圆中空夹层钢管混凝土柱抗剪承载力计算研究

圆中空夹层钢管混凝土柱抗剪承载力计算研究
黄宏;徐传国;杨超;曾根平
【摘要】When concrete-filled double-skin circular steel tubular columns were subjected to shear,the relationships between the shear stress and the shear strain were numerically simulated by the finite element software ABAQUS.Through the analysis of a large number of calculation examples,the shear span ratio ranges of components in different failure modes were determined,and the influence laws of yield strengths of inner steel tube and outer steel tube,section nominal steel ratio,diameter thickness ratio of inner tube,hollow ratio and concrete strength on shear stress-strain relation curves were studied.The results show that when shear span ratio is not more than 0.1,the shear bearing capacity of a concrete-filled double-skin circular steel tubular column could be calculated as a pure shear bearing component.A simplified calculation formula of shear bearing capacity was put forward.The calculation results using the formula are in good agreement with that using finite element simulation.%利用有限元软件ABAQUS数值模拟了圆中空夹层钢管混凝土柱受剪切作用时剪应力与剪应变的关系曲线,并通过对大量算例的分析,确定了构件不同破坏形式的剪跨比范围,研究了内外钢管屈服强度、截面名义含钢率、内管径厚比、空心率及混凝土强度对剪应力-剪应变关系曲线的影响规律.研究结果表明:剪跨比不大于0.1时,圆中空夹层钢管混凝土柱抗剪承载力可按纯剪构件计算,并给出了抗剪承载力的简化计算公式.公式计算结果与有限元计算结果吻合较好.
【期刊名称】《铁道建筑》
【年(卷),期】2017(057)008
【总页数】5页(P45-49)
【关键词】圆中空夹层钢管混凝土柱;纯剪;试验研究;数值模拟;抗剪承载力
【作者】黄宏;徐传国;杨超;曾根平
【作者单位】华东交通大学土木建筑学院,江西南昌 330013;江西省建筑过程模拟与控制重点实验室,江西南昌 330013;华东交通大学土木建筑学院,江西南昌330013;华东交通大学土木建筑学院,江西南昌 330013;华东交通大学土木建筑学院,江西南昌 330013
【正文语种】中文
【中图分类】TU375.3
钢管混凝土结构在工程中的应用已有100多年的历史，广泛应用于高层和超高层
建筑、桥梁工程及特种结构中，并逐渐在铁路旅客站房、雨棚等铁道建筑工程中得到应用和推广。

圆中空夹层钢管混凝土柱是在圆形外管和圆形内管之间填充混凝土形成的组合结构形式，其截面形式如图1所示。

该构件既具有实心钢管混凝土的优点，同时具有
塑性好、自重轻、抗火性能好等特点［1-2］。

实际工程中，在结构梁柱节点处及斜撑连接节点处等位置易出现小剪跨抗剪的情况。

对于截面尺寸较大的桥墩和拱肋，在承受船舶、汽车等产生的横向撞击时，易发生剪切破坏。

此外，对于地震、爆炸等产生的横向荷载作用，同样易出现构件抗剪问题。

因此，开展圆中空夹层钢管混凝土构件在剪切作用下的受力性能研究很有必要。

目前，钢管混凝土抗剪性能的研究主要针对实心构件。

钱稼茹等［3］通过35个实心钢管混凝土柱的抗剪试验，研究了其抗剪承载力与轴压比以及剪跨比的关系。

方小丹等［4］基于26个矩形钢管混凝土短柱的抗剪试验结果，提出了其在压、弯状态下的抗剪承载力计算公式。

史艳莉等［5］研究了矩形钢管混凝土构件在纯剪受力下的力学性能，提出了矩形钢管混凝土构件的纯剪抗剪承载力计算公式。

中空夹层钢管混凝土构件相关力学性能和设计方法的研究主要集中在抗压、抗弯、抗扭等方面［6-9］，而对构件抗剪性能的研究较少。

徐然等［10］通过试验研究了轴压比、剪跨比和空心率对方中空夹层钢管混凝土在压、弯、剪复合作用力下的力学性能的影响。

本文利用有限元软件ABAQUS建立圆中空夹层钢管混凝土构件在受剪状态下的分析模型，提出了构件不同受剪破坏形态所对应的剪跨比范围。

在此基础上分析了主要参数对纯剪受力状态下构件τ-γ曲线的影响规律。

基于参数分析结果，提出了圆中空夹层钢管混凝土构件的纯剪抗剪承载力计算公式。

采用文献［11］的五段式钢材本构模型和改进的钢管混凝土核心混凝土本构关系模型。

核心混凝土的泊松比μc取0.2。

构件内外钢管、盖板和混凝土3部分均采用8节点缩减积分格式(C3D8R)的三维实体单元。

网格划分则采用网格试验的方法以保证计算精度。

构件内钢管、外钢管与混凝土接触面的法线和切线方向分别采用“硬”接触和库伦摩擦接触。

切向的黏结滑移行为采用罚摩擦公式，摩擦因数μ取0.25。

内外钢管与盖板之间的焊缝通过绑定(Tie)方式连接。

盖板和混凝土界面的法向荷载采用“硬”接触传递。

试验构件的底端为固定约束，上端为自由端。

横向位移施加于上端加载板的几何中心处。

计算模型如图2所示。

构件受剪作用时，不同的剪跨比 m(m=L/Do，L为试件高度，Do为外钢管外径)
会使构件呈现剪切破坏、弯剪破坏和弯曲破坏3种形态。

不同破坏形态下构件抗
剪承载力并不相同。

因此研究圆中空夹层钢管混凝土在纯剪切情况下的抗剪承载力，必须先确定不同破坏形态对应的剪跨比范围。

利用建立的有限元模型对工程常用参数范围内不同剪跨比的圆中空夹层钢管混凝土构件进行数值模拟分析，得出了构件横向剪应力τ与顶端截面横向位移Δ的关系
曲线，见图3。

图中fy为钢材的屈服强度，fck为混凝土标准抗压强度。

由图3可知，对于圆中空夹层钢管混凝土受剪构件，随着剪跨比m的增大，τ-Δ
关系曲线的峰值及构件弹性阶段刚度均逐渐降低，在计算的剪跨比范围内构件具有良好的延展性。

基于大量算例得到圆中空夹层钢管混凝土受剪构件的典型横向剪力V与构件受压
侧外钢管中心单元剪应变γ的关系曲线，见图4。

考虑到构件受剪切时的受力状态、变形程度等因素，本文参考文献［12］，取V-γ关系曲线上剪应变为0.01时的剪力作为圆中空夹层钢管混凝土受剪构件的抗剪承载力Vu，此时对应的剪应力值为τu。

取不同剪跨比的圆中空夹层钢管混凝土受剪构件τ-Δ关系曲线峰值τ与剪跨比
m=0.1时τ-Δ关系曲线的τu值的比值τ/τu，绘出τ/τu随剪跨比 m 变化的关系曲线，见图5。

试验参数为 Q235～Q700钢材、C30～C90混凝土、空心率
χ=0～0.75，χ=Di/(Do-2to。

其中Di为内钢管外径，Do为外钢管外径，to为外钢管壁厚)。

由图5可知，当0.1＜m＜4.0时，圆中空夹层钢管混凝土构件抗剪承载力随剪跨比的增大而降低，且降低幅度较大;m＞4.0时，构件抗剪承载力随剪跨比的增大变化幅度较小，τ/τu随 m的改变基本无变化。

基于上述计算结果及分析，参考文献［12］中给出的实心钢管混凝土受剪构件不
同破坏形态的剪跨比范围，本文定义圆中空夹层钢管混凝土受剪构件的不同破坏形态的剪跨比范围如下:当m＜0.1时，构件为剪切破坏;当0.1＜m＜4.0时，构件为
弯剪破坏;当m＞4.0时，构件为弯曲破坏。

根据此定义将圆中空夹层钢管混凝土
受剪构件在剪跨比m=0.1时的抗剪承载力定为纯剪抗剪承载力Vu。

对圆中空夹层钢管混凝土纯剪构件的τ-γ关系产生影响的主要因素有:内、外钢管
屈服强度fyi和fyo，截面名义含钢率αn(αn=Aso/Ace，Aso为外钢管截面面积，Ace为外钢管截面内部所包含的空隙面积)，内管径厚比Di/ti，空心率χ及混凝土强度fcu。

根据本文定义的参数范围对τ-γ关系曲线进行参数分析。

所选算例的基本条件为:Do=400 mm，Di=190.7 mm，to=9.3 mm，ti=3.18 mm，αn=0.1，χ=0.5，L=400 mm，C60混凝土强度fcu=60 MPa，Q345钢材屈服强度
fyi=fyo=345 MPa。

图6给出了各主要参数对圆中空夹层钢管混凝土纯剪构件τ-γ关系曲线的影响规律。

可知:①在以上各变化参数下，圆中空夹层钢管混凝土纯剪构件均具有较好的
塑性性能;②圆中空夹层钢管混凝土构件抗剪承载力随着内钢管屈服强度、外钢管
屈服强度、截面名义含钢率、空心率及混凝土强度的增加而增大，其中外钢管屈服强度、截面名义含钢率及空心率的增加会使构件的抗剪承载力较大幅度增长，内钢管屈服强度和混凝土强度的增加使构件抗剪承载力小幅度增加;③圆中空夹层钢管
混凝土构件的抗剪承载力随着内管径厚比的增大逐渐降低，且降低幅度不断减
小;④内钢管屈服强度、外钢管屈服强度、截面名义含钢率、内管径厚比、空心率
及混凝土强度的变化对圆中空夹层钢管混凝土纯剪构件弹性阶段的剪切刚度基本无影响。

圆中空夹层钢管混凝土纯剪构件的抗剪承载力由外钢管和夹层混凝土的组合抗剪承载力Vsoc及内钢管抗剪承载力Vsi组成，其表达式为
式中:γv为考虑各参数影响后的外钢管和夹层混凝土组合抗剪承载力Vsoc的修正
系数;Asoc为外钢管截面面积Aso与夹层混凝土截面面积Ac之和;Asi为内钢管截面面积;τyi为内钢管抗剪屈服极限，τscy为圆中空夹层钢管混凝土组合抗剪屈服
极限，计算式为
式中:fscy为圆中空夹层钢管混凝土轴心受压时的强度指标;C1，C2为计算系数，
C1= α/(1+ α)，C2=(1+αn)/(1+α)，α 为截面含钢率，α =Aso/Ac;ξ为截面约束效应系数，ξ=Asofyo/(Acefck)=αnfyo/fck。

由有限元分析结果可知，抗剪强度承载力修正系数γv与和空心率χ有关，其关系曲线如图7所示。

通过回归分析发现，相同空心率下γv与ξ呈对数关系，可表示为γv=klnξ+b，其中 k，b与空心率χ的关系见图8。

由上述分析，抗剪强度承载力修正系数γv的表达式为
将式(4)代入式(1)，即可得到圆中空夹层钢管混凝土纯剪构件的抗剪承载力计算公式。

图9给出了纯剪抗剪承载力简化公式计算结果与算例参数范围内的有限元模拟结
果对比情况。

所有点均在有限元计算值±10%范围以内，多数位于±5%范围以内，简化公式计算结果与有限元模拟结果之比的平均值为1.003，标准差为0.054。

由此可知，简化公式计算结果能较好地反映有限元模拟结果。

1)对于圆中空夹层钢管混凝土受剪构件，剪跨比不大于0.1时，构件的抗剪承载力可按纯剪构件进行计算。

2)圆中空夹层钢管混凝土纯剪构件的抗剪承载力主要影响因素有内钢管屈服强度、外钢管屈服强度、截面名义含钢率、内管径厚比、空心率及混凝土强度。

上述因素对圆中空夹层钢管混凝土纯剪构件弹性阶段的剪切刚度影响不明显。

3)给出了圆中空夹层钢管混凝土纯剪构件抗剪承载力简化计算公式。

该公式综合考虑了构件的物理和几何参数，概念清楚。

简化公式计算结果与有限元计算结果吻合较好。

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【相关文献】
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