方鋼管混凝土粘結滑移性能有限元分析

陳海濤 宋偉杰 鄧美旭 杜貽騰 李彥志 楊紅燕

(1山東省土木工程防災減災重點實驗室（山東科技大學）；2山東科技大學土木工程與建筑學院）

方鋼管混凝土粘結滑移性能有限元分析

陳海濤1,2宋偉杰1,2鄧美旭1,2杜貽騰1,2李彥志1,2楊紅燕1,2

(1山東省土木工程防災減災重點實驗室（山東科技大學）；2山東科技大學土木工程與建筑學院）

為研究方鋼管混凝土的粘結滑移性能通過ANSYS有限元軟件對4根方鋼管混凝土試件進行推出試驗的模擬分析，研究了試件的荷載-滑移（P-S）曲線及混凝土強度、長細比及鋼管內表面是否除銹對界面粘結強度的影響關系，研究結果表明：方鋼管混凝土典型的荷載-滑移曲線隨著試件長細比的增加逐漸由拐點變為明顯的峰值點；隨著長細比的增大界面粘結強度逐漸增大；核心受壓混凝土強度等級在C40以后，界面粘結強度逐漸增大；鋼管內表面銹蝕等級為B級時比鋼管內表面除銹的鋼管混凝土粘結強度要高兩倍多。

方鋼管混凝土；推出試驗；粘結滑移；粘結強度

0 前言

近些年來，方鋼管與混凝土之間的界面滑移逐漸成了眾多學者關心的問題，方鋼管與混凝土能共同工作的基礎是兩者之間有可靠的粘結[1-3]。鋼管混凝土組合結構在工程中的應用已經非常廣泛，其理論分析和試驗研究都取得了顯著成果，但仍有關于鋼管混凝土粘結滑移方面的許多問題研究的不夠深入或者亟待解決[1]。較早的研究中大都是假定鋼管與混凝土之間沒有相對滑移，但由于兩種材料特性有差別，粘結作用是有極限的。隨著施加的荷載加大，逐漸地把鋼管混凝土界面的粘結作用突破，界面之間發生滑移。鋼管混凝土柱的力學性能會因為界面之間滑移的產生而受到影響，鋼管與混凝土之間的粘結作用主要由三部分構成：鋼管壁與核心混凝土之間的化學膠結力、摩擦力、機械咬合力[4]。鋼管混凝土粘結滑移性能試驗結果離散性較大、影響因素復雜多樣，某些研究成果還存在分歧[3,5]。

1 有限元模型建立

1.1 試件設計

本文設計了4個試件進行有限元模擬，其中CFST10試件的鋼管內壁的除銹等級為St2，其他試件鋼管內壁銹蝕等級為B級。鋼管的橫截面寬度均為150mm，鋼管厚度均為5mm。試件CFST1、CFST2、CFST3的鋼管內壁均進行人工除銹，鋼管長度分別為400mm、600mm、800mm,混凝土強度分別為C30、C40、C50，此外CFST4試件的相關參數與CFST2相同，但CFST4試件的鋼管內壁未進行除銹，銹蝕度為B級，為了減少計算量，采用試件的1/4建模。

1.2 本構模型

采用Solid65單元模擬混凝土，混凝土彈性模量為3.31×104，立方體抗壓強度為42.18MPa，泊松比為0.167。張開裂縫的剪力傳遞系數為0.5，單軸抗拉強度為3.04MPa，閉合裂縫的剪力傳遞系數為 0.9，將壓碎選項關閉，使分析計算的結果相對容易收斂。鋼管采用塊體Solid45單元，采用接觸單元來模擬鋼管與混凝土接觸面之間的粘結和滑移，選用接觸對Targe170與 Contal73單元。鋼管混凝土中采用面—面接觸模擬鋼管內壁與混凝土的接觸。彈性模量根據混凝土棱柱體試塊的試驗值選取，由于混凝土與鋼管共同作用，核心混凝土的本構模型是選取韓林海教授[6]所建議的。

1.3 模擬方法

本計算分析模型中最小單元尺寸不小于 2cm，可以有效的避免應力集中帶來的問題，同時考慮要得到計算精度和收斂速度的合理性，將計算分析模型中的單元尺寸全部取為2cm。

在進行邊界加載時，要盡量保證與試驗構件的約束情況、加載裝置一致。在試驗中試件的端部沒有蓋板，因此柱端橫截面處的平面自由度不能假定為固接。分析模型中柱的下端只約束鋼管的豎向自由度，在柱頂端只在混凝土頂面施加軸向荷載。

采用直接求解法對鋼管混凝土有限元模型中的函數方程進行求解，為了模型能夠收斂，采取了以下幾個措施：使用牛頓—拉普森平衡迭代法則，將非線性迭代誤差控制在某個容許的范圍內，確定以力為基礎的收斂準則，容許誤差控制在2%以內，平衡迭代次數最大為25，將自動時間步長及線性搜索選項選中[7]。

2 模擬結果及分析

2.1 荷載滑移曲線

有限元計算可得各試件的荷載-滑移（P-S）曲線，由各試件曲線的相關數據可知：鋼管混凝土達到破壞的極限粘結荷載之前，荷載-滑移（P-S）曲線呈線性關系，荷載-滑移（P-S）曲線發展緩慢，滑移量較小，當荷載越過極限滑移荷載后，曲線呈現明顯的非線性變化，速度非常快。當外荷載P增加到極限荷載值的10%左右鋼管混凝土界面產生明顯滑移，當接近粘結破壞荷載時，P-S曲線出現不同的情況，一種是不出現峰值點但曲率明顯變化的拐點（如CFST1、CFST2）之后，P-S曲線呈平穩上升趨勢；另一種是出現峰值點后荷載迅速下降一段，然后荷載再緩慢上升，滑移增長迅速（如CFST3、CFST4），P-S曲線呈平穩上升趨勢。方鋼管混凝土試件的荷載-滑移曲線隨著長細比的增加逐漸由有拐點變為有明顯的峰值點。這個峰值點或拐點對應的時刻就是整個鋼管混凝土界面粘結應力發生破壞的時刻，把此時對應的荷載定義為極限荷載PU[4]。

當試件厚度相同時，試件的長度對極限荷載PU產生很大影響，并隨著其增大而增大。通過分析認為，極限荷載PU和極限粘結應力界面上出現粘結應力面積的積分相等，試件長度越大，核心混凝土和鋼管界面出現粘結應力的面積也大，所以可以承受的極限荷載PU也相應增大，這與趙鴻鐵教授的試驗結果一致。

2.2 鋼管與混凝土的等效應力云圖

根據各試件的Von. Mises應力云圖，觀察在最大荷載處混凝土和鋼管的應力狀態可知，鋼管的Von.Mises等效應力由加載端向留有空隙一端逐漸增大，隨著試件長度的加大最大等效壓應力有所增加，由加載端向留有空隙一端，混凝土的等效應力逐漸變小。在整個推出過程中鋼管和混凝土始終處于彈性階段,并且在混凝土被推出的過程中，荷載由混凝土通過粘結作用傳遞給鋼管。

2.3 影響因素分析

混凝土強度對界面平均粘結強度有一定的影響，在混凝土等級在C40之前，粘結強度隨著混凝土強度等級的增大而減小，在混凝土強度等級在C40之后，粘結強度隨著混凝土等級的增大而增大。在長細比不是很大時，粘結強度隨著長細比的增大而增大，長細比為13.86時，平均粘結強度達到峰值點，之后隨著長細比增大，粘結強度有下降的趨勢，其他條件相同，鋼管內壁不除銹的試件（CFST4）與鋼管內壁除銹試件（CFST2）相比，其粘結破壞荷載要大的多，大約在2.1倍左右，所以鋼管內壁是否除銹對鋼管混凝土的粘結滑移性能有重要影響。

3 結論

1）方鋼管混凝土典型的荷載-滑移曲線為兩種，且隨著試件長細比的增加逐漸由拐點變為明顯的峰值點。

2）隨著長細比的增大界面粘結強度逐漸增大，核心受壓混凝土強度等級在C40以后，界面粘結強度逐漸增大；

3）鋼管內表面銹蝕等級為B級時比鋼管內表面除銹的鋼管混凝土粘結強度要高兩倍多。

[1]陳麗華,戴吉祥,婁宇.鋼管混凝土粘結性能研究綜述分析[J].建筑結構,2016,46(22)：78-83.

[2]康希良,程耀芳,張麗.鋼管混凝土粘結-滑移本構關系理論分析[J].工程力學,2009,26(10)：74-78.

[3]許開成,畢麗蘋,陳夢成.鋼管混凝土界面黏結應力-滑移本構關系試驗研究[J].建筑結構學報,2015,36(增刊)：407-412.

[4]蔡紹懷.現代鋼管混凝土結構(修訂版)[M].北京：人民交通出版社,2007：230-251.

[5]Xiushu Qu,Zhihua Chen,David A. Nethercot b.Load-reversed push-out tests on rectangular CFST columns[J]. 81(2013)：35-43.

[6]韓林海,楊有福.現代鋼管混凝土結構技術(第二版)[M].北京：中國建筑工業出版社,2007：263-269.

[7]鋼管混凝土粘結滑移性能的理論分析及ANSYS程序驗證

TU398

A

1007-6344（2017）09-0261-01