薄壁型钢管混凝土组合柱压弯承载力分析

当 ＞ ０时 ，
ｌ ） ） （ ．）２ 间满足 以下几个条件 ： ＿ 。 ｐ０ （ ｇ ９ ） ２ ①钢管和混凝土互不侵人 ； ②接触
盯 。
现有研究资料对其进行简化 ， 本文假定钢管与混凝 土之
（）
占 ＝１ ０ 。 ０＋１ ． ３ｃ ３ ４ ９ｆｋ
＜９ 。 －
出现局 部稳 定性 等 问题 。薄壁 型钢 管混凝 土组合 柱 是在薄 壁 型钢管 混凝 土柱 的外 围包裹 一层 普通 钢筋 混凝 土 ， 既利用 了钢 管混凝 土 良好 的受力性 能 ， 又改 善 了薄壁 型钢管 直接 暴露 在外 的 防护和局 部稳 定 问 题 ， 有很 好 的发展 前景 。 具 钢管 混凝 土柱 与型钢 混凝 土柱 的研 究相 对 比较 全面， 已有相应 的设 计 和施二 规程 规范 ， ｒ 薄壁 型钢 管
第２ ８卷
在 柱底 一 定 偏 心 距 处 将 三 个 方 向 的线 位 移 约 束 为
零 ， 顶沿 柱轴 线方 向相 同偏 心距 处 施 加 轴 向 位移 柱
荷载 ， 其它 方 向线 位移 约束 为 零 。位 移 荷 载分 两个 荷载 步施加 ， 一个 荷载 步取 １ ０个子 步 ， 第 ０ 第二 个荷
一
一
（ ０ １）
５ ０Ｘ（ ） １０Ｘ１ “ ． ＾ ． ０
（ １ １）
式 中 ： 一 混 凝土 强度标 准值 ； 约 束特 征系数 （＝ ／ｏ ； ｆ ）
钢 管混凝 土屈 服极 限 ；
１ ２ 有 限 元 模 型 ．
ａ 构 件截 面含 钢率 （＝ Ａ ） 一 Ａ／ ；
（） ９
ｑ＝ （ ． ０ ｉ ） ０ ２＋ ． ｆ 卢＝（ ． ６Ｘ１ ） ‘ ２ ３ ０ 。
注 ： 中 ｄ为 钢 管 直 径 ，为 钢 管 厚 度 ， 为 内／ 混 凝 土 轴 心 抗 压 强 表 ｔ 外 度 为 钢 管 屈 服 强 度 ， 荷 载 偏 心 距 。 ｅ为
选择试件 Ｃ １保持 薄壁 型钢 管直径 、 外 混凝 Ｃ， 内／ 土轴 心抗 压强度 以及钢管 屈服强度 不变 ， 荷载偏心 距 取２ ． ｍ， 变 薄 壁 型钢 管 的厚 度 ， 别 取 ｔ １０ ７５ ｍ 改 分 ＝ ．， ２０ ３０４０ｍ 采用上述有限元模 型计算该试件压弯 ． ，． ，． ｍ， 极限承载力 ， 并绘制 出不 同钢管厚度 的轴 向荷载一 向 横 挠度关系曲线 ， 见图 ６ 。
赵滇生， 郑 乐 ， 巧 艺 黄
Ｚ Ｏ Ｄｉｎ ｓｅ ｇ，Ｚ ＮＧ Ｌ ，ＨＵ ＮＧ Ｑｉｏｙ ＨＡ ａ —ｈ ｎ ＨＥ ｅ Ａ ａ —ｉ
（ 江 工 业 大 学建 筑 工 程 学 院 ， 江 杭州 ３０ １ ） 浙 浙 １０ ４
摘
要 ： 用 Ａ Ｓ Ｓ有 限元 程 序 模 拟 分 析 薄 壁 型钢 管 混 凝 土 组 合 柱 压 弯 承 载 力 极 限 值 ， 有 关 试 验 值 和 规 程 计 算 值 比较 表 采 ＮＹ 与
有 足够 的精 确度 和可靠 性 。
８． ９ １９ ７ Ｉ ３ ％ ５Ｏ ２ ９ ￣３ ７ ％ ３ ９５ ￣ ９
３ 影 响 参 数 分 析
图 ４ 试 件 变 形 图
图 ３ 薄 壁 型钢 管 应 力 云 图
３ １ 薄壁 型钢 管厚度 ．
分析 图 ３和 图 ４可知 ， 构件 破坏 时 ， 拉一 侧 混 受 凝土 拉裂 ， 而此 时构 件并 未破 坏 ， 致构 件破 坏 的主 导 要 原 因是构 件受 压一 侧柱 高 中间段 外 围混凝 土应力 达到 极 限并 被 压碎 ， 纵筋 与箍筋 发 生变形 ， 薄壁 型 钢 管达 到屈 服强 度并伴 有 局部失 稳 现象 。
盯
一
注 ： 为应 力 应 变 曲线 下 降段 上 应 力等 于 ０ ．
时 的混 凝 土） ３ 钢管与混凝土 间的接触。建模 方式采用分 离 式建模 ， 核心混凝土在受力 过程 中与钢 管发生挤压 ， 外
包混凝土受箍筋作用与钢管之间也不易产生滑移 ， 根据
１ 有 限元 模 型
１ １ 试 件 设 计 ．
型钢管 代替 厚壁 钢 管 ， 以节 省 用 钢 。但 钢 管混 凝 土 柱 在实 际工 程应 用 中也 存 在 着 一些 问题 ， 如 薄 壁 例
文 献 ［ ］ 为 ： 件 １认 试
型钢管 的防锈 、 防腐 与防火 ， 以及 在 受力过 程 中容易
的组 合构 件 。在受 力 过 程 中 ， 由于 钢管 对 其 内部 混 凝 土 的环箍 约束作 用 ， 混凝 土处 于三 向受 力状态 ， 使
构 件具 有较 高承 载力 的 同时 ， 大 大 改 善 了混 凝 土 也 柱 的脆 性破坏 问题 。 当荷 载 不 大 时 ， 以采 用 薄 壁 可
浙 江建 筑 ， ２ 第 ８卷 ， ８期 ，０ １年 ８月 第 ２１
Ｚ ｅｉｎ ｏ ｓ ｕ ｔ ｎ，Ｖｏ． ８ ｏ ８，Ａｕ ． ０ ｈ ｊ ｇＣ ｎ ｔ ｃｉ ａ ｒ ｏ １２ ，Ｎ ． ｇ ２ １ １
薄壁 型 钢 管 混 凝 土 组 合柱 压 弯 承 载 力分 析
Ｂｅ ｒ ｇ Ｃａ ａ ｉ ａｙ ｉ ｏ ｉ－ ａｌｄ Ｃｏ ｃ ｅ ｅ－ ｉ ｄ ａ ｉ ｐ ｃｔ Ａｎ ｌｓｓ ｆＴｈｎ－ ｌ ｎ ｒ ｔ 。 ｌ ｎ ｙ Ｗ ｅ Ｆｌ ｅ
２取值 。
表 ２ 混 凝 土 单 轴 受 压 应 力一 变 参 数 值 应
管 外 混凝 土 均 采 用 ｓｌ ６ ｏｉ ５单元 。该 单 元 可 模 拟 钢 ｄ
筋 的 拉伸 、 缩 、 性 变 形 及 蠕 变 ， 有 材 料 非 线 压 塑 具 性 处 理 功 能 。混 凝 土 材 料 模 型选 用 多 线 性 随 动 强 化 模 型 ＭＩＯ， 松 比取 ０ ２ Ｓ 泊 ． 。混 凝 土 破 坏 准 则 采 用 Ｗｉｉｍ Ｗａｎ ｅ 三参 数 模 型 基 础 上 提 出的 五 参 ｌａ ． ｒｋ 在 ｌ 数模 型 。 由于核 心混 凝土 在受 力过 程 中受 到钢 管 的 约束 ， 于 三 向应 力 状 态 ， 以 ， 文核 心 混 凝 土 的 处 所 本 本构 关 系选 用 文 献 ［ ］ ２ 中推 导 的本 构 关 系 ， 此 模 以 拟 钢管 对 核 心 混 凝 土 的 环 箍 效 应 ， 体 公 式 如 下 具 （ 考虑 混凝 土 的抗拉 强度 ） 不 ： 当 ≤ ０时 ，
Ｃｏ ｏ ｉ ｕ ｕａ ｔｅ Ｃ ｌｍｎ ｕ ｊｃｅ ｏ ｍｐ ｓ ｅＴ ｂ ｌｒＳｅ ｌ ｏｕ ｓＳ ｂｅ ｔｄ ｔ ｔ
Ａｘａ ０ ｅ ｓｖ ｏ ｄ ａ ｄ Ｂ ｎ ｇ Ｍｏ ｉＩ ｍ［ ｓ ＂ｅ Ｌ ａ ｎ ｅ ｄ ｎ Ｏ Ｃｏ ｍｐ ｒ ｌ ｉ ｍｅ ｍ￣ ｔ ｎ
Ａ 、 Ａ ～分别为钢管与其核心混凝土的截面面积。
（ ） 壁 型 钢 管 与 １ 薄 钢 筋模 型 。薄 壁 型 钢 管
的模 拟 采 用 ｓｅ ｌ １壳 ｈｌ８ ｌ
管 外 混 凝 土 与 普 通 钢 筋 混 凝 土 的 本 构 关 系 一 致， 本文 采用 文 献 ［ ］ 荐 的混 凝 土单 轴 受 压 的 ３推
明， 精度 较 高 。通 过 对 ２个 系 列 共 １ ６个 组 合 柱 试 件 的 非 线 性有 限元 分 析 ， 讨 了 薄 壁 型 钢 管 厚度 和荷 载 偏 心 距 对 组 合 柱 压 弯 承载 探 力 的影 响机 理 ， 出 的结 论 可 供 工 程 设 计 和施 工参 考 。 得 关键 词 ： 壁 型 钢 管 ； 合 柱 ； 弯 ； 线性 有 限元 分 析 ； 限 承 载 力 薄 组 压 非 极
作者 简 介 ： 滇 生 （９ ７ ） 男 ， 江 义 乌 人 ， 赵 １５ ～ ， 浙 副教 授 ， 究 方 向为 钢 结 构 与 空 间 大跨 度 结 构 。 研
第 ８期
赵滇生等： 薄壁型钢管混凝土组合柱压弯承载力分析
表 １ 试 件 参 数
７
（） ８
Ｂ ＝１ ０一 ．
Ｋ＝ ． ０１
混 凝土 组合柱 的轴 压性 能在 国 内外 也有 一 定 的试 验
研 究 ， 对 于其压 弯性 能 的研 究还 很 少见 。 而 本 文采用 Ａ Ｓ Ｓ有 限元 软件 对薄壁 型钢 管混凝 ＮＹ
土组合柱进行 压弯 全过程模 拟 ， 分析 其工作 性能 。先
收稿 日期 ： ０ ｌ一 ３— ２ ２ １ ０ ２
（） ３
面只有法向压应力 ； ③钢管与混凝土之间无相对滑移 。
（） ４ 网格划分 。 网格 划分 采用混 合 网格划 分法 ，
即在几 何模型上 ， 根据 各部位 的特点 ， 别采用 自由、 分 映射 、 略等 多种 网格划 分方式 。为避免 出现因 网格 扫 过密而 导致的应力集 中问题 ， 横截 面网格 尺寸控制 在 （ ） 界条件 及 加 载方 式 。在 柱 顶与 柱 底加 设 ５边 刚性 垫 块 ， 单 元 采 用 ｓｌ ４ ， 度 设 定 足 够 大 。 其 ｏｉ ５ 刚 ｄ
中 图分 类 号 ： Ｕ ９ Ｔ ３８ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ８—３ ０ （ ０ １ ０ １０ ７ ７ ２ １ ） ８—０ ０ ０ ０ ６— ４
钢 管混凝 土柱 是指 在钢 管 中浇筑混 凝 土而形 成
验证 有限元分 析可靠性 ， 再进 一步探讨 了薄壁 型钢管 厚度及荷 载偏心距等因素对组合柱极限承载力的影响。
试件 的轴 向荷载 一 向挠度 关 系 曲线见 图 ５ 由 横 （ 于试 件在偏 心 距 ｅ ：０时 没有侧 向挠 度 ， 图 中没有 故
给 出相应 的 曲线 ） 由 图 ５可 知 ， 。 曲线 大 致 分 为 三 个 阶段 ： １ 弹性 阶段 。在 此 阶段 ， 材 和混 凝 土 均 （） 钢 处 于弹性 工作 状态 。 （ ） ２ 弹塑 性 阶段 。 随着 外 荷 载
形 见 图 ３ 图 ４ 、 。
表 ３ 表 ４的极 限承载 力对 比结 果表 明 ， 限元 、 有
分 析 结 果 与 有 关 试 验 值 和 规 程 计 算 值 误 差 均 在
３４ ．％以内， 数据吻合较好 ， 说明采用 Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 有限元 软 件分 析薄 壁型钢 管混 凝土 组合柱 的压弯承 载力 具
载 步取 ２ ０个 子 步 。为 了加 速 收 敛 ， 开 线性 搜 索 ０ 打
和 预测器 ， 并采 用残 余力 的二 范数 控制 收敛 。
讽１ 午
，
莜载偏 心
距 ｅ ｍｍ ／
极 限承 载 力 Ｎ ／ Ｎ ｋ
２ 计 算 结 果 及 分 析
试 件破 坏时 的薄壁 型钢 管 的应力 云 图与试件 变
一
单 元 ， 向 钢 筋 与 箍 筋 纵
采用 ｌ ｋ ｉ ８单 元 ， 料 模 ｎ 材
型均 采 用 双 线 性 随 动 强
关系。 当 ≤１时 ， ＝ ＋（ ２ｒ） ３— ｏ ＋（ 一 ） 。 ２ （ ２ １）
： 图２ 钢管、 钢筋网格划分图
化模 型 Ｂ Ｉ 泊 松 比取 Ｋ Ｎ， ０３ ． 。薄壁 型钢 管与 钢筋 的单元 划 分见 图 ２ 。
当 ＞１时 ，
而
的参 数值 ；
一
ｓ
一
８
一
盯
（３ １）
（） ２ 混凝 土模 型 。薄 壁 型钢 管 内核 心 混凝 土 与
式 中 ： Ｏ 一 单轴 受 压 应力 一应 变上 升段 、 降段 ／ 下 混凝 土的单 轴抗压 强度 ； 与 相应 的混凝 土 峰值 应 变 ， 数 按 表 参
（） ４
［０ ８ １００ ＋０ ４ （
＝
。
㈩ １ ｍ左 右 ， 高度方 向单元尺 寸取２ ｍ。 ０ｍ 沿柱 ０Ｉ ｎ
（） ６
（） ７
１０ ０＋１ ． ９ｏ ３ ４ ３ｆｋ
Ａ＝ ． ２ ０一Ｋ
８
浙
江
建
筑
２１ ０１
表 ３ 有 限 元 结 果 与 文献 结果 对 比 １