魏 華，孫斯紋

（沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

鋼管混凝土具有套箍混凝土的強(qiáng)度高、重量輕、塑性好、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)[1],但鋼管極易發(fā)生局部屈曲，降低結(jié)構(gòu)的承載能力，為此,國內(nèi)外研究者先后提出一些抵消這種影響的構(gòu)造措施,主要包括設(shè)置縱向加勁肋、采用約束拉桿和角部隅撐這三種方法[2],其中設(shè)置縱向加勁肋的方法制作的構(gòu)件較少,加勁肋和鋼管焊在一起,整體性好,有利于提高鋼管和混凝土的共同工作性能,同時(shí)還有利于提高構(gòu)件的抗火性能[3]。國內(nèi)外研究者對帶肋薄壁方鋼管混凝土短柱已進(jìn)行了不少試驗(yàn)研究和理論分析[2-5],而對于帶縱肋圓鋼管壓彎的研究鮮有報(bào)道?；诖?，本文分析了混凝土強(qiáng)度、鋼管徑厚比、加強(qiáng)肋的設(shè)置等參數(shù)對帶肋圓形鋼管混凝土短柱力學(xué)性能的影響，為圓形帶縱肋鋼管混凝土短柱的應(yīng)用提供參考。

1 本構(gòu)模型

1.1 鋼材

本文選用等向混合強(qiáng)化模型，鋼材的本構(gòu)關(guān)系選為二次塑流模型。

1.2 核心混凝土

本文采用的核心混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線是在韓林海研究的基礎(chǔ)上，由劉威提出的應(yīng)力-應(yīng)變模型。

2 有限元模型建立

2.1 單元選取及網(wǎng)格劃分

本文在建立模型的過程中，鋼管、縱肋、核心混凝土均采用C3D8R 單元 ，即8 節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元。鋼材彈性模量取206000MPa，泊松比取0.3。

2.2 接觸設(shè)置

鋼管和混凝土法向作用采用硬接觸，混凝土為主面，鋼管為從面，切向作用采用常用的庫倫摩擦模型，且摩擦系數(shù)選為0.6；加勁肋和鋼管為焊接，在ABAQUS 有限元模擬中定義為綁定約束。

2.3 邊界條件及加載方式

本文采用了柱端加載的加載方式，加載分為兩個(gè)步驟，第一步首先在柱端耦合參考點(diǎn)加載柱端軸力，第二步在柱端加載水平位移。其中柱端為完全自由，柱底部采用固端約束。

2.4 模型信息

本文建立的模型直徑均為150mm，加勁肋均是截面尺寸為5mm*30mm 的鋼板，加勁肋鋼板強(qiáng)度為Q345，截面尺寸示意圖如圖4所示，其余各參數(shù)如表1 所示。

圖4 帶肋構(gòu)件截面尺寸示意圖

3 模型計(jì)算結(jié)果

本文利用 ABAQUS 軟件建立13 個(gè)短柱模型，通過改變鋼材強(qiáng)度、長細(xì)比、徑厚比等參數(shù)，分析了各參數(shù)變化對帶縱肋圓鋼管短柱骨架曲線、剛度退化以及強(qiáng)度退化、延性等力學(xué)性能的影響。

3.1 是否帶肋的影響

本節(jié)通過研究構(gòu)件是否帶肋對各項(xiàng)指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)縱向肋的增加使得構(gòu)件剛度退化加快、延性系數(shù)提高，構(gòu)件變形能力得到明顯改善。

3.2 混凝土強(qiáng)度的影響

當(dāng)混凝土強(qiáng)度增大時(shí)，有利于抑制構(gòu)件的剛度退化。延性系數(shù)對比可見隨著混凝土強(qiáng)度的增大，構(gòu)件的延性系數(shù)略有浮動(dòng)，其中混凝土強(qiáng)度為C50 時(shí)構(gòu)件延性系數(shù)最大，構(gòu)件變形能力最好。

3.3 鋼管強(qiáng)度的影響

當(dāng)鋼管強(qiáng)度提高時(shí)，構(gòu)件極限承載力有明顯提高，但剛度退化影響不大。構(gòu)件的延性系數(shù)略有增大，其中鋼管強(qiáng)度為Q345 時(shí)構(gòu)件延性系數(shù)最大，構(gòu)件變形能力最好。

3.4 長細(xì)比的影響

增大長細(xì)比使得構(gòu)件的極限承載力大幅降低，且有利于抑制構(gòu)件的剛度退化。隨著長細(xì)比的增大，構(gòu)件的延性系數(shù)大幅下降，說明長細(xì)比增大不利于改善構(gòu)件變形能力。

3.5 徑厚比的影響

增大徑厚比使得構(gòu)件的極限承載力略有降低，證明徑厚比對構(gòu)件承載能力有較大影響。徑厚比的增大有利于抑制帶縱肋短柱構(gòu)件剛度退化且影響較明顯。隨著徑厚比的增大，構(gòu)件的延性系數(shù)略有浮動(dòng)，其中徑厚比為25時(shí)構(gòu)件延性最好，但徑厚比為21.4 時(shí)承載力最高，說明在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各因素，不可盲目追求一方的最大化。

4 結(jié)論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

帶縱向肋圓鋼管混凝土短柱較不帶肋時(shí)承載力明顯增大，一定程度改善構(gòu)件的延性，但不利于改善構(gòu)件剛度。

加載角度對構(gòu)件的承載力、剛度退化影響并不明顯，但當(dāng)加載角度與肋呈45°時(shí)構(gòu)件的延性系數(shù)與極限承載力均最優(yōu)。

混凝土強(qiáng)度對構(gòu)件的承載力、剛度退化以及延性影響不大。

鋼管強(qiáng)度的提高對構(gòu)件的剛度影響并不明顯，當(dāng)鋼管強(qiáng)度從Q235 提高到Q345 時(shí)，構(gòu)件承載力與延性系數(shù)都得到明顯提高，但當(dāng)鋼管強(qiáng)度由Q345 提高到Q460 時(shí)構(gòu)件承載力得到提高而延性較Q345 鋼略低，說明在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合需求適當(dāng)提高鋼管強(qiáng)度。

長細(xì)比的降低對構(gòu)件承載力的增大和抑制剛度退化以及提高變形能力均有積極影響。

鋼管厚度的增加使構(gòu)件的承載力有所提高，但加速了剛度退化。當(dāng)鋼管厚度為6mm時(shí)構(gòu)件的變形能力最強(qiáng)。