鋼管混凝土柱構(gòu)件的特點(diǎn)及研究方法

嚴(yán)平軍

摘? ? 要：鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種新興組合結(jié)構(gòu)。在鋼管混凝土柱構(gòu)件中鋼管和內(nèi)部核心混凝土之間將會(huì)產(chǎn)生相互作用力，形成“套箍效應(yīng)”，互相提高受力性能，最大程度的發(fā)揮其各項(xiàng)性能優(yōu)勢。考慮其組成材料性質(zhì)復(fù)雜，存在非線性幾何特征，結(jié)合當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用有限元分析技術(shù)建立模型，可有效反映構(gòu)件在實(shí)際工程中的受力情況，廣泛應(yīng)用于鋼管混凝土柱構(gòu)件性能研究當(dāng)中。

關(guān)鍵字：有限元;鋼管混凝土柱;性能研究

1? 引言

當(dāng)前“以人為本”的建筑設(shè)計(jì)理念深入人心，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于確保結(jié)構(gòu)安全的前提下使得建筑功能得到改善、發(fā)展。起初我國的住宅基本為多層磚混結(jié)構(gòu)，但因其承載性能不好。多、高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益廣泛，尤其是框輕結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工程中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，如地鐵車站工程、單層和多層工業(yè)廠房、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)、高層建筑工程等。鋼管混凝土柱在實(shí)際應(yīng)用中受力復(fù)雜，材料的性質(zhì)多樣，傳統(tǒng)的基于試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)方法已經(jīng)不能準(zhǔn)確反映實(shí)際應(yīng)用中的各類情況。有限元作為一種專業(yè)分析工具正在逐漸發(fā)揮出極強(qiáng)的優(yōu)勢。

2? 鋼管混凝土柱的作用原理及特點(diǎn)

2.1? 鋼管混凝土柱的作用原理

結(jié)構(gòu)工程中提到的鋼管混凝土即將一層薄壁圓形鋼管包裹在素混凝土外邊形成組合結(jié)構(gòu)材料，大量研究表明，此組合結(jié)構(gòu)鋼材的泊松比?S在塑性工作階段基本恒定，而混凝土的泊松比μS是隨著塑性變形的增加呈現(xiàn)出增長趨勢的，當(dāng)增至大于1時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致混凝土的橫向變形大于鋼管的橫向變形，即“套箍效應(yīng)”[1]。在實(shí)際工程中，這種組合結(jié)構(gòu)能有效發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，提高結(jié)構(gòu)的整體性能。

2.2? 鋼管混凝土柱的特點(diǎn)

鋼管混凝土組合柱的構(gòu)造特征決定了其核心混凝土強(qiáng)度能夠充分發(fā)揮，維持較高的延性，另外，包裹在鋼管外的混凝土還巧妙避免了鋼管直接接觸空氣，起到防腐蝕、防銹的作用。鋼管混凝土組合柱具體幾何模型：截面內(nèi)部是由薄壁鋼管包裹著核心混凝土，外部為實(shí)際工程中通常使用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按照正常鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋率要求計(jì)算所需要的縱筋和箍筋量，此構(gòu)件在實(shí)際工程中的應(yīng)用正在日趨廣泛[2]。

（1）抗壓承載力高。在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)中，采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，柱子截面尺寸可以適當(dāng)減小，有利于改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，在承載力大大提高的同時(shí)有效克服高強(qiáng)混凝土的脆性。

（2）塑性和韌性好。鋼管混凝土柱抗壓強(qiáng)度高，抵抗變形的能力也較強(qiáng)，與鋼柱相比，避免了由于受壓翼緣發(fā)生屈曲而喪失穩(wěn)定性的問題。因此，在鋼管混凝土柱中無需控制軸壓比范圍，保證了截面轉(zhuǎn)動(dòng)能力的充分發(fā)揮。

（3）經(jīng)濟(jì)效益好。鋼管的加入使得次構(gòu)件混凝土的用量比普通鋼筋混凝土柱大為減少，根據(jù)已有數(shù)據(jù)顯示，混凝土的節(jié)約量大約可達(dá)60-70%，造價(jià)大大降低[3]。與鋼柱比較，則可以節(jié)省大量鋼材，已有數(shù)據(jù)顯示可達(dá)50%，工程造價(jià)也相應(yīng)降低45%左右。

（4）施工方便。此構(gòu)件采用薄鋼管壁，加工制造及后期現(xiàn)場焊接等都比鋼柱簡單。實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)工程中鋼板厚度一般為60mm～130mm。然而，鋼管混凝土柱中實(shí)際建筑工程中采用的鋼管厚度達(dá)到30mm即可滿足。另外，此構(gòu)件中混凝土密實(shí)，施工質(zhì)量得到很好的保障。

（5）耐火性好。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，柱內(nèi)包裹的核心混凝土能夠吸收大量熱能，柱內(nèi)溫度分布不均勻，耐火性能大大提高。

3? 鋼管混凝土柱構(gòu)件的性能研究方法

1967年，D.Ngo和斯古特拉斯A.C.Scordelis把限單元法第一次應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分析中，此后研究人員進(jìn)行了深入全面的研究，得出了大量研究成果。分析成果表明，有限元法有效適應(yīng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分析需求。混凝土開裂過程、砼的非線性本構(gòu)關(guān)系、鋼筋與混凝土二者之間的相互作用等各類因素均可有效模擬并加以分析。

3.1? 有限元分析理論基礎(chǔ)

有限元分析方法是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元并在單元中設(shè)置節(jié)點(diǎn)互相連接的一組集合體。模擬工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，具體分析步驟如下：（1）問題及求解域定義;（2）求解域離散化;（3）確定狀態(tài)變量及控制方法;（4）單元推導(dǎo);（5）總裝求解;（6）聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋。

3.2? 有限元分析方法在鋼管混凝土柱構(gòu)件性能研究中的應(yīng)用

（1）材料本構(gòu)關(guān)系確定。有限元分析中，混凝土本構(gòu)關(guān)系的確立是必須首要解決的問題。國內(nèi)學(xué)者結(jié)合大量的試驗(yàn)和理論研究成果提出了大量的本構(gòu)模型[4]。比較典型的模型有以下幾種：以彈性理論為理論依據(jù)的線彈性和非線彈性本構(gòu)模型、以經(jīng)典塑性理論為理論依據(jù)的彈全塑性和彈塑性硬化本構(gòu)模型、由粘塑性材料的本構(gòu)方程得來的內(nèi)時(shí)理論模型、損傷理論模型以及不同理論相結(jié)合得出的模型。目前鋼材強(qiáng)化本構(gòu)模型中有三種比較通用，分別從不同角度體現(xiàn)了鋼材的性質(zhì)，相應(yīng)的適用范圍也不盡相同：各向同性強(qiáng)化模型不能準(zhǔn)確反映鋼材的包辛格效應(yīng)方面，適合單調(diào)加載條件下鋼材本構(gòu)模型的模擬，隨動(dòng)強(qiáng)化及混合強(qiáng)化模型適合往復(fù)加載時(shí)鋼材本構(gòu)模型的模擬。

（2）單元選取及網(wǎng)格劃分。為了提高計(jì)算精度，同時(shí)防止結(jié)果不收斂，運(yùn)用結(jié)構(gòu)劃分技術(shù)進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，混凝土采用三維八節(jié)點(diǎn)線性縮減積分單元，鋼管采用殼單元，鋼筋采用桁架單元。

（3）定義相互作用。若考慮鋼管與混凝土的粘結(jié)滑移進(jìn)行有限元非線性分析，計(jì)算結(jié)果更加精確，但是按一般精度要求可以忽略兩種材料間的粘結(jié)滑移，同時(shí)計(jì)算模型得到簡化，計(jì)算效率大幅度提高。因此，在建模時(shí)不考慮鋼管與混凝土的粘結(jié)滑移。

（4）施加邊界條件和荷載。

（5）非線性方程求解。非線性方程的求解方法主要有迭代法、增量法和增量迭代法，增量迭代法具有前兩者的優(yōu)點(diǎn)，對于迭代法，有牛頓法、修正的牛頓法和擬牛頓法三種方法可供選擇，牛頓法的迭代計(jì)算量最大，但其收斂性好，計(jì)算速度快，我們一般選用牛頓法。

（6）根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理，得出結(jié)論。

4? 結(jié)論

全面考慮各類影響因素，充分了解各類材料性質(zhì)及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，有效結(jié)合當(dāng)下計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用有限元方法分析構(gòu)件，可以準(zhǔn)確模擬實(shí)際情況，獲取多種結(jié)構(gòu)反應(yīng)數(shù)據(jù)信息，例如結(jié)構(gòu)滯回曲線、應(yīng)力分布情況、混凝土破壞等，這對深入研究鋼管混凝土柱構(gòu)件的各項(xiàng)性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重大意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈雨萌.方鋼管混凝土組合異形柱框架抗震性能試驗(yàn)與有限元研究[D].天津大學(xué)，2015.

[2] 林耀.淺析鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用與發(fā)展[J].福建建材，2013（4）：36～37.

[3] 結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì).第十六屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].天津大學(xué)、天津市鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)，2016：7.

[4] 宋燦，趙丹.有限元分析軟件在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[J].住宅與房地產(chǎn)，2016（30）：269.