钢骨混凝土组合短柱轴心受压性能研究

米婵娟 姚 莉 刘建明

(1.国家知识产权局专利局材料工程发明审查部，北京 100088； 2.北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100176； 3.燕山大学建筑工程与力学学院，河北 秦皇岛 066004)

钢骨混凝土组合短柱轴心受压性能研究

米婵娟1姚 莉2刘建明3

(1.国家知识产权局专利局材料工程发明审查部，北京 100088； 2.北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100176； 3.燕山大学建筑工程与力学学院，河北 秦皇岛 066004)

对钢管、角钢和箍筋(缀板)以及内外混凝土构成的新型组合柱的压缩性能作了研究，应用有限元软件ANSYS对组合柱的破坏过程进行数值模拟，通过与试验测试数据的对比，对轴压作用下柱破坏过程中裂缝开展情况，各组分的应力变化进行了分析，利用大量的数值计算数据，基于基本假定，构建新型组合柱轴压承载力计算公式，通过试验数据进行了可靠性验证。

高性能混凝土，组合柱，轴心受压

0 引言

高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)作为混凝土材料的重要发展方向，以其耐久性好、强度高、变形小等特点，被广泛应用于高层建筑、桥梁、港口海洋工程和地下工程等领域。高强混凝土是脆性材料，且强度愈高，脆性愈显著，导致其应用中最大的缺陷是结构的延性差[1]。目前，对抗震结构中高强混凝土柱通常采取限制轴压比和增加配筋率的方法来提高结构延性[2]。实践经验和研究结果表明，通过增加配箍率对高强混凝土柱的延性有所改善，但达到一定程度后效果并不显著，当柱子轴压比较大时，难以通过加密箍筋的方法使C80高强混凝土的延性达到C30混凝土的程度[3,4]。若对柱的轴压比限制过严，会使柱截面尺寸增大，增加脆性破坏的可能性，降低了经济效益，同时箍筋过密使施工难度增大，不易保证混凝土浇筑质量。研究及应用经验表明，采用钢管高强混凝土[5,6](Steel Tube Filled with HC)和钢骨高强混凝土[7,8](Steel Reinforced HC)等钢—混凝土组合结构是解决上述问题的有效途径。

本文通过试验和数值模拟等方法，对钢管、角钢和箍筋(缀板)以及内外混凝土构成的新型组合柱的压缩性能研究，对轴压作用下柱破坏过程中裂缝开展和各组件的应力变化情况进行了分析，提出了新型组合柱轴压承载力计算公式。

1 建立模型

1.1 组合柱的相关参数

组合柱试样的截面尺寸均为200 mm×200 mm，高度为600 mm，其高宽比为3，符合短柱要求。钢管含钢率均为4.54%，角钢含钢率分别为1.41%，2.07%，2.91%；角钢之间通过箍筋焊接在一起，形成外围的钢骨架。混凝土现场搅拌浇筑，同时制作150 mm混凝土立方体试块，采用标准养护，其28 d强度为C52[9]。试样设计参数及材质见表1。

表1 试样组件及性能指标

1.2 有限元模型参数

应用ANSYS建模过程中，混凝土和钢材分别采用多线性等向强化模型(MISO)和双线性等向强化模型(BISO)，混凝土在多轴应力状态下的破坏准则采用Willam-Warnker五参数模型。混凝土采用Solid65单元，钢管、角钢以及垫板采用Solid45单元模拟，角钢和外围混凝土的粘结滑移采用2节点弹簧单元Combin39，考虑法向方向的相互作用，有限元模型如图1所示[10，11]。根据试验装置的情况，约束组合柱模型底面节点的所有平动自由度(X，Y，Z向)和柱顶面节点的X，Y向的平动自由度。在顶面上施加沿Z负方向的位移荷载，以保证在加载过程中柱子始终保持轴心受压状态。设置单载荷步，50个～100个子步，每2个子步读取一个计算结果，最大平衡迭代次数取50次。选取位移的无穷范数进行收敛控制。分析程序采用牛顿—拉普森平衡迭代法进行非线性求解。

2 结果与讨论

2.1 极限破坏过程

根据数值分析的图像和数据记录，可以清晰看到试样破坏过程中裂纹发展情况。当加载到极限荷载的60%左右时，外围混凝土在柱顶外侧出现了第一条裂缝，当加载到1 705.4 kN(约为极限荷载的63%)时，混凝土在柱顶及外侧表面开始出现若干裂缝，当加载到1 960.4 kN(约为极限荷载的73%)时，钢管内的混凝土开始出现了裂缝，如图2a)所示；图2b)显示角钢屈服时混凝土裂缝分布情况，此时钢管内外都布满了大量的裂缝，此时的荷载为2 403.45 kN，约为极限荷载的89%；图2c)为构件达到破坏时混凝土裂缝分布图，钢管内外都布满了大量的裂缝，箍筋也已屈服，此时的荷载为2 565.48 kN，约为极限荷载的92%。

在构件破坏时，角钢屈服发生外鼓，与外围混凝土分离，从图2d)位移云图看出连接单元产生了位移，说明外围混凝土单元和角钢单元之间产生了分离。

2.2 混凝土应力应变曲线

根据钢管内外混凝土的应力应变，绘制相应的应力—应变曲线，并与单轴受压情况下相比较，如图3所示。从图中可以看出，内外混凝土在角钢和钢管约束下，应力得到提高，尤其是钢管约束下，应力提高幅度很大，说明混凝土的塑性变形能力在角钢和钢管约束下得到了较大改善。混凝土的峰值应变也相应有所增大，如单轴受压时，大约为0.2%，而在角钢和钢管约束作用下，混凝土的峰值应变达到了0.3%。混凝土相对应力发展曲线如图4所示。

2.3 承载力曲线

本文分别提取模拟试件的钢管、角钢和箍筋各自的应变值，绘制相应的荷载—应变曲线，并和实验所得曲线进行了对比分析。

1)钢管荷载应变曲线。

绘制三个模型钢管的荷载—应变曲线(纵向应变和横向应变)，并和试验所测得的曲线进行了比较，如图5，图6所示。从图中可以看出，计算所得的钢管应变稍大于试验值，因为在数值计算过程中，钢管单元和内外混凝土单元之间共用节点，没有考虑两者之间的粘结滑移，钢管和内外混凝土变形协调，钢管应变近似等于混凝土应变，计算结果较理想化。而在实验过程中，随着荷载的增加，钢管和混凝土两种材料由于受力性能的不同，必定会产生一定的分离，使得钢管应变和混凝土应变不一致，并且小于混凝土的应变。

2)角钢荷载应变曲线。

绘制核心钢管外包钢骨混凝土短柱轴压构件模型角钢的荷载—纵向应变曲线，并和试验所得曲线相比较，如图7所示。由图可见，计算曲线和试验曲线吻合较好。

三组试样的角钢含钢率分别为1.41%，2.07%和2.91%，分析发现随着角钢含钢率的增加，曲线的下降趋势变得缓慢，峰值应变也有提高，说明构件延性增强。这是因为角钢含钢率增加，对混凝土的约束面积增大，提高混凝土的应变，相应地整个构件的延性得到改善。

3)箍筋荷载应变曲线。

绘制箍筋的荷载—横向应变曲线，并和试验所得曲线相比较，如图8所示。由图可知，峰值应变比实验值稍小，这是由于数值模拟时，箍筋和外围混凝土完全粘结，箍筋和外围混凝土横向变形协调，计算结果理想化。实验所得的箍筋应变值是取试件中部箍筋的横向应变，由实验现象可知，组合柱的破坏位置在柱中部，在加载过程中外围混凝土和箍筋相互作用，箍筋会向外屈曲，导致测得的数据会有一定的误差。

从以上分析中可以看出，通过ANSYS数值模拟所得的结果和试验结果吻合较好，计算所得的极限承载力和试验所得的极限承载力误差均较小，而各组件的荷载变形曲线与试验得出的荷载变形曲线趋势基本相同，但存在偏离。造成偏离可能有两方面原因，一是有限元建模无法与试验的环境完全一致，二是试验本身存在一定的误差，目前还难以定量考虑。

3 组合短柱轴心受压正截面承载力计算

3.1 基本假定

在进行承载力计算中，本文提出如下基本假定：首先，破坏面符合平截面假定；其次，不考虑钢材和混凝土之间的相对滑动，钢材和混凝土之间纵向应变一致；第三，构件达到极限承载力时，混凝土均达到其抗压强度，钢材均达到其屈服强度；第四，短柱不考虑侧向挠曲的影响；第五，不考虑混凝土的收缩和徐变作用；最后，不考虑钢材的局部屈服[9]。

3.2 计算公式

本文基于《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS规程)，提出核心钢管外包钢骨混凝土短柱轴心受压承载力计算公式，引入一个综合提高系数φ以考虑外围钢骨架对钢管外混凝土的约束作用[9]。核心钢管外包钢骨混凝土短柱轴心受压承载力计算公式的一般形式：

(1)

(2)

提高系数φ由钢骨架的形式来确定，对于角钢和箍筋形成的钢骨架对钢管外混凝土强度的提高系数，一般可取1.06。

3.3 预测结果

应用3.2中的公式对3组试验试样进行承载力预测，对比结果如表2所示。将文献[12]中的试件按式(1)计算的结果和试验结果比较。对比结果表明，计算值和试验值之比的平均值为1.048，均方差为0.018，预测精度比较高。

表2 计算公式预测结果精度

4 结语

通过对核心钢管外包钢骨混凝土组合短柱的试验测试和数值模拟结果分析，随着轴向荷载的增加，首先外围混凝土产生裂缝，钢管及角钢先后屈服，箍筋最后屈服。试件破坏时，角钢和外围混凝土之间分离，柱子中部的角钢屈服外鼓，同时内外混凝土均产生大量裂缝，核心混凝土达到其抗压强度。在受力过程中，核心混凝土部分发挥了主要作用。提出了核心钢管外包钢骨混凝土短柱轴心受压的承载力计算的基本假定，提出了组合柱正截面承载力的计算公式，其预测值具有较高的精度，对工程设计和实际应用具有指导作用。

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The property study of concrete-filled steel column for axial compression

Mi Chanjuan1Yao Li2Liu Jianming3

(1.MonitoringDepartmentofMaterialEngineeringInvention,StateIntellectualPropertyOfficeoftheP.R.C,Beijing100088,China; 2.BeijingInstituteofArchitecturalDesign,Beijing100176,China; 3.DepartmentofEngineeringMechanics,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China)

The paper researches the compression performance of the new concrete-filled column with steel pipes, steel angle and stirrup and the internal and external concrete, adopts the finite element software ANSYS, to undertake the numeric simulation of the damage process of the concrete-filled column, analyzes the stress changes of all parts in the cracks of column damage process under the effect axial pressure by comparing test data, uses a lot of numeric calculation data, establishes the new concrete-filled axial pressure capacity calculation formula based on basic assumption, and undertakes the reliable checking according to the test data.

high performance concrete, concrete-filled column, axial stress

1009-6825(2015)07- 0032- 04

2014-12-28

米婵娟(1981- )，女，硕士

TU398

A