；由B點(diǎn)到C點(diǎn)，型鋼與混凝土的接觸應(yīng)力減小，可能由持荷時(shí)混凝土的徐變引起。由圖12(c)可知，鋼管與混凝土在構(gòu)件角部產(chǎn)生接觸應(yīng)力，型鋼與混凝土的接觸應(yīng)力增大。由圖12(d)可知，鋼材與混凝土的接觸應(yīng)力從構(gòu)件端部向跨中增大，因?yàn)闃?gòu)件達(dá)到極限承載力之后，構(gòu)件端部受到端板和外部的約束，端部變形小，跨中區(qū)域變形大，且此時(shí)混凝土橫向變形能力大于鋼材，但混凝土的橫向變形又受到鋼材的制約，所以鋼材與混凝土的接觸應(yīng)力會(huì)增大。

2.5 生命周期內(nèi)的承載力對(duì)比

表2為典型算例的該類構(gòu)件生命周期內(nèi)的承載力對(duì)比結(jié)果，其中，Nu0為軸壓柱一次加載時(shí)的極限承載力，Nu為軸壓柱各工況下的極限承載力。與一次加載相比，構(gòu)件在各工況下極限承載力的變化不大，但極限承載力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變變化較大。

圖13為各荷載工況下構(gòu)件達(dá)到極限承載力時(shí)混凝土、鋼管和型鋼對(duì)構(gòu)件極限承載力的貢獻(xiàn)比例。由圖13可知：一次加載時(shí)三部件對(duì)承載力的貢獻(xiàn)比例分別為49.6%，33.3%，17.1%；考慮初應(yīng)力時(shí)三部件的貢獻(xiàn)比例分別為48.2%，34.4%，17.4%；考慮長(zhǎng)期荷載時(shí)三部件的貢獻(xiàn)比例分別為49.6%，生命周期。

表2極限承載力對(duì)比Tab.2Comparison of Ultimate Bearing Capacity

注：R表示一次加載；P表示初應(yīng)力；L表示長(zhǎng)期荷載；P+L表示

33.1%，17.3%；考慮生命周期時(shí)三部件的貢獻(xiàn)比例分別為48.7%，33.7%，17.6%。

3 參數(shù)分析

對(duì)影響該類構(gòu)件生命周期內(nèi)的荷載-變形曲線和變形-時(shí)間曲線的參數(shù)進(jìn)行分析，模型仍采用典型算例模型。分析的主要參數(shù)為初應(yīng)力系數(shù)β、長(zhǎng)期荷載比n、鋼管含鋼率αst和型鋼含鋼率αss。

3.1 初應(yīng)力系數(shù)

圖14為初應(yīng)力系數(shù)對(duì)變形-時(shí)間曲線和荷載-變形曲線的影響，n為0.4，β為0～0.6。由圖14(a)可知，不同初應(yīng)力系數(shù)對(duì)構(gòu)件持荷階段的變形-時(shí)間曲線影響較大，變形隨著初應(yīng)力系數(shù)的增大而增大。由圖14(b)可知，不同初應(yīng)力系數(shù)對(duì)荷載-變形曲線影響較小。

3.2 長(zhǎng)期荷載比

圖15為長(zhǎng)期荷載比對(duì)變形-時(shí)間曲線和荷載-變形曲線的影響，β為0.4，n為0～0.6。當(dāng)n為0時(shí)，構(gòu)件無(wú)持荷階段，所以無(wú)變形-時(shí)間曲線。由圖15(a)可知，長(zhǎng)期荷載比對(duì)構(gòu)件持荷階段的變形-時(shí)間曲線影響較大，變形隨著長(zhǎng)期荷載比的增大而增大。由圖15(b)可知，長(zhǎng)期荷載比對(duì)荷載-變形曲線影響較小，與n為0時(shí)相比，構(gòu)件承載力平均提高2.6%，極限承載力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變平均增長(zhǎng)66.3%。

3.3 鋼管含鋼率

圖16為鋼管含鋼率對(duì)變形-時(shí)間曲線和荷載-變形曲線的影響，β和n均為0.4，假定鋼管截面不變，改變鋼管厚度，使αst為0.05～0.20。由圖16(a)可知，鋼管含鋼率對(duì)持荷階段的變形影響較大，變形隨著鋼管含鋼率增大而減小，在長(zhǎng)期持荷階段，混凝土比鋼管更容易受到長(zhǎng)期荷載的影響，隨著鋼管含鋼率增大，橫截面混凝土的比重減小，導(dǎo)致構(gòu)件變形減小。由圖16(b)可知，鋼管含鋼率對(duì)荷載-變形曲線影響較大，隨著鋼管含鋼率的增大，構(gòu)件承載力顯著增強(qiáng)，原因是鋼管越厚，對(duì)混凝土的約束作用越強(qiáng)。

3.4 型鋼含鋼率

圖17為型鋼含鋼率對(duì)變形-時(shí)間曲線和荷載-變形曲線的影響，β和n均為0.4，αss為0.03～0.09。由圖17(a)可知，型鋼含鋼率對(duì)構(gòu)件持荷階段的變形影響不明顯。由圖17(b)可知，型鋼含鋼率對(duì)構(gòu)件荷載-變形曲線影響較大，隨著型鋼含鋼率的增大，構(gòu)件極限承載力顯著增強(qiáng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)內(nèi)配型鋼矩形鋼管混凝土軸壓短柱生命周期內(nèi)的極限承載力與一次加載相比變化不明顯，極限承載力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)84.2%；在生命周期過程中的長(zhǎng)期持荷階段，混凝土發(fā)生卸載，其承擔(dān)的荷載約下降30%，鋼管和型鋼承擔(dān)了混凝土卸下的荷載。

(2)生命周期內(nèi)，內(nèi)配型鋼矩形鋼管混凝土軸壓短柱中型鋼與混凝土之間的接觸應(yīng)力比鋼管與混凝土之間的接觸應(yīng)力出現(xiàn)早；接觸應(yīng)力在跨中截面處最大，沿構(gòu)件縱向向兩端逐漸減小。

(3)參數(shù)分析表明：在生命周期內(nèi)，初應(yīng)力系數(shù)和長(zhǎng)期荷載比對(duì)該類構(gòu)件承載力影響較?。讳摴芎托弯摵撀蕦?duì)該類構(gòu)件承載力影響較大，增加含鋼率可以顯著提高構(gòu)件承載力；初應(yīng)力系數(shù)、長(zhǎng)期荷載比和鋼管含鋼率對(duì)構(gòu)件長(zhǎng)期持荷階段變形影響較大，而型鋼含鋼率對(duì)變形影響不明顯。