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1、内配十字型钢圆钢管混凝土压弯构件力学性能研究 史艳莉 吴星蓉 王凤 王文达 兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室 摘 要： 在实际工程中, 建筑结构承重柱通常处于同时受到轴向力和水平力的压弯受力状态, 本文采用 ABAQUS 有限元软件以内配十字型钢圆钢管混凝土压弯柱为典型构件, 分析了加载路径对其力学性能的影响, 讨论了构件的破坏模态、各组成部件的截面应力、应变变化规律, 同时提出构件的荷载-挠度关系曲线。结果表明:加载路径对力学性能几乎无影响, 整个加载过程中构件大致能保持平截面变形, 满足平截面假定, 构件的挠度曲线近似为正弦半波曲线。最后对影响组合柱压弯性能的主要因素进行了参数
2、分析, 发现长细比对其影响较为显著, 可为该类构件压弯承载力计算表达式的简化提供参考。关键词： 内配型钢钢管混凝土; 压弯性能; 荷载分配; 数值模拟; 有限元分析; 作者简介：史艳莉 (1977) , 女, 副教授, 博士生, 主要从事轻型钢结构及钢与混凝土组合结构研究收稿日期：2017-03-13基金：国家自然科学基金项目 (51268035) Analytical Behavior of Concrete-filled Circle Steel Tubular Column with Encased Profile Steel Under Compress and BendShi Yan
3、-li Wu Xing-rong Wang Feng Wang Wen-da Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province, Lanzhou University of Technology; Abstract： In actual project, the structure column is usually in compressive and bending performance by bearing axial and horizontal fo
4、rce.This paper presents a finite element model (FEM) of concrete-filled circle steel tubular column with internal profiled steel using the ABAQUS software and the FEM models of typical examples are established.The mechanical performance studies are analyzed, and the loading path, failure modes, stre
5、ss and strain distribution and the axial load versus displacement curves are calculated.The results show that there is no influence on the loading path, the column can keep flat section deformation during the whole loading process and meet the plane section assumption, its deflection curve conforms
6、to sinusoidal.Parametric studies of concrete-filled circle steel tubular column with internal profiled steel are also performed and found that slenderness ratio of column has significant effects on the bearing capacity, which can provide a reference for the compressive and bending calculation expres
7、sion of column.Keyword： concrete-filled steel tubular member with inner profiled steel; compressive and bending performance; load distribution; numerical simulation; finite element simulation; Received： 2017-03-131 引言内配十字型钢圆钢管混凝土构件是在圆钢管混凝土中插入十字型钢的一种组合构件, 由于核心受力单元被外钢管所约束, 具有很好的防屈曲耗能能力而被广泛运用于现代建筑1。在实际
8、工程中, 组合柱经常受到风荷载等水平力, 往往同时受到弯矩和轴力作用处于压弯状态。目前, 国内外学者对类似构件在压弯受力情况下的力学性能有一定研究, 如卢爱贞等 (2016) 2对 5 种不同尺寸的钢筋混凝土柱在偏心受压作用下的力学性能进行了研究, 对比分析各参数对构件应变、弯矩以及承载力的影响, 结果表明尺寸效应对构件力学性能影响较大;刘晓等 (2012) 3对 5 根内配工字型钢圆钢管混凝土柱进行压弯性能试验研究, 分析轴压比和加载方向对构件承载力的影响, 讨论紧箍效应的分布规律;关萍等 (2015) 4采用有限元软件对内配十字型钢圆钢管混凝土偏压柱力学性能进行分析, 并回归数据, 建立相
9、关承载力公式;Wang 等 (2004) 5对内配十字型钢圆钢管混凝土压弯构件承载力和延性进行试验研究, 得出该类构件适合在高地震烈度区结构中应用的结论;刘立平等 (2012) 6对 6 根钢骨-钢管混凝土偏压短柱进行试验研究, 分析试件的破坏特征及相关参数对其力学性能的影响。作用在压弯构件上的压力和弯矩可以由不同荷载引起, 常见的荷载组合有三种不同加载路径见图 1 所示:路径 I 是先施加轴力 N 到特定值, 再施加弯矩 M 到特定值。路径为轴力 N 和弯矩 M 按比例同时施加到某一特定值, 此路径在实际工程中最为常见。路径是先施加弯矩 M 到特定值, 再施加轴力 N 到特定值, 此路径在实
10、际工程中最为少见。图 1 压弯构件荷载加载路径 Fig.1 The loading path of compressive and bending member 下载原图本文计算采用的典型压弯构件参数为:圆钢管:DtL=600mm15mm3000mm, 十字型钢:bht wt=150mm350mm20mm20mm, 混凝土强度等级 C60;型钢和钢管为 Q345 钢材。因路径在实际工程中很少见, 故本文不做讨论。图 2 所示为两种路径下内配十字型钢圆钢管混凝土压弯构件数值曲线对比图, 可见两者吻合较好, N u和 Mu分别为轴压加荷下和纯弯加荷下的承载力值, 由图可见, 计算出的曲线形状大致重
11、合, 表明加载路径对组合构件的影响可以忽略不计。综上所述, 为更进一步研究该类结构的压弯性能, 本文采用 ABAQUS 有限元软件进行内配十字型钢圆钢管混凝土构件同时受到弯矩轴力作用下的静力性能分析和参数分析, 因加载路径对构件的承载力影响可以忽略, 故本文采用先受轴力再受弯矩 (路径 I) 的加载方式进行研究, 以期为实际工程中该类构件的应用提供参考。2 有限元模型的建立2.1 单元类型及边界条件为方便对典型构件进行后处理分析, 钢管、型钢、混凝土和垫板均采用八节点完全积分的 C3D8 单元。在进行模型验证以及相关参数分析时, 需要不断变换参数, 故整个构件采用具有良好准确性和高效的计算效率
12、的非线性纤维梁单元B31 来模拟。图 2 不同加载路径对构件承载力的影响 Fig.2 The influence of different loading paths on bearing capacity of members 下载原图有限元分析时, 将试件的边界条件设为一端固结一端自由, 通过在底板垫板上固定六个方向自由度实现固端约束。荷载施加采用分步加载方式, 首先在顶端垫板上施加压强完成轴向加载, 其次采用位移加载方式施加水平荷载, 在构件自由端沿 U1 方向施加。核心混凝土本构关系采用韩林海 (2007) 7中提出的塑性损伤模型, 钢管和型钢均采用尧国皇等 (2007) 8中提出的五
13、段式二次塑流模型。具体公式表达式详见文献7和文献8。2.2 模型验证为说明上述建模方法的可靠性, 本文对刘立平等 (2012) 6、刘晓等 20123文中内配型钢钢管混凝土柱在压弯加载下相关试验进行了数值模拟, 试件名称及具体参数详见表 1, 图 3 给出试验与有限元分析计算的对比曲线。由图 3 可见, 6 个试件有限元的计算结果与试验曲线非常接近, 极限承载力的误差在 0.8%4.3%之间, 表明上述有限元分析计算精度较高, 可用于后续的分析计算中。3 典型构件静力性能分析3.1 破坏模态图 4 给出典型构件按路径加载时在极限状态下的 Mises 等效应力图。由图可见, 构件在跨中表现出良好
14、的弯曲形态, 各组成部件的应力图受压侧是以中截面为对称中心分布的, 钢管与型钢共同约束混凝土, 使受压区跨中位置成为强度最高的部位。在构件受力过程中, 核心混凝土处于三向受压状态, 型钢能够延缓或避免混凝土发生剪切裂缝。钢管、型钢与混凝土三者之间相互作用, 使得构件在发生很大变形时也不至突然破坏, 而是表现出良好的弯曲形态, 说明该类构件具有较好的稳定性和塑性变形能力。图 3 计算曲线与试验曲线的比较 Fig.3 Comparisons between predicted and experimental results 下载原图表 1 试验试件参数 Tab.1 Summary of spec
15、imen dimensions 下载原表 3.2 荷载-跨中挠度关系曲线典型构件按路径加载时, 计算得到的承载力 (N) -中截面挠度 ( m) 关系见图 5 所示。由图可见, 构件承载力随中截面挠度的增加继续增加, 当中截面挠度达到某一值时, 构件承载力减小, 反应了承载力随中截面挠度变化而变化的全过程。图 4 典型构件在极限状态下的 Mises 等效应力图 Fig.4 The mises stress of typical structures in limit state 下载原图图 5 典型构件承载力-跨中挠度关系曲线 Fig.5 The force-deflection curves
16、 of typical component 下载原图整个试件的破坏过程可分为三个阶段, 分别是弹性阶段 (OA) 、弹塑性阶段 (AB) 和破坏阶段 (BC) 。在弹性阶段, 荷载与挠度均较小, N- m曲线近似呈直线, A 点为钢管进入弹塑性状态的临界点。在弹塑性阶段, 荷载不断增大, 混凝土微裂缝扩展, 部分混凝土退出工作, N- m关系曲线呈现非线性特征, 直至曲线上升至峰值点。在破坏阶段, 钢材全截面屈服, 荷载由核心混凝土承担, 导致混凝土受压开裂, 但钢管对混凝土有一定约束作用, 所以构件仍具有一定承载力, N- m关系曲线出现明显的下降段, 挠度迅速增长, 构件变形很大但荷载减小速率相对较慢, 表现出良好的塑性性能, 属于延性破坏。3.3 典型构件各组成部件荷载-跨中挠度曲线为更系统地分析该类构件受力机理, 本文计算了典型构件各组成部件荷载-挠度关系曲线见图 6 所示。由图可见, 整个受力过程中, 核心混凝土分
