鋼骨-鋼管混凝土壓彎構件受力性能分析

袁姣姣 尹張亮

（北京市機械施工集團有限公司，北京 100000）

0 引言

鋼管混凝土由于鋼管和混凝土良好的協同作用展現出優越的受力性能，在超高層和大跨空間結構中得到廣泛應用［1］。對于承受重載的鋼管混凝土組合構件，在實際工程中常在其內部中配置型鋼和鋼管等，由于鋼骨可以約束混凝土裂縫的發展，以及鋼骨受到混凝土的支撐作用不易局部屈曲，進而提升了該類組合構件的承載力和延性［2-4］，同時，內部鋼骨的存在可以有效解決大尺寸構件中內部混凝土澆筑時帶來的施工問題。典型的鋼管混凝土構件和內置鋼管而形成的組合構件截面示意圖如圖1所示。

圖1 鋼管混凝土組合構件截面形式

目前，關于各類鋼管混凝土壓彎構件的受力性能已有較多研究，如堯國皇［5］通過數值研究和理論分析系統研究了不同截面鋼管混凝土構件復合受力性能，并給出了相應的計算方法；薛陽［6］對自密實高強混凝土壓彎構件的受力性能進行了試驗研究和有限元分析。對于鋼骨-鋼管混凝土構件，研究多集中在軸壓性能［7］，關于該類構件的壓彎性能研究缺乏。因此，有必要對鋼骨-鋼管混凝土構構件的壓彎性能進行分析，明晰該類構件的受力機理和鋼骨類型對受力性能的影響。

因此，本研究通過ABAQUS 有限元軟件建立3種不同截面的鋼骨-鋼管混凝土壓彎構件有限元模型，通過已有試驗對模型的準確性進行驗證。在此基礎上分析和對比了3 種壓彎構件的工作機理，包括構件側向承載力，軸力和彎矩分布和發展，以及應力和破壞形態，討論了鋼骨類型的影響，為進一步深入研究及工程中的相關設計提供參考。

1 有限元模型

1.1 材料本構

對于鋼管和鋼骨，其采用雙線性模型，包括彈性段和強化段，強化段的模量取鋼材彈性模量的0.01 倍。混凝土采用ABAQUS 有限元軟件中的塑性損傷模型，其本構關系采用文獻［1］中鋼管混凝土中核心混凝土的應力-應變關系，如式（1）。

式中：x=ε/ε0，y=σ/σ0，具體參數取值見文獻［1］。在損傷模型中，膨脹角取30°，fb0/fc0值為1.16；塑性勢能方程的流動偏角取0.1；k為拉壓子午面第二應力不變量之比，k取2/3；黏性系數的取值為0.000 1。

1.2 模型建立

共設計3種截面的組合構件（見圖1），3種截面差別僅為內部鋼骨。構件長度為800 mm，外鋼管截面直徑和壁厚分別為200 mm 和5 mm，十字形鋼腹板度和翼緣寬度為90 mm 和45 mm，壁厚均為5 mm，內部圓鋼管截面直徑和壁厚分別為59 mm和5 mm，構件CC1 與CC2 的鋼骨率相同。鋼材和型鋼屈服強度為355 MPa，混凝土抗壓強度為50 MPa。

在ABAQUS 有限元軟件中建立壓彎構件的有限元模型，各部件均采用三維實體單元，單元類型為C3D8R。鋼管與混凝土的界面通過法向行為和切向行為定義，法向采用“hard”接觸，切線方向選擇庫倫摩擦模型，摩擦系數為0.6。構件下端固支邊界通過約束構件底部整個面的三個方向的位移實現，構件上端自由，端板通過“綁定”與各部件進行約束。計算時先在構件頂部端板施加軸向荷載（軸向荷載比為0.3），然后在端板上施加側向位移。各部件網格大小均為12 mm，模型的邊界與網格劃分如圖2所示。

圖2 有限元模型的邊界與網格

1.3 模型驗證

為驗證建立模型的準確性，對文獻［3,6］中不同截面鋼管混凝土壓彎構件的試驗結果進行模擬，包括鋼管混凝土和鋼骨-鋼管混凝土試件。試件模擬與試驗的荷載-變形曲線對比如圖3所示，由圖3可以看出，模擬曲線與試驗曲線整體上吻合良好，加載后期兩種曲線有一定差異，這可能是因為試驗與模擬的邊界有一定差異。模擬與試驗峰值荷載之比的平均為1.001，表明建立的有限元模型準確合理。

圖3 模擬與試驗的荷載-變形曲線對比

2 受力機理對比與分析

2.1 側向荷載-位移曲線

3 種截面構件的側向荷載-側向位移（P-Δ）曲線如圖4所示，可見3種構件的P-Δ曲線形態相似。以構件C1 為例，整個曲線可以分為OA段（彈性階段），AB段（彈塑性階段）和BC段（下降階段）。在OA階段，試件的P-Δ曲線呈直線，荷載隨著位移呈線性增加，A點時荷載達到0.55Pmax。A點后，構件受拉側外鋼管開始屈服，曲線斜率逐漸變小，構進入彈塑性，B點時荷載達到最大，即為構件的極限承載力（Pmax=112 kN）。B點側向位移逐漸增大，荷載下降，C點時構件的荷載下降至0.85Pmax，此時側向位移達到40.0 mm，展現出較好的延性。

圖4 荷載-位移曲線

與構件C1 相比，構件CC1 和CC2 的P-Δ曲線彈性階段的剛度沒有明顯變化，而極限荷載明顯提高，構件CC1 和CC2 的峰值荷載分別為128.1 kN 和134.2 kN，其較構件C1提高了14.4%和19.8%，這表明在鋼管混凝土中配置型鋼可以顯著提高其壓彎承載力，且圓鋼管較十字形型鋼展現出更明顯的提升效果。

2.2 軸向荷載變化

為分析型鋼對軸力分布的影響，3 種構件底部截面各部件軸向荷載的變化如圖5 所示。可見，側向加載前，構件C1 的鋼管和混凝土承擔的軸力大小相近，約為50%。隨著側向位移的增加，混凝土的軸力增加，鋼管的軸力則減小，當達到峰值承載力時，鋼管和混凝土承擔的荷載分別占18%和82%，這表明鋼管卸載的軸力被混凝土承擔。

由圖5（b）可知，型鋼的存在影響了各部件軸力的發展，側向加載前，鋼管、混凝土和型鋼的軸力占初始軸向荷載的38%、39%和23%。當側向位移超過3.3 mm 后，鋼管和型鋼的軸力明顯下降，而混凝土的軸力則逐漸增加。由于混凝土良好的支撐作用，型鋼的軸力下降程度小于鋼管。達到峰值荷載時，鋼管和型鋼承擔的軸力分別占8%和22%。構件CC2 的軸力變化過程與構件相似，不同的是，加載后期外部混凝土的軸向荷載保持穩定，而內部混凝土的軸力明顯增加，這表明內部混凝土逐漸發揮出更明顯的作用。綜上可知，內部型鋼的存在對構件截面的軸力發展影響顯著。

圖5 各部件軸向荷載發展

2.3 彎矩發展與分布

加載全過程中各部件底部截面的彎矩M發展如圖6所示。從圖6可以看出，3種構件各部件的M-Δ發展形態相似，外鋼管承載的彎矩最大，混凝土的彎矩次之，內部鋼骨的最小。構件C1、CC1和CC2在達到峰值荷載時的最大彎矩分別為104.5 kN·m，118.4 kN·m和124.7 kN·m，構件CC1和CC2較C1分別提高13.3%和19.3%，這表明型鋼的存在提高了構件的抗彎承載力。構件CC1加載后期鋼管和型鋼的彎矩保持相對穩定，而混凝土的彎矩逐漸增加，這與構件C1相似。不同的是，構件CC2加載后期彎矩的增加主要是由外鋼管和內部混凝土彎矩的上升造成的，這表明內部型鋼的存在對構件各部件彎矩分布有一定影響，進而影響構件的側向承載力。

圖6 各部件彎矩發展

2.4 應力分布與破壞形態

3種構件在不同特征點時刻底部及截面混凝土的縱向應力（S33）發展與分布如圖7 所示，受壓為負值。從圖7可以看出，O點時，由于型鋼和鋼管對混凝土的約束作用，型鋼附近混凝土應力分布不均勻，但整個混凝土截面受壓。A點時，混凝土截面左側出現明顯的受拉區域，但受拉區域明顯小于受壓區域。B點時截面的受拉區域延伸接近構件截面中心，由于應力集中，右側受壓區域出現明顯的高應力區域，且由于型鋼和鋼管的約束作用，鋼部件內部混凝土在受壓側也產生明顯的高應力區域。C點時受拉區域已經延伸超過截面中心，最大壓應力值也增大了。

圖7 混凝土截面應力分布

C點時3 種構件鋼部件的Mises 應力分布和破壞形態如圖8 所示。可見，各部件均產生明顯的整體彎曲變形，且外鋼管在底部受壓側產生明顯的局部屈曲。3 種構件的外鋼管應力分布相似，高應力區域均在構件下部的受拉側和受壓側邊緣附近，但下部整個橫截面并未完全屈服。此外，內部型鋼和鋼管由于混凝土的保護，其高應力區域明顯小于外部鋼管，這使得鋼部件可以發揮更好的承載作用。

圖8 鋼部件的應力和破壞形態

3 結論

①建立鋼骨-鋼管混凝土壓彎構件的有限元模型并驗證了模型的合理性，通過該模型分析了不同截面壓彎構件的受力機理。

②由于內部鋼骨與混凝土良好的共同作用，在鋼管混凝土中配置鋼骨顯著提高了構件的側向承載力，且圓鋼管的作用較十字形型鋼更顯著。

③內置鋼骨對壓彎構件各部件的軸力和彎矩的發展和分布影響顯著，側向加載過程中鋼管和鋼骨卸載的軸力被混凝土承擔，外鋼管對抗彎承載力的貢獻明顯高于混凝土和鋼部件。

④內置鋼骨對構件混凝土的應力分布影響顯著，3種截面構件的整體破壞形態相似，而內部鋼骨受到混凝土的保護較外鋼管的破壞程度更低。