復式鋼管混凝土軸壓承載力有限元分析

劉永超 王振吉

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司公路養護技術研發中心，遼寧 沈陽 110111)

復式鋼管混凝土軸壓承載力有限元分析

劉永超 王振吉

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司公路養護技術研發中心，遼寧 沈陽 110111)

通過建立有限元分析模型，從空心率、鋼管強度、混凝土強度等方面，分析了影響復式鋼管混凝土軸壓承載力的主要因素，并提出了軸壓承載力計算公式，發現由公式得出的承載力與有限元分析值及試驗值吻合較好。

復式鋼管混凝土，加勁肋，軸壓承載力，有限元分析

外鋼管為方形的中空夾層鋼管混凝土與外鋼管為圓形的中空夾層鋼管混凝土相比具有較大的抗彎剛度，穩定性更好；節點構造更為簡單，便于連接施工，且外形整潔美觀[1]；另一方面，圓鋼管抵抗局部屈曲的能力較強，對混凝土的約束作用比方形鋼管更顯著[2，3]，而外方內圓中空夾層鋼管混凝土同時具備了以上優點，具有廣闊的應用空間。

研究表明，外方內圓中空夾層鋼管混凝土軸壓破壞主要表現為內外鋼管的局部屈曲[4]。鋼管的局部屈曲影響了鋼管與混凝土之間的相互作用及鋼管強度的充分利用。而在內外鋼管之間增設加勁肋能夠有效解決內外鋼管局部屈曲問題，同時構成了一種新型復式鋼管混凝土(截面形式見圖1)。本文通過有限元方法對此種復式鋼管混凝土短柱的軸壓承載力展開研究。

1 有限元分析模型的建立

1.1 材料的本構關系模型

鋼材本構關系采用五階段模型[3]，具體表達式如下：

(1)

鋼材的彈性模量為2.06×106MPa，泊松比為0.3[5]。

混凝土的本構關系模型考慮了鋼管對其產生的套箍效應的影響，具體表達式如下[5]：

(2)

1.2 接觸設置

鋼管與混凝土之間采用共節點接觸模型，計算精度能夠得到保證，而且大大減少了計算量。

1.3 邊界條件及網格劃分

由于軸壓構件的幾何形狀和邊界條件在X，Y，Z三個方向上均對稱，為了節省計算時間，取1/8構件進行建模分析。在與坐標軸的3個方向對應的對稱面上設置相應的對稱邊界條件，并在頂部施加Y方向的軸壓荷載。混凝土和鋼管均采用C3D8R實體單元進行模擬，該類型單元不僅適用于大應變分析，還適用于接觸分析[8]。具體邊界條件及網格劃分情況如圖2所示。

2 軸壓承載力參數影響分析

本節系統研究了空心率、混凝土強度、鋼材強度及鋼管的尺寸對軸壓承載力的影響。

為了研究加勁肋對軸壓承載力的影響，比較了有限元法計算的承載力Nc1與簡單疊加法計算的承載力N0的大小。N0=fcAc+fyiAsi+fysAss+fyoAso，其中，Ac，Ass，Asi及Aso分別為混凝土、加勁肋、內鋼管及外鋼管的橫截面面積；fys，fyi及fyo分別為加勁肋、內鋼管及外鋼管的屈服強度；fc為混凝土的軸心抗壓強度。各參數具體設置情況及承載力計算結果見表1。

表1 軸壓承載力有限元結果與簡單疊加公式計算結果比較

2.1 空心率

圖3給出了空心率對構件軸壓承載力的影響規律。

隨著空心率χ的增大，承載力越來越小，且減小的越來越快，可見空心率對承載力具有很大的影響。因此，在軸壓力較大的情形下構件的空心率不宜過大。

2.2 鋼材強度

圖4給出了內外鋼管和加勁肋強度對承載力的影響。可知，外鋼管的強度對軸壓承載力影響比較顯著，內鋼管和加勁肋的強度對軸壓承載力的影響相對較小。主要是因為外鋼管強度的提高，改善了自身抵抗屈曲變形的能力，改善了構件的變形性能，另外，提高了對混凝土的約束作用，使得混凝土的抗壓強度得到了提高。

2.3 混凝土強度

圖5給出了混凝土強度對承載力的影響情況。

由圖5可見，當混凝土的強度增大時，構件的軸壓承載力幾乎呈線性增加。

2.4 鋼板尺寸

從圖6中可以看到，當含鋼率不斷增加時，構件的承載力也不斷提高。

另外，由表1可知，當外方鋼管、加勁肋寬厚比及內鋼管徑厚比不斷增加時，承載力呈減小的趨勢。且外鋼管的尺寸比加勁肋及內鋼管的尺寸對承載力的影響更為顯著。這是因為減小外鋼管寬厚比改善了自身抵抗屈曲變形的能力，另外，混凝土所受到的套箍效應增強，使得混凝土的抗壓強度得到了提高。

3 軸壓承載力計算公式

當選用同一種鋼材時，簡單疊加承載力變為：

Nc2=fcAc+fyAs

(3)

由表1可知，有限元法計算的承載力明顯比簡單疊加法計算的承載力大，這是因為加勁肋改善了構件的變形性能，增強了對混凝土的套箍效應。本文采用ξ來表征鋼材對混凝土的套箍效應，給出承載力的計算公式[3]，ξ=αfyo/fc，α=Aso/Ac。由于加勁肋的存在，使得混凝土受到的套箍效應增強，故考慮加勁肋對混凝土軸壓強度提高所做的貢獻，即α1=(Aso+Ass)/Ac。本節采用ξ對混凝土強度fc進行了修正，并設混凝土強度的提高系數為η。構件中混凝土強度提高系數η與套箍系數ξ的關系如圖7所示。

混凝土強度提高系數η與套箍系數ξ的擬合曲線方程為：η=0.1ξ+1.054。故本文復式鋼管混凝土軸壓承載力計算公式為：

Nc2=(0.1ξ+1.054)fcAc+fyAs

(4)

圖8給出了式(4)與有限元法計算結果的對比情況。

由圖8可知，Nc2與Nc1和45°等值線靠的非常近，且Nc2/Nc1的均值為0.96，Nc2/Nc1的方差為0.038。說明式(4)能夠準確計算構件的軸壓承載力，具有合理性。

另外，還對比了式(4)計算結果與文獻[9]中的試驗值，如表2所示。

表2 公式計算結果與試驗值的對比

在表2中，試驗結果用Nu表示。通過計算可知，Nc2/Nu的平均值為0.96，Nc2/Nu的方差為0.011，可見二者吻合較好。

4 結論

1)復式鋼管混凝土空心率變大，承載力減小；鋼管強度及混凝土強度變大，承載力增大；鋼管厚度變大，承載力變大。特別地，增加外鋼管的厚度或強度能夠明顯提升承載力。

2)考慮鋼管對混凝土的套箍作用，給出了復式鋼管混凝土短柱軸壓承載力的計算公式，公式計算值與有限元分析結果和試驗結果吻合較好，其具有較好的適用性。

[1] 李寧波.復合鋼管高強混凝土柱抗震性能研究[D].北京:清華大學,2013.

[2] 鐘善桐.鋼管混凝土結構[M].北京:清華大學出版社,2003.

[3] 韓林海.鋼管混凝土結構——理論與實踐[M].北京:科學出版社,2007.

[4] X L ZHAO, R GRZEBIETA. A.Ukur， M.Elchalakani. Tests of Concrete-Filled Double Skin (SHS Outer and CHS Inner) Composite Stub Columns[J].Advances in Steel Structures,2002(5):567-574.

[5] GB 50017—2003,鋼結構設計規范[S].

[6] 劉 威.鋼管混凝土局部受壓時的工作機理研究[D].福州:福州大學,2005.

[7] ACI 318—05，Building code requirements for structural concrete and commentary[S].

[8] 查小雄.空心和實心鋼管混凝土結構[M].北京:科學出版社,2011.

[9] 王志浩,成 戎.復合方鋼管混凝土短柱的軸壓承載力[J].清華大學學報(自然科學版),2005,45(12):1596-1599.

Finite element analysis on axial compression carrying capacity of multibarrel tube-confined concrete

Liu Yongchao Wang Zhenji

(HighwayMaintenanceTechnologyResearchandDevelopmentCenteroftheTrafficPlanningandDesignInstituteCo.,LtdofLiaoningProvince,Shenyang110111,China)

By establishing the finite element analysis model, the paper analyzes the main factors affecting the axial compression carrying capacity of multibarrel tube-confined concrete from the hollow ratio, steel tube strength, and concrete strength, points out the formula for the axial pressure loading capacity, and concludes from the formula that the loading capacity, finite element analysis value and trial value are consistent.

multibarrel tube concrete, rib, axial compression loading capacity, finite element analysis

1009-6825(2017)05-0066-03

2016-12-10

劉永超(1991- )，男，助理工程師； 王振吉(1990- )，男，助理工程師

TU311.4

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