圆钢管混凝土轴压短柱的研究

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钢管混凝土短柱轴心受压承载力与钢管作用研究

钢管混凝土短柱轴心受压承载力与钢管作用研究钢管混凝土短柱是在钢管外加固混凝土的基础上，通过受压作用来承担荷载的一种结构形式。

由于钢管的加固作用，钢管混凝土短柱在抗压性能方面具有很大的优势。

本文将对钢管混凝土短柱轴心受压承载力与钢管作用进行研究，探讨其受力机理及相关影响因素。

1.钢管混凝土短柱的受力机理钢管混凝土短柱主要通过钢管受压作用来承担荷载。

钢管的加固作用可以有效提高短柱的抗压性能，避免混凝土的破坏。

在轴向受压荷载作用下，钢管与混凝土发生黏结，并通过黏结面之间的摩擦力来承担荷载。

钢管的强度和刚度决定了短柱的受力性能，而混凝土的主要作用是保护钢管免受腐蚀和提高受力传递的效果。

2.影响钢管混凝土短柱承载力的因素（1）钢管参数：钢管的强度和刚度是影响短柱承载力的重要因素。

强度包括钢管本身的抗压强度以及钢管与混凝土之间的黏结强度。

刚度决定了短柱的整体变形能力和稳定性。

（2）混凝土参数：混凝土的强度、抗裂性能和粘结性能对短柱的承载力具有重要影响。

强度决定了混凝土抵抗荷载的能力，抗裂性能主要影响了混凝土的开裂破坏。

粘结性能决定了钢管与混凝土之间的受力传递效果。

（3）几何参数：短柱的截面形状和尺寸对其受力性能有很大影响。

通常情况下，较大的截面和较小的高度能够提高短柱的承载力。

（4）加载方式：不同的加载方式（如静载、动载等）对短柱的承载力有明显影响。

在实际工程中，通常考虑不同加载方式下短柱的安全系数。

3.钢管作用对钢管混凝土短柱承载力的影响钢管的加固作用对短柱的承载力具有重要影响。

钢管可以提供较高的强度和刚度，有效增强短柱的抗压性能。

此外，钢管还能提高短柱的稳定性和极限承载力。

然而，钢管也会增加柱子的自重，对承载力产生一定的负面影响。

因此，需要综合考虑钢管参数以及其他影响因素来确定最优的钢管尺寸和布置方式，以提高短柱的承载力。

总之，钢管混凝土短柱轴心受压承载力与钢管的作用密切相关。

钢管的加固作用可以有效提高短柱的抗压性能，但也会增加柱子的自重。

圆钢管轻骨料混凝土轴压短柱的受力性能分析

＝（１一ｐ，＋巨＋２一）０－ｐ）ｐＱＥ，
公式中：Ｑ【（１ — １一２ｖ，）ｎｐ＋（２一ｖＩ～Ｐ＋ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ＋）】一，＝
中，钢管纵向峰值应力高于屈服应力。
（２）弹塑性变形阶段受力分析
也随之提高，如图ｄ所示。
相同的纵向应力，据此可建立二者的同心圆柱计算模型及定
义其单位长度的钢管混凝土短柱的纵向应变力学模式，并以此为基础进行分析，构成了一个弹性力学轴对称的广义平面。此时引，Ｘ．Ａｉｒｙ函数，即可获得一个相对通解的函数公式，而将各种条件进行理想化后，可以得到轴压短柱弹性阶段的组合应力一应变关系公式：＝ＥＬ
随着载荷增加，其性能将从弹性应力状态变为弹塑性相结合的改变模式，核心轻骨料的泊松比随着增加，钢管与核
心轻骨料之间的应力从原有的拉应力变为相互的压应力。钢管与骨料相接触的钢管内部会出现屈服的情况，并以某一个点开始拓展，形成一个环形的塑性变形区域。但是由于钢管壁较薄，因此钢管内外会同时屈服，对于钢管的应力分析不
式中Ｅｓｃ也就是组合弹性模量，此时对于圆钢轻骨料混凝土的弹性应力可利用下面的公式进行分析：

圆钢管橡胶混凝土柱轴压性能研究

上的应用具有广泛前途。同时，随着汽车工业的迅
猛发展，废旧轮胎急剧增加，通过回收废橡胶加工
配置强度分别为Ｃ３０、Ｃ４０、Ｃ５０，其配合比见表１。橡胶颗粒来源于广州市恒昌实业有限公司橡胶颗
基金（ＧＪＪ１２３９３）资助
１．９９１．９２１．８７
１１００．６１０３５．７９７２．３
第一作者简介：梁炯丰（１９８０一），男，博士，讲师，Ｅ — ｍａｉｌ：ｊｉｏｎｇｆｅｎｇｌ０８
＠１２６．ｔｏｍ
１６期
梁炯丰，等：圆钢管橡胶混凝土柱轴压性能研究
１．２试验加载装置及加载制度试验在３００ｔ压力试验机上进行，试验时将试件
承载力略有降低。随着橡胶颗粒掺量的增加，短柱的承载力不断降低。与对比试件Ｃ３０＿＿０相比，试件ｃ３Ｏ一１．５和ｃ３Ｏ —４．５的承载力分别降低
／ｋｇ・ｉｎ。
水
１试验概况
１．１试件设计及材料性能
试验共设计了６根圆钢管橡胶混凝土短柱和３根圆钢管混凝土短柱，试验变化参数为橡胶颗粒掺量和混凝土强度等级。混凝土各组成成分中，水泥选用ＰБайду номын сангаас．０４２．５普通硅酸盐水泥，砂为细度模数为

钢管混凝土轴压柱受力力学性能研究

规律。并在此基础上，出了该类构件在工程实践中的建议，提以供工程设计人员参考。
试验测量数据主要有：管纵向应变、钢荷载值等。
由试验得到的钢管和混凝土材料材性试验结果见表２表３，。
表２钢管力学性能
材料名称
钢管
１试验概况
本试验的试验因子数为１：个混凝士强度等级，钢管等级只能通过理论分析得出。混凝土采用００和Ｃ０混凝土，３５级钢管采
类构件在实际工程中的应用提出了合理的建议。
关键词：钢管混凝土，压短柱，验研究，响规律圆轴试影
中图分类号：３３１ＴＵ２．
文献标识码：Ａ
０引言
钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对混凝土的约束作用使？凝土处于复杂的应力状昆态之下，混凝土的强度得以提高。同时，使由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，以保证其材料性能的充分发可挥。所以钢管混凝土的极限承载力会大于单个的钢管和混凝土极限承载力之和，本文主要对圆钢管混凝土柱做受力分析和试验研究… 。主要研究对象为钢管ｔ昆凝土并对比素？土和钢管受昆凝
用Ｑ３２５钢材，外径为１０ｎｎ，６１１长径比分别为４５和３９。根据．９．６
以往的试验，件的长径比在４附近的试验效果比较好，构长径比
太小则端部效应明显，长径比太大则构件容易失稳破坏［ｌ２。

局部锈蚀圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究

第 55 卷第 1 期2024 年 1 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.55 No.1Jan. 2024局部锈蚀圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究陈梦成1, 2，罗苏昌1，黄宏1, 2，方苇1, 2，许开成1, 2，钱文磊1(1. 华东交通大学省部共建轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室，江西南昌，330013；2. 华东交通大学土木工程建筑学院，江西南昌，330013)摘要：钢管混凝土(CFST)在服役环境中被腐蚀，导致其钢结构承载力降低，严重威胁到结构的服役性能和使用寿命。

首先，采用机加工车铣方法制作模拟局部锈蚀的人工缺陷，然后以钢管外表面局部环向贯通锈蚀位置、锈蚀钢管体积损失率、锈蚀外表面面积损失率(简称锈蚀面积损失率，下同)为试验参数，对45根局部锈蚀圆CFST 短柱试件进行轴压承载力试验；其次，分析锈蚀位置、锈蚀钢管体积损失率、面积损失率和壁厚损失率对锈蚀试件承载力、刚度和延性的影响，揭示锈蚀CFST 试件破坏机理和承载力退化机制；最后，针对局部锈蚀圆CFST 短柱构件轴压承载力提出一个简化实用计算公式。

研究结果表明：各试件具有类似的破坏特征，主要呈明显的腰鼓状破坏，且发生在锈蚀区；随着锈蚀钢管体积损失率增大，锈蚀CFST 柱的承载力、刚度和延性均出现不同程度的降低；在锈蚀钢管体积损失率和面积损失率相同的情况下，就局部锈蚀位置影响而言，中部影响最大；就锈蚀程度表征参数影响而言，锈蚀钢管体积损失率影响最大，面积损失率次之，壁厚损失率最小；本文提出的简化实用公式可为圆钢管混凝土构件全寿命设计提供参考依据。

关键词：圆钢管混凝土短柱；局部锈蚀；轴压承载力；退化机制中图分类号：TU938.9 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2024）01-0317-13Experimental studies on axial compressive bearing capacity ofcircular CFST stub columns with localized corrosionCHEN Mengcheng 1, 2, LUO Suchang 1, HUANG Hong 1, 2, FANG Wei 1, 2, XU Kaicheng 1, 2, QIAN Wenlei 1(1. State Key Laboratory of Service-Performance Monitoring and Protecting for Rail Transit Infrastructures, EastChina Jiaotong University, Nanchang 330013, China;2. School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)Abstract: During the service period, the load bearing capacity of concrete filled steel tubular(CFST) structures decreases over time under corrosive environment, seriously threatening the service performance and service life of the structures. Firstly, a turn milling machining method was used to manufacture an artificial defect to simulate a收稿日期： 2023 −02 −25；修回日期： 2023 −04 −25基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(52278180，51878275) (Projects(52278180, 51878275) supported by theNational Natural Science Foundation of China)通信作者：陈梦成，博士，教授，从事钢混组合结构设计理论及其耐久性和安全性等研究；E-mail ：****************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2024.01.026引用格式：陈梦成, 罗苏昌, 黄宏, 等. 局部锈蚀圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2024, 55(1): 317−329.Citation: CHEN Mengcheng, LUO Suchang, HUANG Hong, et al. Experimental studies on axial compressive bearing capacity of circular CFST stub columns with localized corrosion[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2024, 55(1): 317−329.第 55 卷中南大学学报(自然科学版)localized through-circumferential corrosion on the outer surface of steel tube. After this, axial compression load bearing capacity experiments were conducted on 45 circular CFST stub columns with localized through-circumferential corrosion by varying the corrosion position, volume loss ratio and external surface area loss ratio (area loss ratio for short, similarly hereinafter) of corroded steel tube. Secondly, the effects of localized corrosion position, volume loss ratio, area loss ratio and wall-thickness loss ratio on the axial load bearing capacity, stiffness and ductility of locally corroded CFST stub column were discussed, and the failure and load bearing capacity degradation mechanisms of the corroded specimens were revealed. Finally, a simplified practical calculation formula was established for the axial bearing capacity of CFST stub columns with localized corrosion. The results show that the corroded specimens have similar responses. Obvious outward bulging failure is predominated and occurs in the corrosion region. With increasing corrosion volume loss ratio, the bearing capacity, stiffness and ductility of the specimen with localized corrosion decrease at different level. Given the same corrosion volume loss ratio and area loss ratio, as for the impact of localized corrosion position, the largest impact appears in the specimen with localized through-circumferential corrosion at its mid-part; as for the effect of corrosion level indexes, the largest impact is that of volume loss ratio, followed by that of area loss ratio, and the minimum impactis that of wall-thickness loss ratio. The proposed prediction model can provide a reference framework for the life-cycle design of CFST columns.Key words: circular CFST stub columns; localized corrosion; axial compression load bearing capacity; degradation mechanism钢管混凝土结构具有承载能力高、塑性和韧性好、施工方便、经济效益高等优点，多用于高层建筑、大跨度桥梁、海洋平台、锅炉塔架、电视台等土木工程结构中[1−4]。

钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析

4、对数值模型进行验证，确保其准确性。通过对比实验与模拟结果的应力-应变关系、破坏形态等，对模型土叠合柱的参数（如钢管厚度、混凝土强度等），进行多组对比分析，探讨各因素对轴压性能的影响。
6、对实验和数值模拟结果进行理论分析，结合实际情况对钢管混凝土叠合柱的轴压性能进行评估。
钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析
01 引言
03 分析方法 05 结论
目录
02 概念阐述 04 实例分析 06 参考内容
引言
钢管混凝土轴压短柱是一种常见的结构形式，在建筑、桥梁等领域得到广泛应用。在地震、风载等外力作用下，钢管混凝土轴压短柱的力学性能研究具有重要意义。非线性有限元分析作为一种有效的数值模拟方法，能够综合考虑材料的非线性行为和截面几何特性，为钢管混凝土轴压短柱的分析提供有力支持。本次演示将介绍钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析的基本概念、方法步骤和实际应用，并探讨其优势、不足及未来研究方向。
3、材料模型：混凝土和钢管的材料模型需根据实际材料特性进行选择。常用的混凝土模型包括弹塑性模型、损伤塑性模型等；钢管模型则一般采用弹性模型或弹塑性模型。
4、边界条件处理：根据实际结构边界条件进行约束和支撑处理。对于固定端，可采用固定支撑；对于自由端，可采用弹簧元或滚动支撑进行处理。
实例分析
1、钢管混凝土短柱在受到冲击作用时，表现出明显的动态响应，其冲击响应曲线呈非线性特点。
2、钢管的类型和混凝土的强度对钢管混凝土短柱的抗冲击性能具有重要影响。采用高强度钢管和高质量混凝土可以提高试件的抗冲击性能。
引言
钢管混凝土叠合柱是一种新型的组合结构，具有较高的承载力和抗震性能，在建筑和桥梁工程中得到广泛应用。轴压性能是钢管混凝土叠合柱的重要性能指标之一，直接关系到结构的安全性和稳定性。因此，对钢管混凝土叠合柱轴压性能进行研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

配有圆钢管的钢骨混凝土轴压短柱的极限承载力计算(Ⅰ)

Ｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｃｏｒｅｓｈｏｒｔｃｏｌｕｍｎｓｗｉｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅ・ｉｌｆｌｅｄ
ｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒｕｎｄｅｒａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒｔｈｅｓｔａｔｅｏｆａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｆｏｒｃｏｒｅｓｈｏｒｔｃｏｌｕｍｎｓｗｉｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅ — ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒ，ｔｈｅＨｅｎｃｋｙｔｈｅｏｒｙｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏａｎｌｙａｓｉｓｔｈｅｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒ，ｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｅｃｏｎｔｉｒｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖｅｔｒｉｃａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒｗｈｅｎｔｈｅｃｏｒｅｃｏｌｕｍｎｙｉｅｌｄｅｄｔｏｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｉｒｎｇｃａｐａｃｉｔｙ．ＴｈｅＤｒｕｃｋｅｒ — Ｐｒａｇｅｒｓｔｒｅｎｇｔｈｃｉｔｒｅｉｏｒｎｗａｓｕｓｅｄｔｏａｎｌｙａｓｉｓｃｏｒｅｃｏｎｃｒｅｔｅｂｅａｉｎｒｇｃａｐａｃｉｔｙ．Ｃｏｎｓｉｄｅｉｒｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｒａｎｓｖｅｓｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｒａｔｉｏ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｏｍｕｒｌａｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｒｅｉｆｏｎｒｃｅｍｅｎｔｒａｔｉｏ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｅｘｉｓｔｉｎｇｅｘｐｅｉｍｅｒｎｔｌａｄａｔａａｎｄｏｔｈｅｒｗａｙｓ，ｔｈｅｃｌｃａｕｌａｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｍａｎｄｐｒｏｖｉｄｅａｎｅｗａｐｐｒｏａｃｈｔｏｃｌｃａｕｌａｔｅｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｃｏｔｅｓｈｏｔｒｃｏｌｕｍｎｓｏｒｆｗｉｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅｉｆｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒｕｎｄｅｒｘｉａａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ — ｉｆｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒ；ｓｈｏｒｔｃｏｌｕｍｎｓ；ｘｉａｌａｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｉｒｎｇｃａｐａｃｉｔｙ

圆钢管混凝土轴压短柱受力机理影响因素分析

ｃｎｒｔｉｄｃｒｕａｔｅｔｂｌｒｓｕｏｕｓｏｃｅｅｆｌｉｌｒｓｅｌｕｕａｔｂｃｌｍｎｌｅｃ
ＤＩＧＦ — ｉｇＹｈ— ＵＮａｘｎ，ＵＺｉＷ
（ｃｏｌｆｉｉａｄＡｃｉｃｒｎｉｅｒｇｅｔｌｏｔｎｖｒｔ，Ｃａｇｈ１０５ＣｉａＳｈｏｏＣｖｎｒｈｔｔａＥｇｅｎ，ＣｎａＳｕＵｉｓｙｈｎｓａ０７，ｈ）ｌｅｕｌｎｉｒｈｅｉ４ｎ
ＴｅｒｓｌｎｉａｅｔａｅａｉｔｓｆｃｎｒｔｏｅｉｃｅｅｒａｌａｄｔｅｄｃｉｔｉｉｒｖｈｎｓｌｕｅｈｅｕｔｉｄｃｔｔｈｘａｓｅｓｏｏｃｅｅｃｒｎｒａｓｇｅｔｕｔｉＳｍｐｏｅｗｅｔｂｓｈｔｌｒｓｙｎｈｌｙｄｅｔｉｃｎｉｅ．Ａｈａｍｅｈｘａｔｓｆｓｌｔｂｅｒａｅａｉｌｒｃｎｉｅｎｆｃ．Ｓｏｆｄｔｔｅｓｍｅｔ．ｔｅａｉｓｅｓｏｔｕｅｄｃｅｓｒｐｄｙｆｏｆｍｅｔｆｔｎｉｌｒｅｓｏｎｅｅｅｔｅａｎｏｈｒｐ．
ｃｒｕａｅｔｎ。ｗｉｈｗｓｖｒｅｙｔｅｔｓｒｓｌ。ｔｅｂｈｖｏｆｔｅｃｌｍｎａｉｌｔｄｗｅｏｄｄｔｉｉｌｓｃｉｃｒｏｈｃａｅｉｄｂｅｔｅｕｔｈｅａｉｒｏｕｓＷｓｉｆｈｓｏｈｓｍｕａｅｈｎｌａｅｆｌｏａ．

圆中空夹层钢管混凝土轴压短柱承载力研究

关键词：钢管混凝土；中空夹层；双剪统一强度理论；轴压短柱；承载力中图分类号：ＴＵ３１２文献标识码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆａｘｉａｌｌｙ— — ｌｏａｄｅｄｓｈｏｒｔｃｏｌｕｍｎｓｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｉｆｌｌｅｄｄｏｕｂｌｅｓｋｉｎｓｔｅｅｌｔｕｂｅｓ
王羡农，高从超，王囡囡
（河北工程大学土木工程学院，河北邯郸０５６０３８）
摘要：为了计算圆中空夹层钢管混凝土短柱的轴压承载力，采用双剪统一强度理论，分析核心混凝土在轴向压力作用下对内外钢管产生的侧向压应力及内外钢管在水平向的承载应力，通过对双剪统一强度理论公式的推导，计算内外钢管的竖向极限承载应力，并结合核心混凝土的承载力，推导出圆中空夹层钢管混凝土短柱轴压承载力的简化计算公式。采用数值方法对公式进行求解，得出承载力计算值，计算结果与国内文献试验结果吻合良好。
ＷＡＮＧＸｉａｎ—ｎｏｎｇ，ＧＡＯＣｏｎｇ— ｄｈａｏ，ＷＡＮＧＮａｎ —ｎａｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＨａｎｄａｎ，０５６０３８，Ｃｈｉｎａ）

圆钢管套箍混凝土轴压短柱受力机理分析

的差别・并用试验结果验证。分析结果表明；与钢管混凝土力学性能相比，钢管套箍混凝土中核心混凝土的径
向压应力、向强度和钢管环向拉应力增加；圆钢管套箍混凝土将套箍约束作用发挥至最大，且其极限承载力纵和剩余承载力高，延性好，但组合弹性模量偏小。关键词：钢管套箍混凝土；套箍作用；应力一应变关系；弹塑性分析；受力机理；钢管混凝土
中圈分类号：Ｔ９Ｕ３９文献标识码：Ａ
圆钢管套箍混凝土（ＴＣＳＣ）柱在轴向仅核心
准则。
混凝土受荷，钢管只起横向套箍作用时，钢管从受力开始就存在对混凝土的约束套箍作用。有些学者
认为圆钢管套箍混凝土比圆钢管混凝土（ＦＴ）ＣＳ更有优势，也进行了一些相关的试验研究口。 … 对圆钢管套箍混凝土轴压短柱受力性能的试验
３）钢管与混凝土之问在横截面上共同工作性
能良好，变形协调，界面连续。４）不考虑钢管和混凝土轴向滑移产生的摩擦
力。
］●
１２弹性阶段应力分析．
图１为圆钢管套箍混凝土轴压短柱试件的受力研究有２种形式：①试件成型时钢管内表面不涂油，荷载施加在混凝土上ｒ。１一；②试件成型时钢管及计算模型。图中：Ｌ为圆柱体长度；Ｄ为圆柱体
线性全过程分析程序，在试验验证的基础上，对圆
钢管套箍混凝土轴压短柱进行受力机理分析。
１理论模型
１１基本假定．
图ｌ圆钢管套箍混凝土受力和计算模型
在小变形条件下，圆钢管套箍混凝土轴压短柱
仍为弹性力学轴对称广义平面应变问题。引入Ａｒ应力函数ｒ— Ｃ１＋Ｃ，１－３＋Ｃ，ｉｙｌｒ２ｎ＋Ｃｒｎ卫，工４其

FRP-圆钢管混凝土短柱轴压性能研究

钢管混凝土柱是性能优越的钢一混凝土组合结构。在钢管混凝土柱中，核心混凝土能延缓或避免钢管局部向内屈曲，提高钢管的稳定性和承载力。但是钢管
收稿日期：２Ｏ１５—０４－２１；修回日期：２０１５—１１—１１基金项目：国家自然科学基金（５１１０８３５５）；中央高校基本科研业务费专
（武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉４３００７２）
摘要：本文在１Ｏ根ＦＲＰ－圆钢管混凝土短柱轴心受压试验研究基础上，建立有限元模型，分析钢管壁厚、混凝土强度、ＦＲＰ种类和层数及ＦＲＰ弹性模量对ＦＲＰ－圆钢管混凝土短柱轴心受压性能的影响。结果表明：随着钢管壁厚的增加，ＦＲＰ－圆钢管混凝土短柱的屈服荷载和极限荷载增大；提高混凝土强度可小幅度提高短柱的极限荷载，对短柱延性影响不大；增加ＦＲＰ层数会明显增大短柱极限荷载和延性；ＦＲＰ层数相同时，与ＡＦＲＰ－圆钢管混凝土柱和ＣＦＲＰ－圆钢管混凝土柱相比，ＧＦＲＰ－圆钢管混凝土柱延性最佳。ＣＦＲＰ抗拉强度相同时，随着其弹性模量增大，短柱的延性减小；结合有限元计算结果，建立ＦＲＰ－圆钢管混凝土短柱承载力简化计算式，其计算结果与试验结果吻合良好。关键词：圆钢管混凝土柱；纤维增强聚合物（ＦＲＰ）；轴心受压；有限元；承载力中图分类号：ＴＵ３７５．３文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１６．０４．０１５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆ１０ａｘｉａｌｌｙｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｆｉｌｌｅｄｃｉｒｃｕｌａｒＦＲＰ－ｓｔｅｅ１ｔｕｂｅｓ（ＣＦＦＳＴ），ａｆｉｎｉｔｅ－ｅｌｅｍｅｎｔ（ＦＥ）ｍｏｄｅ１ｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｓｔｅｅｌｔｕｂｅ，ｃｏｎｃｒｅｔｅｓｔｒｅｎｇｔｈ，ＦＲＰｔｙｐｅｓａｎｄｌａｙｅｒｓ，ｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓｏｆＣＦＲＰｏｎｔｈｅａｘｉａｌｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＣＦＦＳＴｓｔｕｂｃｏｌｕｍｎｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｓｔｅｅｌｔｕｂｅ，ｔｈｅｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｕｌｔｉｍａｔｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆＣＦＦＳＴｓｔｕｂｃｏｌｕｍｎｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｇｒａｄｕａｌｌｙ．Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｕｌｄｉｍ— ｐｒｏｖｅｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆＣＦＦＳＴｓｔｕｂｃｏｌｕｍｎｓ。ｗｈｉｃｈｈａｄｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｄｕｃｔｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｕｂｃｏｌ— ｕｍｎｓ．ＩｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆＦＲＰｓｈｅｅｔｌａｙｅｒｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｄｕｃｔｉｌｉｔｙｏｆＣＦＦＳＴｓｔｕｂｃｏｌｕｍｎｓ．ＧｉｖｅｎｔｈｅｓａｍｅｎｕｍｂｅｒｏｆＦＲＰｌａｙｅｒｓ，ＧＦＲＰｓｔｕｂｃｏｌｕｍｎｓｓｈｏｗｅｄｂｅｔｔｅｒｄｕｃｔｉｌｉｔｙｔｈａｎＡＦＲＰｓｔｕｂｃｏｌｕｍｎｓａｎｄＣＦＲＰｓｔｕｂｃｏｌｕｍｎｓ．ＵｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆＣＦＲＰ。ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｅ— ｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓ，ｔｈｅｄｕｃｔｉｌｉｔｙｏｆＣＦＦＳＴｓｔｕｂｃｏｌｕｍｎｓｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｆｏｒｍｕｌａｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆＣＦＦＳＴｓｔｕｂｃｏｌｕｍｎｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＦＥｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅｆｉｌｌｅｄｃｉｒｃｕｌａｒｓｔｅｅｌｔｕｂｅｃｏｌｕｍｎ；ｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙｍｅｒ（ＦＲＰ）；ａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ

轴压空心圆钢管混凝土短柱的弹—黏塑性分析

分析
管的泊松比却基本上保持不变。在这过程中，混凝
土的弹性模量发生了很大的变化，而钢材的弹性模量基本保持不变。将空心钢管混凝土的核心混凝土看成是厚壁圆筒分析，对于长圆筒，认为圆筒处于平面应变状
文献［］１、文献［］均表明，在弹性范围２内，中空夹层钢管混凝土构件的内外钢管对核心混
本文利用Ｐｒｎ提出的三向应力状态下的弹ｅｚａｙ
一
个新的强度理论，其表达式若用材料的剪切强度
Ｃ和内摩擦角及主应力。：表示则为。、、
Ｆ一
０ ≤ ｃ＂１（ｒｒ）一２２＋ｃ３
１
（＋）鬻６＝
（１ｒ）一ｃ３
也是一个选用不同强度准则的参数，当ｂ＝０时为
响，该结果为钢管混凝土柱的承载力分析计算提供了一定的理论依据，对工程设计有一定的参考
价值。
・
作者简介：李静（９２年一１８
），女，陕西宝鸡人，硕士。
３・０
理论研究
轴压空心圆钢管混凝土短柱的弹一黏塑性分析
２１第４期００年
Ｍｏｒｏｌｍｈ —Ｃｕｏｂ准则，当ｂ＝１为双剪强度理论。时
核心混凝土的泊松比从０１７逐渐接近０５．６．，而钢
当＝；ｂ０，．１＝，１０５时，分别得到Ｔｅａｒｃ屈服准ｓ
则、双剪屈服准则和Ｍｉｓｓ屈服准则的线性逼近。ｅ２２空心圆钢管混凝土轴压短柱的弹一黏塑性．

圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱轴心受压试验研究

四川建筑科学研究
９６
ＳｉｃｈｕａｎＢｕｉｌｄｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ
第３９卷第６期２０１３年１２月
圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱轴心受压试验研究
胡潇，钱永久
（１．成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都６１００５９；
０引言
采用圆形钢套管加固钢筋混凝土柱的方法是利用钢筋混凝土柱在受到不断增大的轴向力作用下，
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｗｏｒｋｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｌｃｏｎｔｒａｓｔｕｎｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌｕｍｎａｎｄ３ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｌｕｍｎｓｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｂｙｃｉｒｃｕｌａｒｓｔｅｅｌｔｕｂｅｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｕｎｄｅｒａｘｉａｌｌｏａｄｉｎｇ．Ｔｈｅｐｒｉｍａｙｒｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｃｏｌｕｍｎｓｗａｓｓｔｅｅｌｔｕｂｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｄｕｃｔｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｃｏｌｕｍｎｓｇｒｅｗｕｐｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅ

钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析_丁发兴

钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析丁发兴1,2，周林超1，余志武1，欧进萍2（1.中南大学土木建筑学院，长沙 410075；2. 哈尔滨工业大学土木工程学院, 哈尔滨 150090）摘要：提出新的混凝土单轴受力和轴对称三轴受压应力－应变关系统一计算公式，应用连续介质力学，采用弹塑性法对圆钢管混凝土轴压短柱力学性能进行分析，指出该新公式可避免圆钢管混凝土轴压短柱荷载－应变曲线上升段刚度衰减过快的缺点。

采用该新公式并应用ABAQUS有限元软件建立圆钢管混凝土轴压短柱有限元模型，根据圆钢管混凝土轴压短柱的弹塑性法分析结果，确定ABAQUS中混凝土塑性损伤本构模型的膨胀角为40°，然后通过有限元建模对典型的方形钢管混凝土、矩形钢管混凝土、方形带肋钢管混凝土、矩形带肋钢管混凝土和箍筋约束混凝土轴压短柱的荷载－应变曲线试验结果进行数值仿真分析，计算结果与试验结果吻合良好。

采用ABAQUS有限元软件，对相同含钢率下的方形钢管混凝土、矩形钢管混凝土、方形带肋钢管混凝土、矩形带肋钢管混凝土和钢筋混凝土轴压短柱的荷载－应变曲线进行数值仿真分析，探讨各种短柱的受力性能和约束套箍作用，指出方、矩形钢管混凝土的约束套箍作用没有圆钢管混凝土明显，也没有钢筋混凝土明显，所以对方、矩形钢管混凝土轴压短柱采取加肋的办法不能提高其承载力，但可略微改善其延性。

关键词：工程结构；钢管混凝土；本构模型；有限元法；弹塑性法中图分类号：TU318+.1文献标识码：A 文章编号：1673－7180(2009)07－0472－8 Nonlinear finite element analysis of axially loaded concrete-filled steeltubular stub columnsDing Faxing1,2，Zhou Linchao1，Yu Zhiwu1，Ou Jinping2(1. School of Civil Engineering and Architecture, Central South University, Changsha 410075, China;2. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)Abstract: New unified formulas for stress-strain relations of concrete under uniaxial load and under axisymmetric triaxial compression were proposed. Based on continuum mechanics, elasto-plastic method was adopted to analyze the behavior of concrete-filled circular steel tubular (CFCT) stub columns under axial compression. When the new unified formula for axial stress-axial strain relations of concrete under axisymmetric triaxial compression was adopted, the defect of the axial compressive stiffness decaying fast at the ascending branch in load-axial strain relations of CFCT stub columns was avoided. Applying new unified formula for stress-strain relations of concrete under uniaxial load, ABAQUS was used to establish the finite element model and to analyze the behavior of CFCT stub columns. According to the results of the behavior by elasto-plastic method for CFCT stub columns, the dilation angle in plastic-damage constitutive model for concrete in基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(50808180)；高等学校博士学科点专项科研基金(200805331064)；湖南省自然科学基金资助项目(07JJ4014)作者简介：丁发兴(1979－)，男，博士，副教授, dinfaxin@ABAQUS was determined as 40°. Then the load-axial strain behavior of typical concrete-filled square steel tubular (CFST), concrete-filled stiffened square steel tubular (CFSST), concrete-filled rectangular steel tubular (CFRT), concrete-filled stiffened rectangular steel tubular (CFSRT), and reinforced concrete (RC) stub columns were analyzed by ABAQUS. The analytical results were in good agreement with the experimental results from references. Finally, the load-strain behavior of typical CFST, CFSST, CFRT, CFSRT, and RC stub columns under the same steel ratio were analyzed by ABAQUS. The behavior and confinement effect of these stub columns were discussed. The confinement effect of CFST and CFRT stub columns are lower than that of CFCT stub columns, even lower than that of RC stub columns. The load capacity is hardly improved and the ductility is improved slightly when the CFST and CFRT stub columns are stiffened.Key words: engineering structures；concrete filled steel tubular columns；constitutive model；finite element method；elasto-plastic method0引言钢管混凝土在压应力作用下，存在约束套箍作用，这种作用使得其承载力提高，延性改善；此外，钢管混凝土还具有施工方便以及造价经济合理等优点，在我国高层超高层建筑结构、城市桥梁和大跨度建筑中得到广泛应用[1]。

钢管混凝土短柱承载力计算研究

钢管混凝土短柱承载力计算研究摘要：本文通过对中国工程建设标准化协会标准，国家建筑工业局标准及自己推导的三个钢管混凝土短柱轴心受压承载力计算公式进行了讨论，并通过实例计算，采用ANSYS对其进行分析，结果吻合良好。

关键词：钢管混凝土;短柱;承载力;1规程CECS计算公式考虑了混凝土的约束效应,等效混凝土截面，采用下式对圆钢管混凝土短柱轴心受压强度作设计计算:这样引起的值的误差介于-19.6%~ 14.2%之间，此公式亦为设计手册的计算公式，常应用于实际之中。

2 规程JCJ计算公式3公式讨论4算例分析下面以3号钢，C50混凝土为例，确定了在一定的含钢率下的套箍指标，在各个公式中计算得出结果列于表1：通过图表可以看出各个公式计算所得结果之间的关系。

计算结果中规程CECS的计算结果较为偏大，通过实验可以看出公式（3）与实验结果十分接近且计算方便。

5有限元分析根据钢管混凝土结构本身的特点，在应用ANSYS有限元软件计算时，采用PLANE42单元分别模拟钢管，混凝土，加载板。

混凝土采用相关文献建议的本构关系，在分析程序中采用多重线性曲线（MISO）来描述混凝土的应力-应变关系，曲线如下图2所示；钢管的弹性属性选择各向同性材料，其塑性属性选择双线性随动强化（BKIN）材料，需要输入的常数是屈服应力和切向斜率。

根据有关研究表明，钢管与混凝土之间的黏结滑移性能对结构整体性能的影响微不足道。

所以，在分析中，假设钢管与混凝土之间完全黏结。

在实验中，钢管混凝土短柱是通过承压板的传递来满足纵向的位移协调的。

为避免局部应力集中，在分析中，将集中力转化为均布力。

从图中可以看出有限元计算结果和实验结果基本吻合，有限元计算值与实验值对比的差异，主要是因为分析中排除了实验中的干扰因素的影响。

ANSYS只计算到荷载-位移曲线的极值点，下降段由于结构整体刚度矩阵接近奇异而很难通过控制荷载计算出来。

5结语本文对钢管混凝土短柱的力学性能进行了初步研究，通过对全曲线分析，发现钢管混凝土柱在轴压时表现出较好的弹性和塑性性能。

浅谈钢管混凝土轴压短柱尺寸效应的研究现状

-126-科学技术创新2019.02浅谈钢管混凝土轴压短柱尺寸效应的研究现状唐一张小虎田呈林(西京学院土木工程学院，陕西西安710123)摘要：目前在高层建筑结构以及大跨度的桥梁工程中钢管混凝土作为一种竖向承重的构件正得到越来越广泛的应用。

但是钢管混凝土结构中存在的尺寸效应成为国内外学者研究的一个重要方向，并已经取得了一些成果，但还有待进一步的研究。

关键词：钢管混凝土；尺寸效应；短柱中图分类号:TU375文献标识码：A文章编号:2096-4390(2019)02-0126-02钢管混凝土是钢-混凝土组合结构中的一种基本形式，与传统建筑结构相比,钢管混凝土有许多特点。

以施工过程为例,钢管在其中充当浇筑混凝土用的模板及临时支撑的作用,从而可以节省材料并缩短施工时间。

钢管混凝土结构按照不同部分受力的先后次序，可大致分成三种不同的加载模式，即混凝土和钢管一起同时承受荷载、只混凝土受到作用力、只钢管受到作用力，在三种模式中第一种在工程实际中的应用最为普遍,这也成为目前研究的一个方向。

在力学性能方面钢管混凝土结构主要有静力和动力两个工况，目前许多研究表明因为钢管和混凝土之间存在的相互作用，使钢管混凝土具备强度比较高、刚度比较大、延性比较好等优点,并且钢管混凝土的抗震性能也优于一般的钢筋混凝土结构,这使得钢管混凝土在高层等结构中的应用越来越广泛。

钢管混凝土组合结构受压作用过程中，因钢管内浇筑的混凝土可以起到对钢管的侧向支撑作用,从而使得钢材的局部屈曲得以延迟，而由于浇筑的混凝土周围钢管的包裹产生的侧向约束使钢管内浇筑的混凝土处于三相受压作用状态，在三向受压状态下的混凝土的应变软化特性得以改善，变形能力和抗压强得到了提高。

作为一种具有准脆性特性的材料，混凝土的力学性能存在着随构件几何尺寸变化产生的尺寸效应，在准脆性材料中普遍存在着尺寸效应。

在结构工程中，尺寸效应表现为材料相关的特性与构件尺寸大小成一定函数关系。

碳纤维布部分包裹圆钢管混凝土短柱轴压性能试验研究

第３７卷　第４期Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．４中州大学学报ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＺＨＯＮＧＺＨＯＵ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ２０２０年８月Ａｕｇ．２０２０　碳纤维布部分包裹圆钢管混凝土短柱轴压性能试验研究黄春晓１，２，王　伟３，王　颖１，２，潘福婷１，２（１．建筑结构安徽省普通高校重点实验室（安徽新华学院），安徽合肥２３００８８；２．安徽新华学院土木与环境工程学院，安徽合肥２３０００９；３．安徽给排水设计研究院有限公司，安徽合肥２３００１１）收稿日期：２０２０－０６－０１基金项目：安徽新华学院校级重点科研项目（２０１８ｚｒ００２）；安徽省教育厅科研重点项目（ＫＪ２０１９Ａ０８８５）；国家级大学生创新创业训练计划（２０１８１２２１６０４１）作者简介：黄春晓（１９８９—），女，安徽六安人，硕士，安徽新华学院土木与环境工程学院讲师，研究方向为钢结构和组合结构。

摘　要：为了研究碳纤维增强聚合物（ＣＦＲＰ）部分包裹的圆钢管混凝土短柱轴压性能和破坏机理，本文进行了８根组合短柱的轴压试验，探讨了钢管强度、ＣＦＲＰ布包裹层数、ＣＦＲＰ布包裹间距等参数对试件轴压性能的影响。

通过对破坏模式、轴压荷载（Ｎ）－轴向变形（δ）曲线、钢管和ＣＦＲＰ应变响应等试验结果的分析，揭示了ＣＦＲＰ部分包裹圆钢管混凝土轴压短柱的受力机理，提出了组合短柱的轴压承载力计算公式，研究结果将为ＣＦＲＰ在实际工程中的应用提供科学依据。

关键词：碳纤维增强聚合物（ＣＦＲＰ）；部分包裹；圆钢管混凝土短柱；轴压试验；承载力ＤＯＩ：１０．１３７８３／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４１－１２７５／ｇ４．２０２０．０４．０２３中图分类号：ＴＵ３９８．９；ＴＵ３５２．１１文献标识码：Ａ文章编号：１００８－３７１５（２０２０）０４－０１１５－０５１　引言碳纤维增强复合材料（ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃ／ｐｏｌｙｍｅｒ，ＣＦＲＰ）由于其重量轻、抗拉强度高、施工方便等优点，可以极大程度地提高构件的极限强度和延性，在加固工程中得到广泛的应用［１－２］。

钢管混凝土轴压短柱经济含钢率的探讨

钢管混凝土轴压短柱经济含钢率的探讨从含钢率、钢管强度和核心混凝土强度三方面对钢管混凝土轴心受压短柱的强度提高率进行了讨论分析，对各种材料组合下的钢管混凝土强度提高率进行了数值计算，得出各规程轴压短柱经济含钢率。

标签：钢管混凝土轴压短柱含钢率强度提高率1 引言在工程设计中，如何根据各组成材料的价格和施工费用，获取一个最经济的材料组成，是非常重要的一个问題。

在钢管混凝土构件中，钢材是其经济决定因素，由于不同的截面尺寸所需的钢材含量不尽相同，所以经济含钢率指标是十分必要的。

钢管混凝土轴心受压短柱由于钢管的约束作用使管内混凝土三向受压，提高了混凝土承载力，增加了混凝土的极限压应变，钢管混凝土柱因此获得了良好的工作性能。

以N0表示不考虑钢管约束作用时的名义承载力，此时N0=fsAs+fcAC （1）式中：fs为钢材的设计强度值，As为钢管的横载面积，fc为混凝土的设计强度值，Ac为管内核心混凝土的横截面积。

令N表示考虑钢管约束作用的钢管混凝土轴压短柱承载力，有ω=N/N0，ω称为钢管混凝土轴压短柱的强度提高率。

对照现行各规程可以发现，ω的主要影响因素为含钢率ρ（ρ=As/Ac 4t/D，t为钢管壁厚，D为钢管外径）、核心混凝土设计强度fc、钢管设计强度fs·即：ω=ω（ρ、fc、fs）通过简单的数值计算发现，在一定的材料组合下，ω将取得极值，在本文中将ω取得最大值时的含钢率定义为此组合材料的经济含钢率。

以实验为基础，以材料完全发展塑性为前提，获得钢管混凝土强度提高率为1.22【1】。

2 强度提高率影响因素【2】2.1含钢率当钢管材料和混凝土种类选定以后，合理的含钢率将是决定因素，普通钢筋混凝土轴压短柱的承载能力，随着纵向钢筋的增加而提高，其承载能力提高值△N基本上等于纵向钢筋的强度fs与增加截面积△As的乘积，即：△N=fs×△As （2）对于钢管混凝土轴压短柱，随着含钢率的提高，由于钢管的约束作用，其承载能力的提高大大超过了由于钢材面积而提高的承载力。

圆钢管混凝土轴压短柱的研究

圆钢管混凝土轴压短柱的研究圆钢管混凝土轴压短柱的研究1轴压短柱的基本性能轴心受压是圆钢管混凝土构件最理想的受力状态,可以最大限度地发挥钢材和核心混凝土的材料性能,具有良好经济效益。

圆钢管混凝土轴心受压构件可以用于屋架、托架、塔架、拱桥桁架和网架等平面和空间桁架的主要压杆,还可以用作多层、高层框架-支撑结构体系的抗侧力支撑,替代现有的型钢支撑或钢筋混凝土支撑。

大部分试验采用的轴压短柱试件的长径比都不超过4,超过4破坏时常带有试件的整体弯曲。

但是L/D太小时,端部效应往往会对试件工作性能的影响很大,即伴有整体失稳的因素,所以一般情况要考虑压曲效应,但是我们这里所说的短柱为了研究方便忽略压曲效应的柱。

2长径比对轴压短柱承载力的影响为观察圆钢管混凝土短柱的力学行为,诸多机构进行了专门的试验研究[1~4]。

试验的主要参数包括加载方式、长径比、宽厚比和套箍指标等,下面我们主要对构件的长径比进行一些分析和研究。

图1是根据表1给出的短柱试验结果[1~4]得到的不同长径比与承载力的关系曲线。

可以看出:曲线都具有上升段和下降段和峰值及其对应的极限载荷点。

对于L/D小于2的试件,极限荷载有相对增大的趋势,L/D=0.8时,极限载荷增幅较大,其它不是非常明显。

这说明试件过短,端部效应对试件中截面的应力分布有影响。

对于L/D大于4的试件,从表1可以看出,极限荷载有相对减小的趋势。

所以试件长径比的影响,主要表现在两个方面:一方面是试件较短时,试验机传力板对试件端都会产生附加的套箍约束,从而使核心混凝土的强度有所增高;另一方面是试件的长径比较大时,会因压曲而降低其极限承载能力。

综上所述,我们可以偏于安全地将长径比L/D<4 的圆钢管混凝土柱看成为“短柱”。

注:D-钢管外径;t-钢管壁厚;L-钢管长度;L/D-长径比;D/t-径厚比;fc-混凝土强度;fs-钢材屈服强度;B-加载方式。

3轴压短柱的变形特点对于D/t≥20 的圆钢管混凝土轴心受压短柱,其N-εc曲线[5]应该如图2所示:在较低的荷载阶段,也就是图中的OAB段,大致为一直线,仅在A点处可能因试件端面支垫层的压实过程,斜率略有改变。

圆钢管混凝土短柱局压力学性能研究[权威资料]

圆钢管混凝土短柱局压力学性能研究[权威资料]圆钢管混凝土短柱局压力学性能研究摘要：进行了12个圆钢管混凝土短柱局压试验，探讨混凝土强度等级、局压面积比对钢管混凝土短柱局压极限承载力的影响.试验结果表明，混凝土强度等级提高，极限承载力增大而延性降低；局压面积比减小，则承载力越高延性越低.采用合理的材料本构关系，利用ABAQUS有限元软件建立圆钢管混凝土短柱局压的壳实体三维有限元模型，在试验验证的基础之上，利用ABAQUS软件及相应的有限元模型探讨局压面积比、含钢率、钢材强度和混凝土强度对短柱局压极限承载力的影响.通过拟合分析提出圆钢管混凝土短柱局压极限承载力的实用计算公式，将该计算公式、有限元计算值、其他学者提出的计算公式与笔者试验及其他学者共47组圆钢管混凝土短柱局压试验资料进行对比，分析结果表明，笔者提出的公式计算结果与试验结果相比具有较高的精度.关键词：钢管混凝土；局压；有限元方法；极限承载力TU398 A1674-2974（2015）11-0033-08与传统的钢结构或混凝土结构相比，钢管混凝土柱具有承载力高、延性好和施工便捷等优点，在建筑和桥梁工程中得到了越来越广泛的应用[1]，为此许多学者对此开展了研究[1-6].钢管混凝土柱局部受压是工程使用中常见的一种受力方式，如在桥墩结构中.蔡绍怀[1]进行了圆钢管混凝土中心区局部承压试验，探讨了圆钢管混凝土试件长度、套箍指标、局压面积比和在局压区域配置螺旋箍筋对局压性能的影响和对局压极限承载力的提高作用.作者根据试验测试结果，采用回归分析方法得到圆钢管混凝土局压极限承载力计算公式，其研究成果为钢管混凝土结构技术规程（CECS28：2012）[7-8]所采纳.Han等[2～4]对圆钢管混凝土柱局部受压下的工作机理进行了研究，结果表明：端板厚度和局压面积比对试件承载力及延性有很大的影响，同时截面形式的不同也对试件中钢管与混凝土的套箍作用有显著影响；并运用ABAQUS软件对钢管混凝土短柱局压进行分析，提出钢管混凝土短柱局压承载力的简化计算方法.笔者所在课题组采用ABAQUS软件选取合理的材料本构关系和壳实体三维有限元建模方法对圆形及圆端形钢管混凝土轴压短柱进行分析[9-10]，可合理体现钢管对混凝土约束套箍作用，能准确模拟钢管混凝土轴压短柱的力学性能，该方法可进一步应用于圆钢管混凝土短柱局压力学性能分析中.为丰富圆钢管混凝土短柱局压力学性能的研究，提出更为简洁、准确的承载力公式，本文展开如下工作：1）进行12个无端板圆钢管混凝土短柱局压试验研究；2）运用ABAQUS有限元软件建立三维有限元模型，对圆钢管混凝土短柱局压进行建模计算；3）探讨混凝土强度、局压面积比、含钢率以及钢材强度对圆钢管混凝土短柱局压极限承载力的影响；4）通过拟合建立圆钢管混凝土短柱局压承载力实用计算公式，根据本文及其他学者提供的试验成果，比较笔者提出的计算式与其他计算式之间的精度差异.1 试验研究1.1 试验概况试验共设计了12个圆钢管混凝土试件，名义尺寸为D×t×L=300 mm×4 mm×900 mm，试件信息见表1.其中D为截面直径，t为钢管壁厚，L为试件高度，d为圆钢管混凝土试件局压加载板的直径， f.cu为混凝土立方体抗压强度，f.y为钢材屈服强度，β为局压面积比，β=A.c/A.b（A.c为试件混凝土横截面面积，A.b为局压面面积）.为方便观察试件加载破坏的变形，在加工好的空钢管试件外表面喷上红色油漆，并画好50 mm×50 mm白色网格.浇筑混凝土时，对灌入的混凝土振捣密实，浇灌混凝土结束后，使顶端混凝土表面与钢管上截面保持水平，浇灌时，制作150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方体试块，并将其与钢管混凝土试件在同等条件下养护.1.2 试验方法试验前，先测试钢材和混凝土的力学性能.钢材屈服强度f.y为311 MPa，极限强度f.u 为460 MPa，弹性模量E.s 为2.07×105 MPa.C30混凝土强度f.cu为35.5 MPa，C50混凝土强度f.cu为54.4 MPa.将40 mm厚的局压垫板放置在试件顶端正中位置，试验荷载通过局压垫板传递.两个位移计布置在压力机的上下加载板之间，由此可测得局压垫板相对于试件的位移，试件上作用的压力值可由机器直接读出.为考察钢管与混凝土之间粘结，同时准确地观测钢管的变形，对于每个试件，钢板从上至下截面处布置5个应变花.应变花、位移计和钢管混凝土试件加载如图1所示.试验采用如下加载机制：弹性阶段加载时，每级荷载相当于极限荷载的1/15左右，弹塑性阶段加载时，每级荷载相当于极限荷载的1/25左右，每级荷载持续时间约为3 min，加载过程保持慢速连续，相应数据同步采集，试件接近极限承载力时，慢速连续加载直至试件破坏，每个钢管混凝土试件试验时间持续约2 h.1.3 试验现象在加载初期，圆钢管混凝土试件处于弹性工作状态，荷载达到极限荷载的60%～70%以前，荷载位移曲线大致呈线性关系，试件表面没有明显变化.随着荷载的增加，当荷载增至极限荷载的60%～70%时，试件开始进入弹塑性阶段，其轴向刚度不断减小，试件实测的荷载轴向位移曲线如图2所示，不同荷载水平下试件表面的钢管纵向应变（ε..L）和环向应变（ε..θ，s）分布如图3所示.此时试件表面开始出现鼓曲，局部受压使得钢管膨胀现象从上到下依次递减.随着外荷载的继续增加，当试件达到极限荷载后，钢管变形尤其是试件上端迅速增加，端部混凝土明显压碎开裂，试件破坏如图4所示.除局压面积比为8.55的圆钢管混凝土试件之外，其余试件破坏后承载力出现较明显下降，如图2所示，最后试件因为变形过大而终止试验.由图可知，钢管混凝土试件在加载作用下呈向外鼓出现象，试件破坏形态受局压面积比影响显著，局压面积比越小，鼓出范围和程度越大. 1.4 试验结果分析由图2钢管混凝土局压试件荷载位移曲线可知，局压面积比对试件承载力和刚度有着很大的影响，试件承载力和刚度随着局压面积比的增大而递减，同时，局压面积比越大，其下降趋势越缓.图3为不同加荷阶段（n=N/N.b分别为0.1，0.3，0.5，0.7和0.9，N.b为短柱局压极限承载力）钢管纵向、环向应变沿高度的分布情况.从图中可以看出，在荷载的初始阶段，纵向、环向应变增加较慢，当荷载达到极限荷载70%以上，应变迅速增加，试件中上部环向应变和纵向应变最大，与试验所观察到的鼓曲情况相吻合.为了比较圆钢管混凝土短柱局压约束效果，引入钢管混凝土短柱局压承载力折减系数SI，即钢管混凝土短柱局压极限承载力N.b，e与试件全截面受压极限承载力N.u，e的比值：2 理论分析2.1 建立模型以ABAQUS/Standard6.4[11]为有限元分析工具建立模型，钢管采用壳单元（S4R），局压加载板、混凝土和钢管端部垫板采用三维实体单元（C3D8R），模型中单元网格划分形式为Structured，如图7所示.模型中钢管与混凝土的界面采用库伦摩擦型接触，切线方向采用罚函数，摩擦系数取0.5，法线方向选择硬接触模拟，相互作用为表面表面接触，滑移方式为有限滑移，参数取值及建模方法参考文献＼[9-10＼].钢材和混凝土的本构关系及相应的参数取值见文献＼[10＼]，混凝土与端部垫板、混凝土与局压加载板的约束形式为绑定，通过壳实体耦合以定义钢管与其端部垫板的约束关系.模型中一端垫板固定，另一端在局压加载板上加载.采用位移方式加载以得到荷载位移曲线的下降段，并通过增量法求解.2.2 计算结果分析选取本文试验及文献＼[1-2＼]中的47组圆钢管混凝土短柱局压试验结果进行有限元分析，采用上述有限元理论建立模型，计算得到不同局压面积比圆钢管混凝土典型破坏形态如图8所示.荷载位移曲线有限元计算结果与试验结果的比较如图9所示，本文有限元结果N.b，FE与试验结果N.b，e如表1所示，试验结果与有限元结果比值的均值为1.006，离散系数为0.077，可见有限元计算结果与试验结果整体吻合较好.2.3 加载板形状对荷载位移曲线的影响采用与本文相同的试验参数，改变加载板形状，与试验作相同局压面积比的对比，即圆钢管混凝土柱通过方形加载板加载，探讨加载板形状对荷载位移曲线的影响.典型荷载位移曲线如图10所示.可见，β=8.55时，圆钢管混凝土柱采用圆方加载板试件荷载相差在1%以内，β=2.14时，圆钢管混凝土柱采用方加载板试件极限承载力高于采用圆加载板试件4.98%.可见，加载板形状的改变对试件荷载位移曲线影响较小.2.4 荷载位移曲线参数分析考虑局压面积比β，含钢率ρ，钢材强度f.y，混凝土强度f.cu等因素的影响，对钢管混凝土局压性能进行有限元参数分析.模型情况：圆钢管混凝土短柱84组，直径D均为200 mm，钢管壁厚t分别为2.5 mm，4.9 mm，7.2 mm，钢管长L为600 mm.局压面积比β分别为16， 9， 4， 1，混凝土抗压强度f.cu分别为30 MPa，70 MPa，100 MPa，钢材屈服强度f.y分别为235 MPa，335 MPa，420 MPa，其中Q235钢材匹配C30混凝土和C70混凝土，Q335钢材匹配C70混凝土和C100混凝土，Q420钢材匹配C70混凝土和C100混凝土，典型荷载位移曲线如图11所示.1）局压面积比：图11（a）为圆钢管混凝土短柱在不同局压面积比下的荷载位移曲线对比.从图11（a）可知局压面积比对钢管混凝土短柱局压极限承载力影响很大，局压面积比越大，极限承载力越小.2）含钢率：图11（b）所示为圆钢管混凝土短柱局压在不同含钢率下的荷载位移曲线比较.从图11（b）可知，当含钢率较大时，构件弹性阶段的刚度和极限承载力更大.当含钢率达到一定阶段时，构件的荷载位移曲线没有下降段.3）钢材强度：图11（c）所示为圆钢管混凝土短柱局压在不同钢材强度下的荷载位移曲线比较.从图11（c）可知，钢材强度越大，构件极限承载力越大，但构件弹性阶段的刚度没有增大.4）混凝土强度：图11（d）所示为圆钢管混凝土短柱局压在不同混凝土强度下荷载位移曲线的比较.从图11（d）可知，混凝土强度越大，构件极限承载力和构件刚度越大.Δ/mm（a）局压面积比的影响Δ/mm（b）含钢率的影响Δ/mm（c）钢材强度的影响Δ/mm（d）混凝土强度的影响4 结论1）本文进行了12组圆钢管混凝土短柱局压试验研究，探讨局压面积比、混凝土强度对局压承载力的影响，结果表明局压面积比越大局压承载力越小，混凝土强度等级越高局压承载力越大.2）运用有限元软件ABAQUS建立圆钢管混凝土短柱局压计算模型，计算结果与试验结果吻合良好且精度最高.3）有限元参数分析表明影响圆钢管混凝土短柱局压承载力的主要因素有局压面积比、含钢率、钢材强度和混凝土强度，局压面积比是影响局压极限承载力的主要因素，同时有限元分析表明局压加载板的形状对局压承载力的影响较小.4）通过参数分析提出圆钢管混凝土短柱局压极限承载力实用计算公式，计算结果与试验结果吻合较好.参考文献[1] 蔡绍怀. 现代钢管混凝土结构＼[M＼]. 北京：人民交通出版社， 2007：120-137.CAI Shao-huai. 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圆钢管混凝土轴压短柱的研究
1轴压短柱的基本性能
轴心受压是圆钢管混凝土构件最理想的受力状态,可以最大限度地发挥钢材和核心混凝土的材料性能,具有良好经济效益。

大部分试验采用的轴压短柱试件的长径比都不超过4,超过4破坏时常带有试件的整体弯曲。

2长径比对轴压短柱承载力的影响
为观察圆钢管混凝土短柱的力学行为,诸多机构进行了专门的试验研究[1~4]。

试验的主要参数包括加载方式、长径比、宽厚比和套箍指标等,下面我们主要对构件的长径比进行一些分析和研究。

图1是根据表1给出的短柱试验结果[1~4]得到的不同长径比与承载力的关系曲线。

可以看出:曲线都具有上升段和下降段和峰值及其对应的极限载荷点。

对于L/D小于2的试件,极限荷载有相对增大的趋势,L/D=0.8时,极限载荷增幅较大,其它不是非常明显。

这说明试件过短,端部效应对试件中截面的应力分布有影响。

对于L/D大于4的试件,从表1可以看出,极限荷载有相对减小的趋势。

综上所述,我们可以偏于安全地将长径比L/D<4 的圆钢管混凝土柱看成为“短柱”。

注:D-钢管外径;t-钢管壁厚;L-钢管长度;L/D-长径比;D/t-径厚比;fc-混凝土强度;fs-钢材屈服强度;B-加载方式。

3轴压短柱的变形特点
对于D/t≥20 的圆钢管混凝土轴心受压短柱,其N-εc曲线[5]应该如图2所示:
在较低的荷载阶段,也就是图中的OAB段,大致为一直线,仅在A点处可能因试件端面支垫层的压实过程,斜率略有改变。

当荷载增加至B点时,钢管表面可能会出现吕德尔斯滑移线[5],也可能会有铁锈皮剥落,这意味着钢管已达到屈服。

此时,试件的视体积明显增长,N-εc曲线会明显偏离其初始的直线,以后钢管进入逆流阶段,曲线斜率不断减小,直至C点,荷载达到最大值(峰值),即斜率变为零,之后
斜率变为负值,N-εc曲线逐渐下降;其中,D/t较大的薄壁钢管下降较陡,D/t值较小的厚壁钢管下降平缓。

在C点以前,用肉眼观察,柱体变形大体均匀,外形鼓而不曲。

超过C点以后,柱体外形即逐渐明显鼓曲,钢管壁出现皱折,其程度因钢管壁薄厚不同而有差异,越厚越明显,随后则荷载随变形的增加而下降到O点以后,又开始回升,直至新的峰值点E而再次下降。

此时,柱体外形已严重皱曲。

下面图3是两组薄壁钢管混凝土受压缩时的变形情况。

对应于图1中B点的荷载,被定义为初始屈服荷载,或弹性极限荷载,记为Ny,简称屈服荷载。

在此之前,即OAB段。

柱体处于弹性工作范围。

在此之后,即BC 段,柱体处于塑性工作范围,其核心混凝土开始套箍强化,钢管和核心混凝土之间出现应力重分布。

对应于图1中C点的最大荷载,我们定义为极限荷载或钢管混凝土短性的极限承载能力,记为Nu或N0。

对应于该极限荷裁的纵向应变值,定义为极限应变,记为εc。

钢管混凝土的极限承载能力总是比空钢管与核心混凝土柱体二者极限承载能力之和大。

概略地说,大致相当于两根空钢管的承载能力与核心混凝土承载能力之和。

极限应变值比普通钢筋混凝土的大几倍甚至十几倍。

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