鋼管鋼骨混凝土組合柱偏壓力學性能研究

陳培超 馮衛平

（1.河南理工大學鶴壁工程技術學院，河南 鶴壁 458030；2.河南理工大學鶴壁職業技術學院，河南 鶴壁 458030）

作為繼鋼結構、鋼筋混凝土結構、木結構、磚石結構之后發展起來的第五大結構體系，鋼管混凝土由于其良好的塑性性能和抗彎能力在建筑工程領域有較好的應用。深圳賽格廣場、香港金融中心大廈、東莞臺商銀行均采用鋼管混凝土結構。但對于純鋼管混凝土結構，當發生火災時外圍鋼管在高溫的作用下會發生軟化的現象，失去對核心區混凝土的約束能力。基礎此，可在混凝土中加入工字鋼而形成鋼管鋼骨混凝土結構。發生火災時即便外圍鋼管發生軟化，由于內部純在著工字鋼，可以保證結構的承載力。但對于實際工程中，真正的軸心受壓是不存在的，因為構件設計制作、材料使用及施工等因素均會引起結構產生誤差，柱子在實際使用的過程必定是處于偏心受壓的狀態。本文就鋼管鋼骨混凝土組合柱的偏壓力學性能進行分析，利用ABAQUS 軟件模擬出鋼管鋼骨混凝土組合柱在不同偏心距、不同加載方向情況下的力學性能和變形性能，為工程建設提供了依據。

1 參數選擇及加載方式

在普通的鋼筋混凝土柱中，偏心距的不同會造成柱子發生大偏壓或者小偏壓破壞。鋼管鋼骨混凝土柱也會因為偏心距的不同而產生不同的破壞形態。為了研究不同偏心距對組合柱偏壓力學性能的影響，以及模型建立的正確性。本文采用文獻[15]中柱子截面尺寸的相關參數，來研究不同偏心距情況下偏心受壓柱的力學性能，主要參數見表1，由于鋼管有內徑和外徑，d代表鋼管外徑、t 代表著鋼管厚度、l 為鋼管長度，為增加核心混凝土的抗變形能力，核心混凝土配有工字鋼，核心混凝土采用高強混凝土。由于工字鋼兩對稱軸慣性矩不用，故抗彎剛度EI 也不一樣。因此偏壓荷載的加載方向分為兩個加載方向如圖1 所示，偏心距選為20mm、40mm 和60mm。在建模時，根據表3.1 中的e0和強弱軸加載方向調整加載點的位置。

表1 構件參數Table 1 Component parameters

對于鋼管混凝土在設置約束條件時，采用一端完全固定、一端不完全固定的方式進行約束。在固定端限制其X、Y、Z 三個方向的線位移以及XOZ、XOY、YOZ 三個平面內的轉動自由度，在加載端限制Y、Z 兩個方向的線位移以及XOZ、XOY、YOZ 三個平面內的轉動自由度，而放松其在Z 方向的位移，使其在Z 方向有一個自由度，可以通過位移加載法進行加載。本次加載時，使其在自由端的Z 方向有20mm 的位移，得出固定端的支座反力。

試件名稱 d×t×l（mm）長細比加載方向偏心距(mm) 套箍指標配骨指標

PY1 165×4.2×550 13.3 軸心 0 0.76 0.47

PY2 165×4.2×550 13.3 強軸 20 0.76 0.47

PY3 165×4.2×550 13.3 強軸 40 0.76 0.47

PY4 165×4.2×550 13.3 強軸 60 0.76 0.47

PY5 165×4.2×550 13.3 弱軸 20 0.76 0.47

PY6 165×4.2×550 13.3 弱軸 40 0.76 0.47

在ABAQUS 模塊中，有多個模塊對構件進行模擬分析。主要有：part 模塊進行構件設計，property 模塊進行材料屬性的定義，在assembly 模塊進行構件的組裝。

本次模擬試驗中，在part 模塊，由于鋼管在受力的過程中會發生屈曲變形。故不能定義為實體，僅能定義為殼體進行分析。對于鋼管內部的和核心混凝土與鋼骨可為實體。為防止在模擬加載的過程當中造成鋼骨滑出，將兩端蓋板定義為剛體，并在約束條件中限制蓋板的位移，完成各構件的組建。

在屬性模塊，由于混凝土處于三向受壓狀態，故輸入的本構關系為鋼管約束后的核心混凝土的本構關系，并非普通混凝土的本構關系。用Excel 表格編輯約束混凝土的本構關系曲線，得出本構關系，并輸入型鋼與鋼管的應力-應變關系曲線用來賦予不同構件相應的材料和截面屬性。

2 壓彎模擬偏心荷載影響

施加不同偏心荷載的影響方式，與壓彎構件受力性能接近。故采用不同偏心距荷載的加載方式，來模擬壓彎構件的受力性能。得出的支反力-最大位移關系曲線如圖1 所示。

圖1 偏心荷載影響下承載力-位移關系曲線Fig 1 Bearing capacity displacement curve under eccentric load

由于受到穩定性的影響，不同長細比的構件，其力學性能不相同。為了消除長細比的影響，得到真正的偏壓承載力，選取了長細比為13.3 的短柱進行模擬分析。通過分析，得到如圖1 所示的，不同偏心距影響下的承載力-撓度關系曲線。加載的方法采用的是等速率的加載方法，荷載從“零”開始，以0-0.45MPa/s 的速率進行加載。從四條曲線中可以看出，全過程曲線分為三個階段：在荷載剛開始加載時，由于荷載較小組合構件處于彈性狀態，為直線段的彈性階段，彈性狀態結束時的荷載約為最大承載力的70%；之后曲線開始向橫坐標方向彎曲，斜率減小，即進入了彈塑性工作階段。且隨著偏心距的增加，曲率也增加，直至達到最大承載力時，曲線表現為下降的趨勢。

3 強弱軸加載的影響

由于核心混凝土內部配有工字鋼，工字鋼在兩個主軸方向的慣性矩不一樣，導致其抗彎剛度EI 不一樣。圖2 為強軸方向加載（偏心距為20mm、40mm）和弱軸方向加載（偏心距為20mm、40mm）時的關系曲線。從圖中可以看出，強軸的承載力高于弱軸的承載力。從高低程度上來看，當偏心距較小時，弱軸加載與強軸加載的降低幅度，要高于偏心距較大時，弱軸加載與強軸加載的降低幅度。偏心距較小時約為偏心距較大是的5 倍。具體原因可以通過圖3 中帶中性軸的四個圖進行解釋。在偏心距較小的a、c 兩圖中，遠軸力端的受拉區面積較小，故而承載力降低程度較小；而在b 與d 圖中，在偏心距較大的情況下，遠軸力側的受拉區面積增加，故而承載力降低程度較大。

圖2 不同加載方向的N-u 關系曲線Fig 2 the N-u curve of different loading direction

圖3 強弱軸加載示意圖Fig3 Schematic diagram of strong and weak axis loading

4 結論

（1）偏心距對偏壓柱的承載的影響。在偏心距方面，組合構件的極限承載力隨著偏心距的增大而減小，且減小速度較快。

（2）在軸向受壓時，混凝土會產生向外的橫向膨脹變形。由于外部鋼管的約束作用，可限制混凝土的橫向膨脹變形，從而使得其曲線的下降段較為平緩，構件的延性性能得以增強。強弱軸加載方向不同，構件的承載力不同。考慮到內部鋼骨翼緣與鋼管對混凝土的橫向約束作用，強軸強于弱軸。

（3）內部鋼骨的存在對混凝土的橫向膨脹變形也起到了一定的約束作用，使得混凝土柱的軸向抗壓承載力得以提高。又由于鋼骨具有較高的抗彎剛度，構件的抗變形能力得到增強。