恒高溫下圓鋼管混凝土界面粘結性能有限元分析

薛媛媛 XUE Yuan-yuan；蔡祖榮 CAI Zu-rong

（①湖南城建職業技術學院建筑工程系，湘潭 411101；②湖南建投地產集團有限公司，長沙 410005）

0 引言

鋼管混凝土的界面粘結性能是鋼管和混凝土之間共同受力與協調變形的基礎[1]。鋼管混凝土的界面抗剪粘結力包含三部分：鋼管與混凝土之間的化學膠結力、機械咬合力、摩擦力[2，3]。國內外研究者[2-7]對常溫下鋼管混凝土界面粘結性能進行了較深入研究，研究參數包括混凝土強度、混凝土的收縮、礦物添加劑及添加量、試件宏觀偏差、鋼管內表面粗糙程度、徑厚比、長徑比、鋼材和混凝土材料類型等，結果表明各參數對界面粘結強度均有一定的影響，相關研究結果可見綜述類文獻[4，5，8]。對高溫后試件，國內外研究者[9-13]也開展了相關研究，研究參數主要包括高溫作用時間、長徑比、截面形狀、混凝土強度、養護條件及混凝土類型等，結果表明高溫作用將使界面粘結強度降低。對高溫下試件，陳俊等[14]、靳忠強[15]開展了相關研究，研究參數主要包括恒溫溫度、長徑比、徑厚比、加勁肋等。

目前，國內外大多局限于常溫下和高溫后鋼管混凝土界面粘結性能研究，其理論分析和試驗研究都得到了顯著成果，但恒高溫下研究只見少部分。因此為更進一步研究恒高溫下圓鋼管混凝土的粘結滑移性能，本文通過ABAQUS 有限元軟件對試件進行推出試驗的模擬分析，在驗證模型的合理性后，進一步探討主要影響因素對界面平均粘結強度的影響規律，研究成果對于解釋高溫下鋼管混凝土結構的工作機理和承載力的劣化規律具有重要意義。

1 有限元模型建立

1.1 溫度場分析

在高溫作用時，鋼管混凝土試件中的核心混凝土已經過了凝固期，由水化熱產生的熱量基本消失，可認為無熱源。受火時，周圍的熱空氣主要通過熱對流和熱輻射方式傳熱給鋼管，而以導熱方式傳熱到試件內部。對于無內熱源的試件，起熱傳導的方式詳見文獻[16]。

ABAQUS 軟件中提供了無耦合的熱分析、相繼耦合的熱應力分析和完全耦合的熱應力分析三種熱分析模塊[17]。在研究恒高溫下圓鋼管混凝土推出試驗的模擬分析時，采用相繼耦合的熱應力分析，即先采用無耦合的熱分析求解出溫度場數據，之后將溫度場數據導入到結構受力分析模型，進而最終實現高溫下的界面粘結性能有限元分析。在高溫下，混凝土和鋼材的熱工參數材料性質一般不是常數，因此試件熱傳導屬于非線性瞬態，從而鋼材和混凝土的熱工參數成為試件截面溫度場分析的重要前提。材料的熱工參數主要包括：導熱系數、比熱、容重和熱膨脹系數等，在進行溫度場模型計算時采用Lie 提出的熱工模型[1]。

1.2 結構分析

1.2.1 單元類型選取

建立恒高溫下圓鋼管混凝土有限元模型，材料的單元類型為結構三維應力分析單元、鋼管采用殼單元、核心混凝土和墊板均采用三維實體單元。在模擬計算中，鋼材采用等向彈塑性模型，滿足Von Mises 屈服準則；混凝土采用的是塑性損傷模型；對于受拉區混凝土，采用應力-斷裂能關系曲線進行描述；采用韓林海[1]和宋天詣[18]給出的公式計算常溫下和高溫下的鋼管與混凝土應力-應變關系模型。

1.2.2 鋼管與混凝土界面模型

在有限元分析中鋼管與混凝土的相互作用是三維的，模型通過鋼管與混凝土界面法向行為的接觸和切向行為的粘結滑移構成，在分析計算時，界面法向行為的接觸采用“硬接觸”；對于橫向切向行為方向，在推出試驗過程中試件未受到扭轉的作用，同時未見相關的研究者對其進行具體分析，因此忽略其影響；縱向切向行為方向，鋼管與混凝土相互作用表現為它們之間的粘結滑移現象，因此采用節點之間的彈簧單元，通過定義各個彈簧的力-變形關系曲線（即文獻[14]試驗得出的荷載-相對滑移曲線以及文獻[19]回歸得到的粘結應力-相對滑移關系模型計算）實現有限元模擬。

1.2.3 約束及邊界條件

根據課題組所做試驗的具體實際加載裝置情況，試件的加載端自由，另一端固定，鋼管與底部墊板之間用殼-實體耦合進行約束，為了求解計算順利，減少應力集中，本模型加載方式采用位移加載。

2 模擬結果及分析

在高溫下，鋼材內部金屬結構以及混凝土材料性能都會產生一定的劣化，由于混凝土是一種惰性材料，傳熱慢，導致截面溫度不均勻，因此，不同的截面位置核心混凝土的材料性能也不同，混凝土越靠近核心位置，其受到溫度影響越小。如下列出了恒溫溫度500℃下的溫度場分布云圖，如圖1 所示。其中NT11 為節點溫度，單位為℃。由圖可知，鋼管混凝土試件的等溫線為一系列同心圓，由鋼管外表面向內表面，溫度逐漸減小，核心混凝土的溫度梯度較大，截面內部的溫度變化趨于平緩。

圖1 截面溫度場

圖2 列出部分試件荷載-滑移曲線的模擬計算結果與陳俊等[14]試驗結果進行了比較。由有限元計算曲線的相關數據可知，在達到峰值荷載之前曲線基本呈線性，隨不同的恒溫溫度變化，曲線有所不同，一些出現不明顯的下降段，一些甚至僅僅出現拐點，一些有明顯的峰值荷載，之后有明顯的下降段；相同的恒溫溫度時，曲線的形狀基本相似，幾乎不隨鋼管厚度和長度變化而變化。從圖可知，模擬和試驗二者在曲線上升段吻合良好，平均粘結強度和對應滑移值也比較接近，但有些曲線在下降段存在一定的偏差，原因可能是鋼管存在“宏觀偏差”和材料本身離散。

圖2 模擬計算與試驗[14] 荷載-滑移曲線的比較

3 粘結強度影響因素分析

在驗證模型正確后，本文對試驗研究中的參數范圍進行了擴展，對不同恒溫溫度、徑厚比及長徑比參數的恒高溫作用下鋼管混凝土界面粘結強度進行了計算分析。表1列出了相關參數以及對應的模擬計算結果與試驗實測結果比較，對比結果可知，有限元計算得出的結果和試驗結構均吻合較好，這說明，用此計算模型模擬鋼管混凝土的界面粘結問題是合理的。

表1 平均粘結強度的模擬計算結果與文獻[14]試驗結果的對比

4 結語

本文對恒高溫下圓鋼管混凝土界面粘結性能進行了模擬分析，主要研究工作和結論如下：

①采用精細的彈簧單元建立了恒高溫下圓鋼管混凝土界面粘結性能有限元分析模型，通過與現有推出試驗結果比較驗證了建模方法的正確性。

②將模擬計算與試驗結果對比表明，該模擬可以較為準確的預測平均粘結強度值，且模擬計算所得荷載-滑移曲線與試驗所得荷載-滑移曲線基本吻合。

③在驗證模擬正確性的基礎上，進一步研究了不同恒溫溫度、長徑比、徑厚比對恒高溫下圓鋼管混凝土界面平均粘結強度的影響，結果表明，隨恒溫溫度升高，平均粘結強度先降低后升高再降低；隨長徑比增大，平均粘結強度減小；徑厚比對其影響不明顯。