鋼管混凝土疊合柱研究綜述

賈康

華北理工大學(xué)，中國·河北 唐山 063000

1 引言

疊合柱是由在混凝土柱中心位置放置鋼管，管內(nèi)澆筑混凝土，之后在管外澆筑鋼筋混凝土而成。混凝土具有承載力高，抗壓能力強的特點，將混凝土填充進鋼管，鋼管約束形成套箍效應(yīng)，增強管內(nèi)混凝土的承載力。鋼材具有強度高，塑性、韌性好的優(yōu)點，但是耐腐蝕性和耐火性差，管外澆筑的鋼筋混凝土可以對鋼管起到保護隔絕作用，延長鋼管的使用壽命。兩者的結(jié)合可以減小柱的截面尺寸，增大室內(nèi)使用空間，加快施工進度。疊合柱的應(yīng)用與革新離不開對疊合柱的力學(xué)性能的探討，這有著重要意義。雖然針對疊合柱的力學(xué)性能研究已開展了大量的工作，但仍存在眾多問題需要做進一步的分析與討論。

2 鋼管混凝土疊合柱力學(xué)性能試驗概述

鋼管和混凝土的相互結(jié)合使得兩者優(yōu)勢互補具有良好的復(fù)合作用，疊合柱在世界各地的各種結(jié)構(gòu)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。主要從20世紀60年代開始，已經(jīng)進行了大量的試驗和分析研究來了解疊合柱的力學(xué)性能。根據(jù)這些研究，各國制定了不同的設(shè)計規(guī)范，以反映各自國家的設(shè)計理念和實踐，如澳大利亞、中國[1]、日本、美國和歐洲國家。

近十幾年來，許多商業(yè)軟件的存在如ABAQUS和ANSYS，使得有限元技術(shù)在疊合柱建模中變得越來越流行。鋼和混凝土構(gòu)件之間的復(fù)合作用可以簡便和直觀通過有限元軟件模擬出來，可以更精確地考慮不同的因素對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，如局部和整體缺陷，殘余應(yīng)力和邊界條件。然而，有限元模型的預(yù)測精度受輸入?yún)?shù)的影響很大，越精準的參數(shù)越需要大量的試驗提供數(shù)據(jù)。為了達到這個目的，需要收集足夠的試驗數(shù)據(jù)來用于驗證模擬的準確性。

從上世紀60年代開始，國外就對疊合柱開展研究，Tao等[5]對偏壓長柱試驗進行研究，分析得出試件在接近極限荷載時會在受壓區(qū)出現(xiàn)較大破壞，鋼材達到屈服，但混凝土并沒有屈服且抗壓強度只有30%。所以長細比較小的柱能具有更出色的抗壓能力，而且對于壓彎構(gòu)件來說影響因素最大的是偏心率和承載力。Zhang[6]等制作10根高長細比混合柱，并對試件展開抗震性能檢測。分析得出，影響試件抗震性能的主要因素為長細比和施加的荷載大小，長細比對于試件抗震性能的影響是最顯著的。

Moon等[7]結(jié)合管內(nèi)混凝土的約束效用推導(dǎo)出新的鋼管混凝土軸壓極限承載力的計算方法。結(jié)果表明，α隨著D/t的增大而減小并且D/t對α的影響要比fc/fy顯著得多，分析得出新公式可以的計算結(jié)果和試驗的實測值有很不錯的吻合度，可以用來計算鋼管混凝土的軸壓極限承載力。

3 鋼管混凝土疊合柱有限元分析

近十幾年來，許多商業(yè)軟件的存在如ABAQUS和ANSYS，使得有限元技術(shù)在疊合柱建模中變得越來越流行。鋼和混凝土構(gòu)件之間的復(fù)合作用可以簡便和直觀通過有限元軟件模擬出來，可以更精確地考慮不同的因素對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，如局部和整體缺陷，殘余應(yīng)力和邊界條件。然而，有限元模型的預(yù)測精度受輸入?yún)?shù)的影響很大，越精準的參數(shù)越需要大量的試驗提供數(shù)據(jù)。為了達到這個目的，需要收集足夠的試驗數(shù)據(jù)來用于驗證模擬的準確性。

堯國皇等[2]，以康洪震等[4]試驗數(shù)據(jù)做參考，經(jīng)由選用合理的材料本構(gòu)關(guān)系模型，分別采用纖維模型法和有限元數(shù)值分析方法研究疊合柱軸壓性能。經(jīng)過有限元軟件計算分析，模擬分析結(jié)果和實際進行的試驗結(jié)果符合。

鋼材和砼之間的有限元模擬經(jīng)常選擇面和面接觸，可以限定由鋼管的內(nèi)表面和核心混凝土的外表面組成的接觸面對。可以為界面指定法線方向上為“硬接觸”，這允許界面在拉伸時分離，而在壓縮時不穿透。但是短柱有不一樣的設(shè)置，這是因為短柱中鋼材和砼之間的滑移十分微小可以忽略。因此，柱的性能對鋼和混凝土之間摩擦系數(shù)的選擇影響十分微小。在目前的有限元模型中，砼和鋼的泊松比分別取為0.2和0.3，這些數(shù)值經(jīng)常在有限元數(shù)值模擬當(dāng)中引用。

有很好的研究可以得到驗證，初始局部缺陷和鋼管初應(yīng)力對鋼管的性材性有十分顯著的作用。然而，對于疊合柱，局部缺陷和初應(yīng)力的影響會通過混凝土填充達到最小化，在當(dāng)前的數(shù)值分析模擬中容易被忽略。蔡景明等[3]對4根鋼筋增強疊合柱和7個組合柱進行抗震性能檢測，研究多種因素對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響效果。結(jié)果表明，鋼管強度的提高可以組合柱提高抗震性能，提高軸壓比和鋼管內(nèi)混凝土的強度只對構(gòu)件剛加載時剛度和峰值荷載有優(yōu)化，對于構(gòu)件屈服后的延性的影響較弱。

4 結(jié)語

①加載條件、長細比、含鋼率和偏心率對于鋼管混凝土疊合柱的承載力有明顯影響，初應(yīng)力、含鋼率、鋼材和混凝土強度，對疊合柱的強度有適度的影響。

②建立了鋼管混凝土疊合柱的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，并考慮了鋼管上初應(yīng)力的影響。一般來說，在模擬值和實驗值之間，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系和極限強度得到了合理的一致。

③應(yīng)該注意的是，約束混凝土總是很難精確建模。ABAQUS和大多數(shù)其他軟件在反映這一點上有局限性，需要進一步研究來測量鋼管內(nèi)混凝土在加載過程中的側(cè)向膨脹。因此，可以提出一個模型來描述鋼管混凝土疊合柱中核心混凝土的軸向應(yīng)變—側(cè)向應(yīng)變關(guān)系。然后可以為ABAQUS開發(fā)用戶定義的材料子程序，以定義更合理的應(yīng)變函數(shù)。這樣，鋼管與混凝土之間的圍壓可以由兩個構(gòu)件之間的相互作用來確定，應(yīng)變規(guī)律不會與截面的幾何參數(shù)直接相關(guān)。