圓端形鋼管混凝土柱的局部穩定性研究

陳家春

(福建省建筑輕紡設計院 福建福州 350001)

0 引言

圓端形鋼管混凝土柱基于具有截面靈活和外表美觀的優點，已被應用于實際工程。文獻[1-3]對RCFST軸壓性能和破壞機理進行分析，并建議其承載力的計算方法。文獻[4-8]對偏壓荷載下的RCFST進行力學性能分析，并建議偏壓下的該類組合柱承載力。此外，文獻[9][10]分別研究了圓端形鋼管混凝土構件的壓彎、受彎力學性能。但是與圓端形鋼管混凝土的局部穩定相關研究尚鮮見報道。圓端形鋼管截面的平直段部分容易產生局部屈曲，寬厚比較大時其承載力較低。

鑒于此，本文擬基于有限元模型探究初始缺陷模態、寬厚比、鋼材強度等參數對圓端形鋼管混凝土柱的局部穩定性的影響規律，并基于參數分析提出該類組合柱跨中截面平直段鋼管的承載力簡化計算式。

1 有限元模型

圓端型鋼管混凝土樁截面形狀如圖1所示。

圖1 圓端形鋼管混凝土柱截面

1.1 模型參數

本文采用有限元軟件ABAQUS開展機理分析，鋼材本構模型采用文獻[11]建議的二次塑流模型，如式(1)所示：

(1)

混凝土采用文獻[12]建議的模型如式(2)，其中相關參數詳見文獻[12]。

有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

混凝土采用實體單元C3D8R，鋼管采用殼單元S4R。混凝土與鋼管的法向接觸行為采用“硬接觸”進行模擬，允許接觸后分離。切向行為采用“庫倫摩擦”模型模擬，摩擦系數取0.6。主面為混凝土外表面，從面為鋼管內表面。柱下端面完全固定，上端面約束除軸向位移外的所有自由度，在上端面進行位移加載。缺陷模態采用ABAQUS中BUCKLING分析獲得。初始缺陷最大值取為鋼管平直段寬度的1/100[13-14]。

1.2 模型驗證

使用圖2所示有限元模型模擬文獻[2]中的RCFST-4與文獻[9]中的CFRT1-0a，其試驗曲線與有限元模擬曲線對比如圖3～圖4所示。由圖3～圖4可見，數值模擬的吻合程度較好，因而本文的有限元模型可以用來模擬圓端形混凝土柱軸壓試驗全過程。

圖3 RCFST-4[2]

圖4 CFRT1-0a[9]

2 機理分析

為進一步探討初始幾何缺陷對圓端形鋼管混凝土柱中鋼管局部穩定性的影響規律，本文對典型構件開展參數分析。本文分析主要考慮3個參數：初始缺陷形式、寬厚比、鋼材強度。其中，寬厚比參數與對應的空鋼管RST進行對照。所有構件列于表1中，其混凝土強度統一采用C60，試件編號中RCFST和RST，分別代表鋼管混凝土組合柱和空鋼管，fy為鋼材屈服強度。

表1 構件尺寸一覽表

圖5所示的是RCFST50-345、RCFST50-345b和RCFST50-345c三根構件達到極限狀態承載力時，組合柱跨中截面平直段鋼管的應力比(σs/σs0，σs和σs0分別為考慮初始缺陷和不考慮初始缺陷時平直段鋼管的平均應力)。從圖5看出，考慮一階、二階、三階屈曲模態作為鋼管的初始缺陷后平直段鋼管的承載力分別下降了31.8%、24.7%和27.5%，這說明一階模態的影響最大。因此，后文的分析統一采用一階模態作為鋼管的初始缺陷。

圖5 不同屈曲模態對承載力影響

2.1 不同缺陷模態的影響

圖6給出了表1中典型構件RCFST50-345的前三階屈曲模態，一階為對稱的5個半波，二階為反對稱的5個半波，三階為對稱的4個半波。

2.2 寬厚比的影響

圖7給出了不同鋼管平直段寬厚比(b/t，b和t分別為平直段鋼管的寬度和厚度)對鋼管混凝土組合柱RCFST和空鋼管RST的平直段鋼管的應力比(σs/σs0)的影響規律。由圖7可見：對于空鋼管對比構件，平直段鋼管的平均應力隨著寬厚比的增大而減少；當寬厚比由10增大到90時，σs/σs0由0.992下降到0.281；當寬厚比小于10時，可以不考慮初始缺陷的影響；對于鋼管混凝土組合柱，初始缺陷的影響規律相似。但是，由于填充了混凝土，鋼管平均應力的下降幅度遠小于空鋼管，平直段鋼管的局部穩定性得到顯著提高，當寬厚比小于20時可不考慮初始缺陷的影響，因此設計時可將20t取作鋼管平直段的有效寬度。

(a)一階

圖7 不同寬厚比對承載力影響

2.3 鋼材屈服強度(fy)

圖8給出了鋼管屈服強度對該類組合柱的平直段鋼管的應力比(σs/σs0)的影響規律，可見鋼材屈服強度(fy)對σs/σs0的影響較小，相差不超過5%。

圖8 不同鋼材對承載力影響

3 簡化計算

在不考慮初始缺陷的情況下，由有限元模擬結果容易發現，平直段鋼管承載力與截面承載力呈線性相關，經數值擬合后得平直段鋼管承載力簡化計算式，如式(3)所示，公式的適用范圍為b/t=20-90。

Npz=2×0.88fybt

(3)

如圖9所示，該計算式吻合程度良好。

基于上述分析，可在不考慮缺陷的平直段鋼管承載力的基礎上，用折減系數φ得出考慮初始缺陷時平直段鋼管的承載力簡化計算式：

Npzi=2×0.88φfybt

(4)

其中，強度折減系數φ采用式(5)計算：

圖10給出了簡化計算結果和有限元計算結果的比較。由圖10可見，平均值和均方差分別為0.981和0.026，因此，該簡化計算模型可用于計算平直段鋼管的承載力。

圖10 Npzi簡化計算結果和有限元計算結果的對比

此外，還可偏于保守地取平直段鋼管的有效寬度為20t。

4 結論

(1)基于缺陷模態參數分析，由BUCKLING分析中的前3階屈曲模態作為初始缺陷導入軸壓力學分析中，發現考慮該類初始缺陷影響后平直段鋼管穩定性均有明顯的影響，且1階模態的影響最大。

(2)基于鋼材強度的參數分析，可知鋼材對平直段鋼管的局部穩定性影響較小，對于Q235、Q345、Q390、Q420四種工程常用鋼材，影響不超過5%。

(3)因鋼管內的混凝土對鋼管變形存在約束，鋼管混凝土柱平直段鋼管的局部穩定性要優于空鋼管，其考慮缺陷的平直段鋼管承載力均高于同寬厚比的空鋼管。

(4)鋼管混凝土柱平直段鋼管的承載力，隨著寬厚比的增大而增大，鋼管混凝土柱寬厚比小于20時，平直段鋼管穩定性幾乎不再受到影響，而空鋼管寬厚比則要小于10。因此，設計時可將20t取做鋼管平直段的有效寬度。

(5)建議平直段鋼管承載力的簡化計算式，簡化計算結果與數值結果吻合較好，且偏于安全，建議使用。