钢管混凝土在工程结构中的应用

钢管混凝土单肢柱承载力验算

摘要:钢管混凝土构件已经被广泛应用于土木工程，在工程中的应用主要采用单肢柱的形式，本文主要介绍了单肢柱的理论计算方法，此外，基于钢材和混凝土的本构关系，采用ABAQUS 有限元软件对两端铰支的轴压钢管混凝土进行数值计算，并将数值解与理论值进行了对比，验证了ABAQUS建模的合理性和准确性。

关键词:钢管混凝土；单肢柱；ABAQUS软件

Calculation of bearing capacity of concrete filled steel tube columns Abstract:Concrete filled steel tubular members has been widely used in civil engineering, application in engineering mainly adopts the form of single limb column. This paper mainly introduces the theoretical calculation method of single limb column, in addition, based on the constitutive relation of steel and concrete, using ABAQUS finite element software on both ends of the hinge shaft support pressure steel pipe concrete numerical calculation, and the numerical solution was compared with the theoretical value, to verify the accuracy and reasonableness of the ABAQUS modeling.

Key words:concrete-filled steel tubes;Single limb column;ABAQUS software;

1 概述

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件，按截面形式的不同，可以分为圆钢管混凝土，方形、矩形和多边形截面钢管混凝土等，其中圆形截面和矩形截面钢管混凝土结构应用较为广泛。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，即钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于复杂的应力状态之下，不但提高了混凝土的抗压强度，而且还使其塑性和韧性性能得到改善。混凝土塑性、韧性的改善使本属于脆性的材料转变为塑性材料，而且避免和延缓钢管过早地发生局部屈曲，从而提高了结构的可靠度、强度，又节省了材料，降低了造价。通过钢管和混凝土组合而成为钢管混凝土，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且还能充分发挥二者的优点[1]。在我国，钢管混凝土的应用领域主要在：1)单层和多层厂房；2)大跨度桥梁工程(主要是拱桥的拱肋)；3)高层和超高层建筑；

4)设备构架柱、各种支架柱和栈桥柱；5)地铁站台柱；6)送变电杆塔；7)桁架压杆；8)空间结构；9)桩[1]。

2单肢柱承载力两种理论规程计算

2.1轴心受压构件

在计算钢管混凝土轴心受压构件的稳定承载力时，可考虑构件存在计算长度千分之一的初挠度，按偏心受压构件的方法计算钢管混凝土构件轴心受压时的临界力cr u N ,，从而可以求得稳定系数ϕ=cr u N ,/u N ,u N 为钢管混凝土轴压短柱的强度承载力[2]

。 影响稳定系数ϕ的主要因素有长细比λ、含钢率α、钢材屈服强度y f 和混凝土强度cu f 。

对于矩形钢管混凝土，当截面高宽比β=D/B 不大于2时，其对稳定系数ϕ的影响不大。 钢管混凝土柱典型的ϕ-λ关系曲线简化计算可近似分为三个阶段，即：当λ≤0λ时，稳定系数ϕ=1，构件属强度破坏；当0λ<λ≤p λ时，构件失去稳定时钢管混凝土截面处于弹塑性阶段；当λ>p λ时，构件属弹性失稳。通过回归分析的方法，可导出ϕ的计算公式如下：

ϕ=1（λ≤0λ） （2-1）

ϕ=a 2

λ+b λ+c(0λ<λ≤p λ) （2-2）

ϕ=d/(λ+35)2 (λ>p λ) （2-3） 式中a=200)()235(1λλλλ-*-++p p e

;b=e-2*a*p λ;c=1-a*20λ-b*0λ;e=3)

35(+-p d λ 对于圆钢管混凝土：d=[13000+4657*ln(y

f 235)]3.0)525(+ck f *05.0)1.0(α p λ=1743/

y f （2-4） 0λ=]*)14.102.1/[()550420(ck f ++ξξπ （2-5）

（1）DBJ/T 13-51-2010规程

DBJ/T 13-51-2010规程规定钢管混凝土轴心受压构件的承载力应满足下式的要求：

≤N ϕu N （2-6）

u N =sc sc A f （2-7）

式中 N ——钢管混凝土受到的轴压力设计值；

u N ——钢管混凝土轴心受压构件的强度承载力设计值；

ϕ——轴心受压构件稳定系数，按照表格查得；

sc f ——钢管混凝土组合轴压强度设计值；

sc A ——钢管混凝土构件的组合截面面积。

（2）CECS 28:90规程

CECS 28:90规程规定圆钢管混凝土轴心受压构件的承载力验算公式如下；

u N N ≤ （2-8）

0N N e l u ϕϕ= （2-9） )1(0θθ++=c c A f N （2-10）

c c s A f fA /=θ （2-11）

式中 u N —钢管混凝土柱的承载力设计值；

0N —钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值；

θ—钢管混凝土的套箍指标；

c A 、c f —钢管的横截面面积和抗压强度设计值；

s A 、f —钢管的横截面面积和抗拉强度设计值；

l ϕ—考虑长细比影响的承载力折减系数，按下式计算：

l ϕ=1-0.1154-d l e （当d

l e >4时） l ϕ=1（当d l e ≤4时）

式中 d ——圆钢管直径；

e l —柱的等效计算长度；

e ϕ—考虑偏心率影响的承载力折减系数，对于轴心受压构件e ϕ=1

3 ABAQUS 计算模型

3.1 材料的本构关系

ABAQUS 提供了多种材料的本构模型，其中各向同性的弹塑性模型，可用于模拟钢管混凝土中的钢材，它满足Von Mises 屈服准则，用无数的真实应力一应变点来逼近金属本身的