矩形鋼管混凝土翼緣的H型蜂窩組合柱屈曲分析

岳春龍

(黑龍江省交通運輸信息和科學(xué)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引 言

現(xiàn)在有許多關(guān)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究，但是僅采用傳統(tǒng)的圓形混凝土柱存在功能單一和節(jié)點連接困難等問題，而且無法滿足超高層建筑的穩(wěn)定性和承載力要求。所以本文結(jié)合這些問題和目前具有的技術(shù)手段，提出了一種矩形鋼管混凝土翼緣的H型蜂窩組合柱，這種新的組合構(gòu)造形式，結(jié)合了兩者的優(yōu)點，具有更好的承載能力和穩(wěn)定性[1]并且也避免了在超高層建筑中出現(xiàn)胖柱的問題。另外，此種新型組合柱在國內(nèi)外的研究尚未開展，因此對這種新型組合柱的研究具有很好的前景和價值。

1 試件設(shè)計

本文運用Abaqus[2]有限元軟件建立16組STHCC的仿真模型，其中A1-A3是在保證其他條件不變的情況下，對截面形式進(jìn)行改變[3]截面形式為P1、P2、P3，其實際長度為12 m，約束方式采用T1，計算長度為8.4 m，混凝土強度等級采用C50；A4-A8是保證其他條件不變的情況下，改變實際長度(6 m、7 m、8 m、9 m、11 m)，其約束方式采用T1，截面形式為P3，混凝土強度等級采用C50；A3、A9、A10是保證其他條件不變的情況下，改變組合柱的約束方式T1、T2、T3，實際長度為12 m，截面形式為P3，混凝土強度等級為C50；A11-A16是在保證其他條件不變的情況下，改變混凝土強度等級C20、C30、C40、C50、C60、C70、C80，計算長度采用12 m，約束方式為T1。具體截面形式如圖1所示。前述16組STHCC中除了A9采用T2約束方式和A10采用T3的約束方式，其他組合柱均采用T1的約束方式。通過柱頂施加均布荷載來模擬外荷載[4]。具體計算模型圖見圖2。

圖1 試件的具體尺寸和橫截面的類型(單位:mm)

圖2 三種約束方式下計算模型簡圖

2 本構(gòu)模型

由于本文的研究中矩形鋼管對混凝土起到了約束的作用，所以本文采用concrete damaged plasticity model(混凝土塑性損傷模型)[5]既能滿足要求，又有利于進(jìn)行混凝土的非線性分析和彈塑性分析。本文混凝土受壓過程的本構(gòu)關(guān)系具體參數(shù)可通過公式(1)獲得

(1)

式中:fc為混凝土額抗壓強度；ε0為混凝土的抗壓強度對應(yīng)的應(yīng)變；εcy為應(yīng)力為0.3fc處的應(yīng)變；εu為下降段應(yīng)力大小為0.85fc時的應(yīng)變。

3 有限元仿真結(jié)果分析與整體穩(wěn)定性對比

3.1 不同截面形式的STHCC構(gòu)件整體穩(wěn)定性對比

在保證橫截面面積不變的情況下，對不同截面形式的STHCC構(gòu)件進(jìn)行特征值屈曲分析。得到屈曲臨界荷載數(shù)值解如表1所示。從表中可以看出，在保證橫截面面積不變的情況下，屈曲臨界荷載的值都比原來的增加了17.7%和30.2%，可得對矩形鋼管混凝土柱增加混凝土的量，可以提升翼緣穩(wěn)定性，也能使整個組合柱的穩(wěn)定性提高。

表1 屈曲荷載數(shù)值解

3.2 不同長度的STHCC構(gòu)件整體穩(wěn)定性對比

在保證各構(gòu)件橫截面形式相同和材料相同的條件下，即采用Q235級鋼材和C50混凝土，對不同長度(6 m-A4、7 m-A5、8 m-A6、9 m-A7、10 m-A3、11 m-A8)的STHCC進(jìn)行屈曲分析，最終得到它們的屈曲荷載數(shù)值解如表2所示。可以看出，試件的屈曲荷載數(shù)值解在隨著長度的增大而逐漸減小。當(dāng)長度由6 m變成到11 m時，屈曲臨界荷載值由原先的5 917 kN變成了2 378 kN，減少了65%，可見構(gòu)件屈曲臨界荷載值的也受長度影響是較大的。

表2 屈曲荷載數(shù)值解

3.3 不同約束方式的STHCC構(gòu)件整體穩(wěn)定性對比

對長為12 m的三種不同約束方式T1、T2、T3的STHCC構(gòu)件進(jìn)行屈曲分析。構(gòu)件長度均為12 m，截面形式均為P3的構(gòu)造形式，混凝土強度等級均為C50，通過設(shè)置特征值屈曲的分析步對構(gòu)件進(jìn)行分析，得到它們的屈曲荷載數(shù)值解如表3所示。

由表3可以得出，不同的約束方式可以讓長度原本相同的柱子的計算長度相差會很大，可知均是12 m的柱子，但計算長度卻不同，因此屈曲臨界荷載值相差的也很多。

表3 屈曲荷載數(shù)值解

3.4 不同混凝土強度的STHCC構(gòu)件整體穩(wěn)定性對比

在保證各構(gòu)件橫截面形式相同(采用P3截面形式)和材料相同(Q235級鋼材)的條件下，對不同混凝土強度等級(C20、C30、C40、C50、C60、C70、C80)的STHCC構(gòu)件進(jìn)行特征值屈曲分析，最終得到的屈曲荷載數(shù)值解如表4所示。

表4 屈曲荷載數(shù)值解

由表可得混凝土強度從C20變化到C80，屈曲臨界荷載從原來的 1 855 kN變化為2 005 kN，只增加了原先的3.9%，可以看出提高混凝土等級對屈曲荷載的影響不大，這是由于混凝土的彈性模量變化小而對截面慣性矩的影響不大。

4 基于矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)翼緣的H型蜂窩組合柱屈曲荷載

依據(jù)上面有限元軟件模擬求解出的屈曲臨界荷載數(shù)值解，可以推導(dǎo)出該類組合柱屈曲荷載的計算公式。根據(jù)等剛度原則將混凝土變換成鋼材，再引入系數(shù)β，得出截面的等效慣性矩，如公式(2)所示。

(2)

由于β與屈曲臨界荷載Pcr的關(guān)系曲線近似成一條水平線，可以取β=0.894，進(jìn)而公式(2)可以寫成：

(3)

將試件的具體尺寸代入(3)得到式(4)，建立翼緣為鋼管混凝土的H型蜂窩組合柱彈性屈曲荷載計算公式

(4)

式中：E是彈性模量；μ是構(gòu)件計算長度系數(shù)；l是構(gòu)件的實際長度；Iq是截面的等效慣性距；ky是腹板慣性矩折減系數(shù)。

按照上述的公式計算A1-A16共16個試件的屈曲臨界荷載，通過與上述有限元分析得到的結(jié)果對比可以看出，二者吻合良好。根據(jù)對基于矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)翼緣的H型蜂窩組合柱進(jìn)行特征值屈曲分析，反推出慣性矩?fù)Q算系數(shù)β，進(jìn)一步就能得出特征值屈曲荷載計算公式(5)

(5)

5 結(jié) 語

本文主要分析了不同實際長度、截面形式、混凝土強度等級、加勁肋形式對STHCC構(gòu)件的特征值屈曲荷載影響規(guī)律，并提出了相關(guān)設(shè)計建議。最后根據(jù)參數(shù)分析規(guī)律回歸出了該類組合柱的特征值屈曲承載力的計算公式Pcr。