配筋方钢管混凝土柱的抗压性能

郑 亮，靳小俊，董彦莉

（中北大学理学院，山西太原030051）

配筋方钢管混凝土柱的抗压性能

郑 亮，靳小俊，董彦莉

（中北大学理学院，山西太原030051）

通过配筋方钢管混凝土柱轴压试验及ABAQUS有限元软件对配筋及未配筋方钢管混凝土柱的轴心受压和偏心受压性能进行了非线性数值模拟，研究了2种方钢管混凝土柱在轴心受压和偏心受压下的力学性能、变形能力和破坏形态，给出了2种方钢管混凝土柱数值模拟的荷载-位移曲线和变形形式，分析了配筋对方钢管混凝土柱变形和极限承载力的影响.结果表明：钢管混凝土柱加配筋以后，极限承载能力显著提高，同时变形性能得到一定的改善，但2种方钢管混凝土柱的破坏形态基本相同.随着偏心距的增加，2种钢管混凝土柱的极限承载力和后期的稳定承载力逐渐降低，但配筋钢管混凝土柱的降低幅度比钢管混凝土柱降低幅度小.

方钢管混凝土；螺旋箍筋；轴压试验；偏心受压；ABAQUS

钢管混凝土是在螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的，具有承载力高、塑性和韧性好、施工周期短、耐火性能好等优点，已广泛应用于各种建筑结构中.而配筋钢管混凝土柱是在钢管内部的核心混凝土中加配纵向受力钢筋和箍筋而形成的试件，纵筋和箍筋组成的钢筋网约束核心混凝土，从而弥补了方钢管混凝土约束能力不强的弱点，进而使其承载力和变形性能都有较大提高.目前国内外对钢管混凝土柱的受力性能已有大量的研究报道［1-7］，文献［8-9］对配筋圆钢管混凝土短柱和钢管混凝土短柱的轴心受压进行了试验，研究比较了配筋钢管混凝土短柱的受力性能、变形能力和破坏形态.但是对配螺旋箍筋钢管混凝土柱受力性能方面的研究较少.

为此，对配筋方钢管混凝土柱进行轴压试验，采用ABAQUS有限元软件分析配筋及未配筋的方钢管混凝土柱的承载力和变形性能，并将配筋与未配筋方钢管混凝土柱的承载力和变形性能进行比较.

1　试 验

1.1目 的

为了提高钢管对钢管混凝土柱中核心混凝土的约束能力，在钢管中配置钢筋，并对配筋方钢管混凝土柱进行轴心受压试验，以了解配筋方钢管混凝土柱的力学性能.

1.2方 法

方钢管混凝土柱和配螺旋箍筋方钢管混凝土柱的轴心受压试验试件的具体参数列于表1中.试件钢管采用Q235，纵向钢筋采用HRB335，箍筋采用HPB235.

表1　方钢管混凝土柱试件参数mm

钢管混凝土短柱及配方钢管混凝土短柱单调加载静力轴心受压试验，采用500 t液压式压力机，对2种混凝土短柱试件进行单调加载直至试件达到极限承载力而破坏.为顺利完成试验加载过程，可将加载过程分为预加载和正式加载2个阶段.加载装置及钢管混凝土柱的破坏方式如图1，2所示.

图1　配筋方钢管混凝土柱加载装置

图2　破坏形态

由图2知，未配筋试件在加载初期，处于弹性阶段，外观基本没有变化.当荷载达到0.85倍的极限荷载时，方钢管混凝土短柱钢管中上部表面微微鼓曲，短柱顶部与压力机顶板接触的部分并未发生明显鼓曲破坏.同样，配筋试件在加载初期，处于弹性阶段，外观基本没有变化.当荷载达到0.90倍的极限荷载时，方钢管混凝土短柱钢管中上部表面微微鼓曲，短柱顶部与压力机顶板接触部分并未发生明显鼓曲破坏.配筋及未配筋方钢管混凝土柱的荷载-位移曲线见图3.

图3　荷载-位移曲线

由图3可知，未配筋方钢管混凝土柱的承载力为3 200 kN，配筋后方钢管混凝土柱的承载力为4 400 kN，配螺旋箍筋后方钢管混凝土柱的承载力有较大程度的提高，最大提高幅度达到37.5%.这是由于方钢管对核心混凝土的约束能力较弱，无法有效发挥核心混凝土的抗压强度，而配螺旋箍筋后有效地约束了方钢管中的混凝土，使核心混凝土处于三向受压状态，提高混凝土抗压强度，从而提高整个配筋方钢管混凝土的极限承载力.

2　有限元模型的建立

2.1模型单元类型及边界条件

在ABAQUS建立的数值模型中，核心混凝土采用实体单元Solid164模拟，钢管采用壳单元（shell）（S4）.为使得壳单元在厚度方向上有较高的计算精度，在厚度方向采用多个积分点的simpson积分方式，螺旋箍筋及纵筋采用线性单元（wire）来模拟.钢管混凝土中钢管和混凝土之间存在界面力，为更好地模拟钢管和混凝土界面间的接触模型，在有限元模型中钢管和混凝土之间的界面接触由切向滑移和法向接触2部分组成，沿着钢管和混凝土界面接触面的切向滑移采用库仑摩擦来模拟钢管和混凝土之间的摩擦力，同时假定在有限元模型中钢管和混凝土之间的滑动是有限的，故采用有限滑移（limited sliding）单元来模拟，钢管和混凝土间的剪切滑移系数取0.6［10］；数值模型中钢管和混凝土接触面法线方向采用硬接触方式来模拟，允许钢管和混凝土之间分离，但不允许两者互相穿透，这种模拟接触方式可以很好地模拟钢管和混凝土间真实的界面接触性能.螺旋箍筋与核心混凝土间具有足够的黏结强度，并且钢筋混凝土中的钢筋不会发生黏结破坏，两者能够共同工作，因此在ABAQUS有限元数值模型中采用埋入单元（embedded element）来模拟螺旋箍筋和核心混凝土的相互作用.

数值模拟计算中，为不产生应力集中使得数值计算产生不收敛，将2种钢管混凝土柱顶和柱底所有节点耦合到一点，柱顶和柱底边界条件采用铰接方式连接.对于轴压试件，在柱顶采用位移加载方式施加压力，故柱的顶部约束x，y方向的位移，柱底部约束x，y，z方向的位移.对于偏心受压试件，在柱顶采用位移加载的方式施加压力，故柱的顶部约束x，y方向的位移，柱底部约束z向的位移.

2.2材料模型

借鉴ABAQUS文献，数值模拟中混凝土材料采用Concrete Damaged Plasticity模型，其混凝土受压应力-应变关系采用文献［11］中单轴抗压全曲线方程：

上述公式中的纵、横坐标的具体公式为

参数αa，αd计算公式为

其中混凝土抗拉应力-应变曲线采用如下公式［11］计算：

上述公式中的纵、横坐标计算公式为

参数αt计算公式如下：

混凝土材料采用的Concrete Damaged Plasticity模型的具体参数如下：轴心抗压强度；混凝土的弹性模量E=3.6×104MPa；泊松比υc=0.2；抗拉强度:模型中混凝土剪涨角为30°；

混凝土本构关系如图4所示，方钢管采用弹塑性模型.其中，方钢管的屈服强度值fy=345 MPa；方钢管的弹性模量Eg=2.1×105MPa；方钢管的泊松比υg=0.3.σ

图4　混凝土本构关系

钢材本构关系采用理想弹塑性模型（见图5）.

图5　钢材的本构关系

通过有限元软件ABAQUS，应用上述材料模型模拟配筋钢管混凝土，其结果与试验对比如图6所示.

图6　试验与模拟对比

由图6可知，两者吻合很好，说明采用的有限元方法能有效地模拟计算方钢管混凝土试件的荷载-位移关系.

3　数值模拟参数分析

参数分析的配筋及未配筋钢管混凝土的截面形式，如图7所示.应用ABAQUS有限元软件对钢管混凝土柱的轴压和偏压静力性能进行了非线性数值模拟，模拟试件的宽度a=200 mm，壁厚t为5 mm和8 mm，纵筋直径为8 mm和10 mm，箍筋直径为6 mm，混凝土强度fc=14.3 MPa，钢管屈服强度fy= 235 MPa，纵筋屈服强度fl=345 MPa.着重考察了2种混凝土柱的轴心受压和偏心受压力学性能的影响.

图7　横截面示意图

共模拟24个试件，其中8个钢管混凝土柱试件，16个配筋钢管混凝土试件，参数及结果见表2.其中，t为钢管壁的厚度；Nu为极限承载力；Nw为后期稳定承载力.编号中，A代表钢管壁厚度为5 mm；B代表钢管壁厚度为8 mm；φ代表配筋，φ后数字代表纵向钢筋的直径（mm）；A，B后的数字代表偏心距e，0代表e=0 mm，1代表e=25 mm，2代表e= 50 mm，3代表e=75 mm.

表2　试件参数及模拟结果

4　计算结果分析

4.1偏心距的影响

宽度为200 mm的2种钢管混凝土柱的荷载（F）-位移（D）随偏心距的变化曲线如图8-9所示，其中As为钢筋的面积.

图8　钢管混凝土柱F-D曲线（t=5 mm）

图9　配筋钢管混凝土柱F-D曲线（t=8 mm，As=471 mm2）

由图8-9可知，2种混凝土柱的F-D曲线可以分为4个阶段，即弹性阶段（直线上升段）、弹塑性阶段（上升段中的曲线段，较短）、陡峭下降阶段和稳定下降段.钢管混凝土柱达到极限承载力后，承载力会有一定程度的下降，但并不会完全丧失承载力，后续还有一定的稳定承载能力，但后期稳定承载力在缓慢下降的同时变形将逐渐加大.

由此可见，随着偏心距的增加，弹性阶段逐渐变短，并且在偏心荷载作用下2种钢管混凝土柱的压弯刚度逐渐降低，弹塑性阶段变长；随着偏心距的增加，2种混凝土柱的极限承载力和后期的稳定承载力逐渐的降低，由表2可知降低的幅度逐渐减小；相同偏心距条件下，配筋会使钢管混凝土试件的极限承载力到后期稳定承载力的降低幅度显著减小.以偏心距50 mm，壁厚5 mm为例，钢管混凝土柱的极限承载力到稳定承载力的降低幅度达到25%，钢管混凝土配筋471 mm2时，配筋钢管混凝土柱的极限承载力降低幅度达到18.5%；随着偏心距的增加，2种凝土柱达到极限承载力后，曲线的陡峭下降阶段逐渐变缓并逐渐消失，直接过渡到稳定下降段.

4.2钢管壁厚的影响

钢管壁厚变化后，宽度为200 mm的2种混凝土柱的F-D变化曲线如图10-11所示.

由图10-11可知：①壁厚为5mm和8mm的未配筋及配筋钢管混凝土柱极限承载力分别为2 449.97 kN和3 256.08 kN、2 610.58 kN和3 457.54 kN，钢管壁厚的增加可提高对混凝土的约束能力，因此在相同偏心距的条件下，壁厚的增加可减小钢管混凝土柱极限承载力的降低幅度，从而提高了钢管混凝土柱的承载力和塑性变形能力.②由表2可知，相同偏心距条件下，随壁厚增加，配筋钢管混凝土柱从极限承载力到稳定承载力的降低幅度较低；钢管混凝土柱的极限承载力和后期稳定承载力都有一定程度的提高，钢管混凝土柱F-D弹性阶段增加，并且陡峭下降段变缓.

图10　钢管混凝土柱F-D曲线（e=0 mm）

图11　配筋钢管混凝土柱F-D曲线（e=50mm，As=471 mm2）

5　钢管及钢筋的变形

在偏心荷载和轴心荷载作用下，配筋钢管混凝土柱钢管及配筋的变形如图12-13所示.

图12　偏心荷载作用下的变形

图13　轴压荷载作用下的变形

在偏心和轴心荷载作用下，2种混凝土柱具有相同的变形形式，钢管的变形如图12-13所示.当偏心距较小时，偏心荷载作用下2种混凝土柱全截面受压，当偏心距较大时，偏心荷载作用下2种混凝土柱截面可分为受拉区和受压区，达到极限承载力后，钢管在受压区达到了屈服，同时受弯处纵筋和箍筋也达到屈服.在轴心荷载作用下，钢管中部屈曲，屈曲处纵筋和箍筋也达到屈服.偏心荷载作用下，钢管顶面和下面由于约束作用，变形较小，钢管混凝土柱在中部受压侧向外鼓出并屈曲，并且在受压侧相邻的两边靠近受压区钢管也屈曲并向外鼓出，如图12所示；在轴心荷载作用下，中部钢管壁向外鼓出并屈曲，如图13所示.纵筋和箍筋在变形处均达到屈服强度，靠近顶部由于变形较小，箍筋并未完全屈服.2种混凝土柱的受压区随着偏心距的增加而逐渐减小.

试件在破坏时，受压区混凝土柱达到极限压应变，受压钢筋和钢管都达到屈服强度，受拉区的钢管和钢筋也达到屈服强度.因此，无论是轴压试件还是偏心试件都是强度破坏.

6　结 论

1）钢管混凝土柱配筋后，承载力和塑性变形能力比钢管混凝土柱有一定程度的提高，通过试验可知，极限承载力的最大提高幅度达到37.5%.

2）随着偏心距的增加，钢管混凝土柱及配筋钢管混凝土柱的极限承载力和后期的稳定承载力逐渐降低，但配筋钢管混凝土柱的降低幅度比钢管混凝土柱降低幅度小.

3）配筋和未配筋钢管混凝土柱的破坏形式基本相同，配筋没有改变钢管混凝土柱的变形和破坏形式，所有试件的破坏为强度破坏.

（References）

［1］ Tao Zhong，Han Linhai，Wang Zhibin.Experimental behavior of stiffened concrete-filled thin-walled hollow steel structural（HSS）stub［J］.Journal of Constructional Steel Research，2005，61（5）：962-983.

［2］ 胡 吉，石启印，李爱群.外包钢-混凝土组合梁正截面受弯承载力试验［J］.江苏大学学报：自然科学版，2005，26（5）：457-459. Hu Ji，ShiQiyin，Li Aiqun.Experimenton bending capacity of normal cross-section in steel-encased concrete composite beams［J］.Journal of Jiangsu University：Natural Science Edition，2005，26（5）：457-459.（in Chinese）

［3］ Bradford M A，Loh H Y，Uy B.Slenderness limits for filled circular steel tubes［J］.Journal of Constructional Steel Research，2002，58（3）：243-252.

［4］ Young B，Ellobody E.Experimental investigation of concrete-filled cold-formed high strength stainless steel tube columns［J］.Journal of Constructional Steel Research，2006，62（5）：484-492.

［5］ Zhong S T，Chen H T，Zhang S M.Behaviours and strengths of concentrically loaded short concrete-filled steel HS columns with different cross-section geometries［J］.Advances in Structural Engineering，2004，7（2）：113-127.

［6］ Yang Y F，Han LH.Compressive and flexural behavior of recycled aggregate concrete filled steel tubes（RACFST）under short-term loadings［J］.Steel and Composite Structures，2006，6（3）：257-284.

［7］ Han Linhai，Yao Guohuang，Zhao Xiaoling.Tests and calculations for hollow structural steel（HSS）stub columns filled with self-consolidating concrete（SCC）［J］.Journal of Constructional Steel Research，2005，61（9）：1241-1269.

［8］ 韩金生，董毓利.配筋钢管混凝土柱抗压性能［J］.土木建筑与环境工程，2009，3l（3）：12-17. Han Jinsheng，Dong Yuli.Analysis of axial compression performance for reinforcement concrete-filled tubular steel［J］.Journal of Civil，Architectural&Environmental Engineering，2009，3l（3）：12-17.（in Chinese）

［9］ 侯宇颖.轴心受压配筋钢管混凝土短柱的试验研究［J］.低温建筑技术，2011（12）：62-64. Hou Yuying.Experimental studies ofbar-reinforced concrete filled steel tubular stub columns under axial loads［J］.Low Temperature Architecture Technology，2011（12）：62-64.（in Chinese）

［10］ 韩林海，陶 忠，王文达.现代组合结构和混合结构：试验、理论和方法［M］.北京：科学出版社，2009.

［11］ 过镇海.混凝土的强度和本构关系：原理与应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.

（责任编辑 赵 鸥）

Com Pression Performance of reinforcement high strength concrete-filled steel tubular columns

Zheng Liang，Jin Xiaojun，Dong Yanli
（School of Science，North University of China，Taiyuan，Shanxi030051，China）

The nonlinear numerical simulation of the compression performance of reinforcement high strength concrete-filled tubular steel was conducted by reinforced concrete filled steel tubular axial compression test and analysis of ABAQUS.The deformation capacity and the ultimate load capacity and failuremodes of high strength concrete-filled tubular steel were investigated under axial and bias compression.The load-displacement curves and the deformation form of numerical simulation were obtained by analysis of ABAQUS.The influence of reinforcement on the deformation and ultimate load capacity was analyzed.The results show that the column failuremodes of reinforcementhigh strength concrete-filled tubular steel and concrete-filled tubular steel are similar，while the ultimate load capacity and the deformation performance are improved by reinforcement.With the increasing of eccentricity，the ultimate bearing capacity and the late stability bearing capacity of concrete-filled steel tubular column and reinforced concrete-filled steel tubular column are gradually reduced，but the reducing amplitude of bearing capacity for the reinforced concrete-filled steel tube is smaller than that for concrete-filled steel tube.

square concrete-filled tubular steel；spiral stirrup；axial compression test；eccentric compression；ABAQUS

TU352.1

A

1671-7775（2015）04-0469-06

郑 亮，靳小俊，董彦莉.配筋方钢管混凝土柱的抗压性能［J］.江苏大学学报：自然科学版，2015，36（4）：469-474.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.04.018

2014-08-15

国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51208473）

郑 亮（1977—），男，山西太原人，讲师（zl_5403@126.com），主要从事钢结构和组合结构研究.靳小俊（1978—），女，山西太原人，讲师（54033333@163.com），主要从事组合结构研究.