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1、钢管混凝土格构式柱受力性能研究 (1 陕西亚正建设工程有限责任公司，西安 710043；2 西安科技大学建筑与土木工程学院 西安 710054；3中国神华神东煤炭集团设计公司，鄂尔多斯 017209)摘 要：为研究不同含钢率对钢管混凝土格构式柱的受力性能的影响，对4个不同含钢率试件在单向水平荷载和水平循环荷载作用下进行了非线性有限元分析。结果表明：含钢率对钢管混凝土格构式柱的刚度影响比较显著，随着含钢率的增加，钢管混凝土格构式柱无论在弹性阶段还是在非线性强化阶段，其刚度均有所提高，柱肢承载能力和极限位移也同时提高。但是当含钢率增大到一定程度，再增加含钢率，钢管混凝土格构式柱的极限承载力和刚度提
2、高的幅度反而会降低，延性性能和耗能性能增加的幅度也同时会降低。所以为提高结构的安全性和可靠性，实际工程钢管混凝土格构式柱的设计过程中，要控制合理的含钢率关键词：钢管混凝土；含钢率；承载力；刚度；安全性；可靠性；Research on Behavior of Concrete-filled Rectangular Steel Tubular ColumnsSUN Li-ya1，WEI Jian-jun2，ZHOUWen-liang3(1 Shanxi Construction of Yazheng Co, Xian 710054. 2 School of Architecture and Civ
3、il Engineering，Xian University of Science and Technology. Xian 710054， 3China Shenhua Shendong Group Coal Design Company, Erdos 017209,China ) ) Abstract: In order to analysis the different steel ratio to concrete filled steel tubular(CFST)laced columns under horizontal loading and cyclic loading. U
4、sing the nonlinear finite element analysis to four different CFST of steel rate. The results showed that: The steel ratio significant influence on the stiffness of CFST .With the increase of steel ratio, The rigidity of CFST carrying capacity and ultimate displacement increased in terms of enhanced
5、flexibility phase or the nonlinear stage, However, when the steel ratio increases to a certain extent, The increase rate of strength and stiffness will decrease. Ductility and energy dissipation rate of increase also will be reduced. Therefore, in order to improve the safety and reliability of struc
6、tural, the actual construction of concrete lattice steel columns in the design process must to control a reasonable rate of steel ratio.Key Words: concrete-filled steel tubular; steel ratio; bearing capacity; rigidity; safety; reliability1 引言 为了提高结构的安全性和可靠性，结构设计人员不断地探索新型的结构形式，钢管混凝土是一种新型的结构形式，同时它是一种发
7、展前景非常关阔的结构形式。它能适应现代工程结构的大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求，已经越来越广泛地应用于工业厂房、高层和超高层建筑、桥梁和地下结构中，成为结构工程科学的一个重要发展方向。钢管混凝土是在劲性混凝土结构、螺旋配筋混凝土结构及钢管结构的基础上演变和发展起来的一种结构形式。它是一种新型的组合结构形式，即在钢管内填充混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的组合结构。管内一般只填素混凝土，不再配钢筋，只有在承受的压力过大或压力过小而弯矩却很大的情况下，才在管内配置纵向钢筋和箍筋。钢管混凝土组合柱具有许多钢筋混凝土结构及钢结构所不能比拟的优点。迄今为止，
8、 运用有限元法对钢管混凝土结构的数值模拟已日渐成熟，计算精度日趋提高，但对钢管混凝土格构式柱的数值模拟研究则极少。本文采用有限元软件ANSYS建立有限元实体模型，对试验试件进行非线性有限元分析。2 有限元模型的建立2.1材料的本构关系模型钢管混凝土由钢管和混凝土两种材料共同组成，且构件在受力过程中两种材料相互作用，钢材和混凝土一般都处于复杂应力状态。为了实现对钢管混凝土柱力学性能的数值分析，关于材料应力-应变关系（本构模型），对钢材、混凝土采用多线性随动强化本构模型，Mises屈服准则，以考虑在循环荷载作用下钢材的Bauschinger效应。2.2单元类型的选取与划分 钢管材料假定为各向同性，
9、采用八节点SOLID45实体单元。该单元有8个节点，每个节点有8个自由度。混凝土采用SOLID65实体单元，该单元用来模拟三维配筋及不配筋混凝土结构，具有拉裂、压碎、收缩及蠕变等功能。计算时关闭混凝土单元的压碎功能，设定混凝土抗压强度为-1，以获得完整的求解结果曲线。划分单元时对受力和塑性变形相对较大的节点域进行了局部网格加密，为了保证求解的精度，实体单元的三个方向的尺寸不能悬殊太大，最长的边长比控制在5以内。2.3 钢管与混凝土界面模型 为了更加真实地模拟钢管混凝土格构式柱实际受力情况，混凝土与钢管壁之间的接触部分用三维面与面接触单元。ANSYS支持刚体与柔体的面与面之间的接触单元，钢管为刚
10、性体，刚性面被视为“目标”面，用Targe170单元来模拟“目标”面，管内混凝土为柔性体，柔性体的表面被当作“接触”面，用Contact174单元来模拟，钢管和混凝土之间的摩擦系数取为0.45。Ansys划分的网格以及生成的接触单元如图3所示。2.4 边界条件及加载方案为了尽可能模拟钢管混凝土格构式柱在结构中的实际受力状态，在模型中约束了钢管混凝土格构式柱柱底结点的所有自由度，即假定钢管混凝土柱脚与地面为理想刚接，在柱顶施加轴向压力N，N为0.4Ny(Ny为柱全截面屈服时所能承受的压力）。另外，对柱顶面的所有结点进行X方向的耦合，程序将产生一个主结点，水平力以位移的方式施加在耦合端面的主结点上
11、。3 有限元计算结果与分析3.1基本试件设计为了有效地模拟地震作用下钢管混凝土格构柱的实际受力行为，根据高层民用建筑钢结构技术规程JGJ99-98以及钢管混凝土结构设计与施工规范CECS28：90并参考了相关文献。基本试件的设计如下：为避免面外失稳，格构柱两个方向的缀板布置完全相同，格构柱平面上为正方形，其外边长为488488 mm，无强弱轴之分，柱肢钢管891.8 mm，柱高1400mm，缀板352.0mm，柱肢与缀板等强焊接。基本试件的模型几何尺寸如图3.1所示。混凝土强度等级为C60，钢材选用Q34。 图1基本试件实体模型图 图2基本试件网格划分图3.2受力性能分析图3为含钢率依次为=0
12、.075、=0.085、=0.095和=0.120时基本试件在单向水平荷载作用下荷载位移曲线。由图3可以看出，基本试件在进入弹塑性阶段之前的荷载位移曲线为直线，斜率相差比较大，由此可见含钢率对钢管混凝土格构式柱的刚度影响比较大，随着含钢率的增加，曲线越陡，刚度越大。同时含钢率对钢管混凝土格构式柱的极限承载力影响比较显著。由此可知，随着含钢率的增加，钢管混凝土格构式柱无论在弹性阶段还是在非线性强化阶段，其刚度均有所提高，极限承载能力和极限位移也同时提高，这主要是由于随着含钢率的增加，约束效应系数增大。约束效应系数对钢管混凝土性能的影响主要表现在：约束效应系数越大，则在受力过程中，钢管对核心混凝土
13、提供的约束作用越大，混凝土强度和延性增加相对较大；反之，随着约束效应系数的减小，钢管对核心混凝土的约束作用将随之减小，钢管混凝土的强度和延性提高越少。图4为不同含钢率时基本试件的极限承载力对比图，由图4可知随着含钢率的增大基本试件的极限承载力逐渐增大且增大的幅度相对比较大，但是增大的幅度却在逐渐降低。由此可知，当含钢率增大到一定程度再增大含钢率基本试件的力学性能在逐渐的退化，结构的材料性能不能充分发挥。 图3基本试件位移荷载曲线 图4基本试件极限承载力图5为不同含钢率时基本试件在循环荷载作用下的骨架曲线，骨架曲线为结构或构件在循环荷载作用下应力应变曲线中，超过前一次加载最大应力的区段相连后得到
14、的曲线。由图5可知，不同含钢率时基本试件骨架曲线总体形状趋于一致，说明含钢率对基本试件荷载反应比较类似。随着含钢率的提高，钢管混凝土格构式柱弹性阶段的承载力也会有所提高，其极限承载力和极限位移也相应提高。骨架曲线与单向加载时的荷载位移曲线特征相似，基本试件表现出良好的延性性能。图6为不同含钢率时基本试件在循环荷载作用下的割线刚度退化曲线，由图6可知，试件割线刚度弹性阶段退化的速度比较快，弹塑性阶段割线刚度趋于平缓，基本试件割线刚度大小也比较接近。由此看出随着含钢率的提高，钢管混凝土格构式柱的刚度会有所提高。当构件处于弹性阶段，随着含钢率的提高，刚度逐渐增大，而且增大的幅度比较大。当构件处于弹塑
15、性阶段，割线刚度趋于平缓，相差比较小。 图7为不同含钢率时基本试件在循环荷载作用下的耗能曲线。由图7可知，基本试件具有良好的耗能能力，但是耗能能力相差比较大，由此可知含钢率对钢管混凝土格构式柱的耗能能力影响比较大，含钢率逐渐增大，耗能能力越好，但是当含钢率增大到一定程度，耗能能力提高的幅度有所下降。图8为不同含钢率时基本试件在单向水平荷载作用下基本试件Mises应力图。从图中可以看出基本试件破坏时，钢管的高应力区域集中在缀板的端部、钢管柱肢的底部、柱肢与缀板的连接部分，特别在缀板的端部应力集中现象严重，该部位应力值达到了最大。基本试件的最大应力值均超过了材料的屈服强度，进入了塑性变形阶段，而钢
16、管和缀板的其它大部分区域应力较小。随着含钢率的提高高应力区域范围稍有扩大，最大应力值变化比较显著，其中a=0.095最大应力值增幅最大，达到了8.1%。使钢管和缀板的应力集中现象更加严重，因此在选用钢管时钢管壁厚不宜太大，在缀板端部应力集中现象明显，因此应加大缀材的刚度，选择传力更加合理的缀板形式。 （a）a=0.075基本试件Mises应力图 （b）a=0.085基本试件Mises应力图 （c）a=0.085基本试件Mises应力图 （b）a=0.120基本试件Mises应力图图8不同含钢率钢管混凝土柱Mises应力图综上所述，含钢率对钢管混凝土格构式柱的极限承载力影响比较显著。随着含钢率的
17、增加，钢管混凝土格构式柱无论在弹性阶段还是在非线性强化阶段，其刚度均有所提高，承载能力和极限位移也同时提高。但是，当含钢率增大到一定程度，再增加含钢率，钢管混凝土格构式柱的极限承载力和刚度提高的幅度反而会降低。延性性能和耗能性能增加的幅度也同时会降低。这就降低了材料的利用率，同时也增加了工程造价。所以，实际工程中要严格控制钢管混凝土格构式柱的含钢率，钢管混凝土结构设计与施工规范CECS28：90，对于钢管混凝土结构含钢率一般控制在0.050.2之间。随着含钢率的增加，基本试件在破坏状态时，柱肢底区域混凝土的Mises应力有所增加，柱肢底部的高应力区域范围逐渐扩展。这是因为随着含钢率的增加，套箍
18、系数增大，钢管对混凝土的约束能力增大，所以提高了构件的刚度、承载能力。最大Mises应力值变化较大，当试件含钢率=0.095时，最大Mises应力值增幅较大，钢管的应力集中现象更加严重。从经济适用的角度来看，柱肢含钢率可以增大，但是含钢率不宜过大，因为含钢率太大会造成钢管底部的应力集中现象严重，给施工带来不便。所有试件在循环荷载作用下的滞回曲线都比较饱满，无捏缩现象，均呈现出较为良好的耗能和延性性能。5 结论 （1)含钢率对钢管混凝土格构式柱受力性能影响显著，随着含钢率的提高其承载力和刚度都会增加，并且增大的幅度比较大。实际工程中为了保证结构的安全性，可适当提高钢管混凝土格构式柱的含钢率，但是
19、含钢率不宜提高太高，含钢率过高，使柱肢钢管的应力集中现象严重，钢管的强度不能得到充分利用。同时还会加大工程造价，造成浪费，也给施工造成不便。 （2)随着含钢率的提高，柱肢钢管和缀板的连接区域应力集中现象严重，最大Mises应力增幅很大，钢管混凝土格构式柱破坏时该区域首先进入破坏阶段。为了充分发挥格构式柱的优势，因此在选用钢管和缀板时钢材壁厚不宜太大，在应力集中的区域，选择传力更加合理的缀板形式。 （3)钢管混凝土格构式柱在循环荷载作用下，滞回曲线都比较饱满，无捏缩现象，呈现出较为良好的延性性能，是一种发展前景非常广阔的结构形式。特别是在地震活动频繁的地区，采用钢管混凝土格构式柱可以有效地较少地
20、震对人类生命以及财产的威胁。 参考文献：1 陶忠,韩林海,黄宏. 中空夹层钢管混凝土构件抗震性能初步研究. 第十三届全国结构工程学术会议论文集（第册）.2004.2 陶忠,韩林海,黄宏.中空夹层钢管混凝土在单调及往复加载下的力学性能研究.哈尔滨工业大学学报.2005,(8).1851883 许協隆，林江麟.中空双钢管混凝土构件承载行为.中国台湾第四届结构工程研讨会论文集，1998.1915-1922.4 韩邦飞, 夏建国, 赵建明. 同种双钢管混凝土轴心受压构件的承载力的研究. 石家庄铁道学院学报, 1995, 8 (3): 75-80.5 夏桂云, 曾庆元, 李传习, 等. 复式空心钢管混凝
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