钢管混凝土构件轴心受拉性能分析

钢管混凝土构件轴心受拉性能分析

魏志鹏闫冲志于东超

河北建筑工程学院

摘要：钢管混凝土构件具有承载力高、延性好、施工便捷等优点，在高层空间结构中有较大的应用前景。文中用有限元模拟研究了钢管混凝土构件轴心受拉的极限承载力，研究了变化参数环向加劲板的间距，是否设置纵向加劲肋以及是否设置内配钢骨对极限承载力的影响。结果表明钢管混凝土构件相比空钢管，抗拉极限承载力有了很大提高。

关键词：钢管混凝土；轴心受拉；有限元方法；极限承载力

1非线性有限元模型的建立

1.1材料的本构关系

钢材本构关系采用双折线弹塑性模型，屈服后钢材的应力－应变关系为平缓斜直线，即E’s=0.01Es，如图一，其中Es为钢材的弹性模量。

图一

对于混凝土，采用塑性损伤模型定义混凝土材料，这种模型综合了非关联多轴硬化塑性和各向同性线性损伤模型，可以用来模拟往复荷载作用下，混凝土开裂和压碎引起的不可恢复性损伤。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[7]，混凝土弹性模量选用EC=3.45×104N/mm2，泊松比v=0.2。

1.2模型建立

钢管内混凝土以及钢骨选用八节点减缩积分实体单元（C3D8R）进行建模，为避免钢骨由于厚度方向单元过少发生沙漏现象，沿钢骨厚度方向划分了3个单元。模型中的钢管、纵向加劲肋以及环肋，采用线性减缩薄壳单元（S4R）。试件采用铰接连接，加载方式以位移进行控制。具体的，如图二所示，在非加载侧，对参考点限制X、Y、Z方向平动以及绕Z轴的转动。在加载侧参考点处施加受拉方向60mm位移。钢与混凝土的相互作用可以分为界面法线方向的接触和切线方向的粘结滑移和摩擦。法线方向设置为“硬”接触，这种接触属性可以传递接触面的压力和变形。接触面的切线方向采用库仑摩擦模型，通过定义界面摩擦系数μ来模拟钢材与混凝土间的化学粘结与滑移，钢材与混凝土间μ取0.6。核心混凝土及钢骨与离散刚性端板采用绑定约束；钢管与离散刚性端板采用耦合约束。

图二

1.3承载能力参数分析

对影响钢管混凝土构件承载能力的主要参数进行分析，主要的变化参数有环向加劲板的间距，是否设置纵向加劲肋以及是否设置内配钢骨尺寸。其中，钢管材质为Q345，混凝土强度等级为C50。基本模型参数和主要变化参数见表一：

表一

试件的荷载-位移曲线和应力发展过程可以看出，钢材处于弹性阶段时，荷载随位移线性增长，钢管开始屈服后，随着位移的增长荷载缓慢增长，与钢材应力应变趋势一致。试件承载力主要由钢管控制。各参数对极限承载力的影响规律如下图：

⑴试件的应力发展过程是混凝土受拉破坏→钢管开始屈服→试件破坏。混凝土首先出现内部受拉破坏，此时环肋处混凝土受挤压，且越靠近试件两端受到的压力越大，此时钢管整体应力水平较低，保持弹性；继续施加荷载，钢管出现屈服现象，混凝土此时破坏严重；钢管全截面屈服时，混凝土完全损坏。如图三，相较于ZL1试件，ZL2试件在加载过程中，由于纵肋的存在提高了试件的抗拉承载力。

图三纵向加劲肋

图四横向加劲肋

图五钢骨

⑵如图四，随着环肋间距离的减小，即环肋数量的增多，试件的抗拉承载力增大。这是因为在试件在加载过程中，环肋周边的混凝土受到挤压，混凝土可以通过环肋对钢管的伸长起到抑制作用，提高了试件的抗拉承载力。

⑶试件中有钢骨的应力发展过程是混凝土受拉破坏→钢管开始屈服→钢骨开始屈服→试件破坏。混凝土首先出现内部受拉破坏，此时钢骨和钢管整体应力较小，保持弹性；继续施加荷载，钢骨首先出现屈服现象，混凝土此时破坏严重，钢管还未屈服；继续加载钢管才开始屈服；钢管全截面屈服时，混凝土完全损坏，而后钢骨全截面屈服。

2结论与展望

本文通过有限元模拟对钢管混凝土轴心受拉构件进行非线性分析，得到了以下结论。

⑴轴拉试件的荷载－位移曲线均有相同的特征，即曲线包括了弹性段、弹塑性段、塑性段等，其中在塑性段的荷载还有上升，但上升的幅度较慢。

⑵空钢管的内部由于没有混凝土，因此在受拉时其环向变形是自由的，而灌注混凝土的试件其环向受到核心混凝土的约束，使得其环向应变相比空钢管小很多，钢管混凝土构件的轴拉承载力大大提高。

⑶试件达到极限荷载时，内配钢骨钢管混凝土试件的内部钢骨能达到屈服，钢骨很好地参与了试件的受拉过程。钢管混凝土的极限承载力会随着纵肋和环肋的增加，承载力提高；钢骨的存在，可以大大提高极限承载力。

本文通过有限元模拟研究了钢管混凝土构件轴心受拉的极限承载力性能，并对环向加劲板的间距，是否设置纵向加劲肋以及是否设置内配钢骨进行了分析，从理论上看，钢管混凝土构件轴心受拉承载力有大幅度提高，希望以后可以得到实验的进一步验证。

参考文献：

[1]韩林海，陶忠，刘威.钢管混凝土结构——理论与实践[J].福州大学学报（自然科学版），2001（06）：24-34.

[2]史艳莉，王亚伟，王文达.内配型钢的圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析[J].工程抗震与加固改造，2013，35（04）：1-7.