鋼骨—鋼管混凝土柱的偏壓承載力研究

彭立純

鋼骨—鋼管混凝土柱是一種新型的結(jié)構(gòu)組合柱，它是綜合鋼管混凝土和鋼骨混凝土的優(yōu)缺點(diǎn)而提出的一種新模式的重載柱，其截面如圖1所示。在以往鋼骨—鋼管混凝土柱承載力的研究中［1-3］，對(duì)偏壓承載力的研究較少。鑒于此，本文將就鋼骨—鋼管混凝土柱的偏壓承載力進(jìn)行試驗(yàn)研究，同時(shí)用ANSYS對(duì)其承載力進(jìn)行有限元分析。

圖1 鋼骨—鋼管混凝土柱截面形式

1 試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)構(gòu)件參數(shù)如表1所示。

表1 試件設(shè)計(jì)方案表

試驗(yàn)在5000 kN長柱壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。鋼骨及鋼管應(yīng)變片的總體布置情況如圖2所示。

圖2 應(yīng)變片布置圖

試驗(yàn)時(shí)在試件上、下端部各固定了一個(gè)20mm厚夾具以增強(qiáng)試件端部的承壓能力。在試件的上部和下部及對(duì)稱的左右邊分別布置四個(gè)百分表用來測(cè)量試件的軸向變形。偏壓短柱試件的側(cè)向撓度也是采用在試件1/2及1/4高度處布置的百分表來測(cè)量;偏壓長柱的側(cè)向撓度是通過在試件1/2，1/3，1/6高度處對(duì)稱布置的五個(gè)百分表來測(cè)量。

試驗(yàn)采用分級(jí)加載制，彈性范圍每級(jí)荷載為預(yù)計(jì)極限荷載的1/10，當(dāng)鋼管開始屈服后，每級(jí)荷載約為預(yù)計(jì)極限荷載的1/20，每級(jí)荷載的持荷時(shí)間為2 min，接近破壞時(shí)則采用慢速連續(xù)加載，當(dāng)試件變形很大，荷載迅速下降時(shí)終止試驗(yàn)。

2 有限元建模分析

采用ANSYS有限元分析程序，Solid65單元模擬核心混凝土，Solid45單元模擬鋼骨，Shell63單元模擬鋼管壁。建模時(shí)鋼管壁與核心混凝土之間、核心混凝土和型鋼之間采用完全粘結(jié)的形式進(jìn)行簡化模擬。為了準(zhǔn)確模擬偏心加載，在模型組合柱的兩端加鋼板以傳遞偏心力，該鋼板也采用Solid45單元模擬，但是將其彈性模量設(shè)置為一個(gè)較大的數(shù)值，用力模擬板的剛性。底部剛性板的所有節(jié)點(diǎn)施加UX，UY，UZ方向約束，用于模擬鉸接，頂部剛性板節(jié)點(diǎn)上施加UX，UY方向約束，同時(shí)施加Z方向的荷載。

本文在分析過程中，混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用文獻(xiàn)［2］提出的核心混凝土本構(gòu)關(guān)系，鋼管和鋼骨的本構(gòu)關(guān)系采用簡化的理想彈塑性應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其屈服強(qiáng)度值采用試驗(yàn)值。本文采用大位移靜態(tài)分析，設(shè)置最大子步數(shù)為200，并打開自動(dòng)步長選項(xiàng)(AUTOTS，1)，以便根據(jù)需要由系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整子步數(shù)，以獲得精度和代價(jià)之間的良好平衡。當(dāng)不能確信模型能否成功收斂時(shí)，打開自動(dòng)時(shí)間步長選項(xiàng)可以激活A(yù)NSYS的二分法。本文采用力收斂準(zhǔn)則，收斂容差設(shè)為0.01。部分計(jì)算結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 鋼骨Von Mises應(yīng)力云圖

圖4 鋼管Von Mises應(yīng)力云圖

3 承載力結(jié)果分析比較

將鋼骨—鋼管混凝土柱的偏壓試驗(yàn)承載力結(jié)果及ANSYS分析得到的承載力結(jié)果列于表2中。

圖5 混凝土Von Mises應(yīng)力云圖

圖6 組合柱Von Mises應(yīng)力云圖

由表2可以看出，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差均控制在5%以內(nèi)。說明采用本文方法建立的ANSYS模型能夠很好地進(jìn)行鋼骨—鋼管混凝土偏壓柱的極限承載力分析，相對(duì)于試驗(yàn)研究，采用有限元模擬分析能夠很好地節(jié)約人力和物力。

表2 極限承載力試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果比較

4 結(jié)語

1)本文對(duì)鋼骨—鋼管混凝土柱的偏壓承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。2)采用ANSYS有限元軟件，選擇合適的材料本構(gòu)關(guān)系和荷載求解方法，對(duì)鋼骨—鋼管混凝土柱的偏壓承載力進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明本文有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，證明了有限元分析的有效性。

［1］ 王清湘，趙大洲，關(guān) 萍.鋼骨—鋼管高強(qiáng)混凝土軸心組合柱力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2003，24(6):44-50.

［2］ 趙大洲.鋼骨—鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱力學(xué)性能研究［D］.大連:大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2003:1-104.

［3］ 陳寶春，王來永，韓林海.鋼管混凝土偏心受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系模型研究［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2004，17(1):24-28.

［4］ 繆 巍.配筋鋼管混凝土短柱軸心承載力試驗(yàn)研究［J］.山西建筑，2010，36(5):79-80.