鋼骨—鋼管混凝土柱非線性有限元分析＊

馮國棟，唐興榮

（蘇州科技學院土木工程學院，江蘇蘇州 215011）

目前組合柱的類型主要包括：鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱、鋼管混凝土核心柱、鋼骨—鋼管混凝土柱、雙鋼管混凝土柱等。國內(nèi)外對于鋼骨混凝土柱以及鋼管混凝土柱已做了大量的研究［1－2］，但是對鋼骨—鋼管混凝土柱的研究還較少［3］，因此，進一步開展對鋼骨—鋼管混凝土柱的試驗研究和理論分析非常必要。本文采用ABAQUS大型有限元分析軟件對文獻［3］中的鋼骨—鋼管混凝土柱進行了模擬分析，在此基礎(chǔ)上，對不同類型內(nèi)埋鋼骨的混凝土柱的受力性能進行了模擬分析，以期為后續(xù)的試驗研究提供參考。

1 鋼骨—鋼管混凝土柱模型的建立

為了分析鋼骨—鋼管混凝土柱的受力性能，以文獻［3］中5個鋼骨—鋼管混凝土柱試件（R5－0.8， R5－0.6，R5－0.4，R4－0.6和R3－0.6）為分析對象，建立鋼骨—鋼管混凝土柱有限元模型。各試件的材料性能指標如表1所示，試件R3－0.6的幾何尺寸及配筋如圖1所示。

表1 材料性能指標Table 1 Material performance indicators

圖1 試件R3－0.6的幾何尺寸和配筋Fig.1 Size and reinforcement of R3－0.6specimen

1.1 定義材料屬性

1.1.1 混凝土本構(gòu)模型 混凝土單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線方程可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）［4］附錄C.2.4確定?；炷羻屋S受拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線方程可按附錄C.2.3確定。

進行計算時，對于彈性模量的選取，按文獻［5］中建議取值為（1／3～1／2）fc，本文采用0.4fc作為彈塑性分界點，混凝土彈性階段的泊松比νc＝0.2。

1.1.2 核心區(qū)約束混凝土本構(gòu)模型 核心區(qū)約束混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變（σ—ε）關(guān)系取方鋼管約束混凝土本構(gòu)模型［6］，即

式中

其中ξ為約束效應(yīng)系數(shù)，代表鋼管與核心混凝土之間的相互作用關(guān)系，其表達式為為混凝土圓柱體抗壓強度（MPa）。

1.1.3 鋼材本構(gòu)模型 鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用強化的二折線模型（如圖2所示），泊松比νs＝0.3。

1.1.4 單元選取 混凝土采用八節(jié)點縮減積分格式的三維實體單元；鋼骨部分，由于壁厚相對于混凝土部分尺寸較小，所以采用殼體單元來模擬，為了達到必要的精度，在殼單元厚度方向采用九積分點的Simpson積分（默認為5積分點）；鋼筋部分采用線單元。

1.2 定義裝配件

將底座混凝土與柱中非核心區(qū)混凝土merge成一個整體，縱筋與箍筋merge成一個整體，并定義成truss桁架單元（T3D2），各個部件按指定位置安裝。

圖2 鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.2 Stress－strain curve of steel

1.3 定義step

建立兩個step，step－1在柱頂端施加集中力，step－2在柱端側(cè)面施加位移。

1.4 定義相互作用

方鋼管與混凝土界面接觸采用庫侖摩擦，切向行為采用“罰”摩擦公式，摩擦系數(shù)取0.6，法向行為采用硬接觸；鋼筋采用內(nèi)嵌，核心混凝土與底座采用tie連接，柱端頂部設(shè)置參考點RP－1，并與頂部耦合連接，柱端側(cè)面設(shè)置參考點RP－2，與側(cè)面耦合。

1.5 定義邊界條件

柱頂端采用鉸接，底座采用固結(jié)。

2 鋼骨—鋼管混凝土柱有限元分析

圖3給出了各試件模擬荷載—位移（P—δ）曲線與試驗骨架曲線的比較。

表2給出了各試件控制點荷載和相應(yīng)位移的模擬值和試驗值。

圖3 各試件的模擬和試驗荷載—位移（P—δ）骨架曲線的比較Fig.3 Comparison of simulated and experimental load－displacement skeleton curves of specimens

由圖3和表2可見，有限元模擬的荷載—位移 （P—δ）曲線與試驗的骨架曲線趨勢基本相同，在屈服前吻合良好，屈服后模擬的數(shù)據(jù)比試驗數(shù)據(jù)稍高，在屈服荷載點時，荷載的平均比值為0.832，其相應(yīng)位移平均比值為0.944；在極限荷載點時，荷載的平均比值為0.918，其相應(yīng)位移平均比值為1.14。這表明本文的有限元模型可以較好地模擬鋼骨—鋼管混凝土柱的受力變形過程。

表2 各試件荷載和位移的模擬值和試驗值的比較Table 2 Comparison of simulated and experimental load and displacement values of specimens

3 不同內(nèi)埋鋼骨混凝土柱受力性能的分析

為了考察不同內(nèi)埋鋼骨混凝土柱的受力性能，采用上述建立的有限元非線性分析模型對文獻［7］中的4個試件（試件SRCZ－1～試件SRCZ－3和試件RCZ－4）進行模擬分析。其中試件SRCZ－1為內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架混凝土柱，試件SRCZ－2為由角鋼組成且類似于內(nèi)埋工字鋼混凝土柱，試件SRCZ－3為內(nèi)埋方鋼管混凝土柱，試件RCZ－4為普通鋼筋混凝土柱。各試件控制軸壓比（n）均為0.3，縱向鋼筋均為6C12，混凝土強度等級均為C30，試件SRCZ－1～SRCZ－3內(nèi)埋鋼骨的含鋼率均相同。各試件幾何尺寸及配筋詳見圖4。

圖4 各試件的幾何尺寸和配筋Fig.4 Size and reinforcement of specimens

采用上述建立的ABAQUS有限元非線性分析模型，對試件SRCZ－1～試件SRCZ－3和試件RCZ－4進行有限元模擬分析。

圖5給出了試件SRCZ－1創(chuàng)建的模塊，顯示了裝配后的各部分圖形。

表3給出了各試件控制點荷載和相應(yīng)位移的模擬分析結(jié)果。圖6對各試件的荷載—位移曲線進行了比較。

圖5 試件SRCZ－1裝配后各部分模塊Fig.5 Part module after assembly of SRCZ－1specimen

表3 各試件荷載和位移的模擬值Table 3 Simulated load and displacement values of specimens

圖6 各試件荷載—位移曲線比較Fig.6 Comparison of load and displacement curves of specimens

由表3和圖6可見：

（1）與內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架的試件SRCZ－1相比，試件SRCZ－2內(nèi)埋鋼骨類似于工字鋼，對混凝土的約束作用很小，從而峰值荷載最小，在受力后期，承載力下降很快，延性相對較差，但仍強于沒有內(nèi)埋鋼骨的試件RCZ－4。

（2）與內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架的試件SRCZ－1相比，試件SRCZ－3內(nèi)埋方鋼管，其對核心混凝土的約束最為明顯，從而使得其峰值荷載得到提高，且在受力后期，即使外圍混凝土退出工作后，由于核心混凝土受到約束處于三向受力狀態(tài)，混凝土抗壓強度提高，從而提高了試件峰值荷載，也提高了試件延性。

（3）試件SRCZ－1的承載力和延性介于試件SRCZ－2與試件SRCZ－3之間。這是由于空間鋼構(gòu)架對核心混凝土的約束作用明顯比內(nèi)埋類似于工字鋼要強，而比內(nèi)埋鋼管要弱的緣故。

（4）內(nèi)埋鋼骨混凝土柱（試件SRCZ－1～試件SRCZ－3）的承載力、延性均強于無內(nèi)埋鋼骨的鋼筋混凝土柱（試件RCZ－4），且試件SRCZ－1荷載—位移曲線趨近于試件SRCZ－3，試件SRCZ－2稍強于試件RCZ－4，說明角鋼分散布置形成的空間鋼構(gòu)架對核心區(qū)混凝土的約束程度趨近于方鋼管對于核心區(qū)混凝土的約束程度；而角鋼集中布置類似于工字鋼對核心區(qū)混凝土的約束則很小。

圖7給出了破壞時各試件柱端截面混凝土Mises應(yīng)力云圖。由圖7可見，試件RCZ－4未出現(xiàn)應(yīng)力較大的第三色塊區(qū)域，試件SRCZ－2只出現(xiàn)少許應(yīng)力較大的第三色塊區(qū)域，兩者云圖大體相同，而試件SRCZ－1與試件SRCZ－3均出現(xiàn)少許應(yīng)力很大的第一、二色塊區(qū)域，且云圖相近，說明試件SRCZ－2對核心區(qū)混凝土的約束幾乎沒有，而試件SRCZ－1對核心區(qū)混凝土的約束，趨近于方鋼管對核心區(qū)混凝土的約束。

4 結(jié)論

（1）本文利用ABAQUS軟件建立的非線性有限元分析模型可以較好地模擬鋼骨—鋼管混凝土柱的受力變形過程，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

（2）內(nèi)埋鋼骨的混凝土柱承載力、延性均要優(yōu)于其他相同條件的普通鋼筋混凝土柱。

圖7 破壞時各試件柱端截面混凝土Mises應(yīng)力云圖Fig.7 Mises stress nephogram of specimens at column ends cross section

（3）內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架的鋼骨混凝土柱的承載力和延性介于內(nèi)埋類似于工字鋼的鋼骨混凝土柱和內(nèi)埋鋼管的鋼骨混凝土柱之間，具有較高的承載力和延性性能。

［1］ 劉陽.核心型鋼混凝土柱抗震性能試驗及數(shù)值模擬［J］.華僑大學學報：自然科學版，2011，32（1）：75－79.

［2］ 王玉銀.T形截面鋼管混凝土柱抗震性能試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2009（增刊）：355－359.

［3］ 趙敬義.鋼骨—鋼管混凝土柱抗震性能研究［D］.沈陽：沈陽建筑大學，2009.

［4］ 中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50010—2010）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［5］ 陸新征，葉列平，繆志偉.建筑抗震彈塑性分析［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［6］ 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)——理論與實踐［M］.2版.北京：科學出版社，2004.

［7］ 馮國棟.內(nèi)埋空間鋼構(gòu)架鋼骨混凝土柱抗震性能研究［D］.蘇州：蘇州科技學院，2014.

［8］ 吳昊，唐興榮.空間鋼構(gòu)架混凝土柱受力性能的有限元分析［J］.淮海工學院學報：自然科學版，2013，22（3）：63－67.

［9］ 周振軼，唐興榮.多層砌體填充墻框架結(jié)構(gòu)的非線性有限元分析［J］.淮海工學院學報：自然科學版，2010，19（2）：59－63.