圆端形钢管混凝土柱的局部稳定性研究

陈家春

(福建省建筑轻纺设计院 福建福州 350001)

0 引言

圆端形钢管混凝土柱基于具有截面灵活和外表美观的优点，已被应用于实际工程。文献[1-3]对RCFST轴压性能和破坏机理进行分析，并建议其承载力的计算方法。文献[4-8]对偏压荷载下的RCFST进行力学性能分析，并建议偏压下的该类组合柱承载力。此外，文献[9][10]分别研究了圆端形钢管混凝土构件的压弯、受弯力学性能。但是与圆端形钢管混凝土的局部稳定相关研究尚鲜见报道。圆端形钢管截面的平直段部分容易产生局部屈曲，宽厚比较大时其承载力较低。

鉴于此，本文拟基于有限元模型探究初始缺陷模态、宽厚比、钢材强度等参数对圆端形钢管混凝土柱的局部稳定性的影响规律，并基于参数分析提出该类组合柱跨中截面平直段钢管的承载力简化计算式。

1 有限元模型

圆端型钢管混凝土桩截面形状如图1所示。

图1 圆端形钢管混凝土柱截面

1.1 模型参数

本文采用有限元软件ABAQUS开展机理分析，钢材本构模型采用文献[11]建议的二次塑流模型，如式(1)所示：

(1)

混凝土采用文献[12]建议的模型如式(2)，其中相关参数详见文献[12]。

有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

混凝土采用实体单元C3D8R，钢管采用壳单元S4R。混凝土与钢管的法向接触行为采用“硬接触”进行模拟，允许接触后分离。切向行为采用“库伦摩擦”模型模拟，摩擦系数取0.6。主面为混凝土外表面，从面为钢管内表面。柱下端面完全固定，上端面约束除轴向位移外的所有自由度，在上端面进行位移加载。缺陷模态采用ABAQUS中BUCKLING分析获得。初始缺陷最大值取为钢管平直段宽度的1/100[13-14]。

1.2 模型验证

使用图2所示有限元模型模拟文献[2]中的RCFST-4与文献[9]中的CFRT1-0a，其试验曲线与有限元模拟曲线对比如图3～图4所示。由图3～图4可见，数值模拟的吻合程度较好，因而本文的有限元模型可以用来模拟圆端形混凝土柱轴压试验全过程。

图3 RCFST-4[2]

图4 CFRT1-0a[9]

2 机理分析

为进一步探讨初始几何缺陷对圆端形钢管混凝土柱中钢管局部稳定性的影响规律，本文对典型构件开展参数分析。本文分析主要考虑3个参数：初始缺陷形式、宽厚比、钢材强度。其中，宽厚比参数与对应的空钢管RST进行对照。所有构件列于表1中，其混凝土强度统一采用C60，试件编号中RCFST和RST，分别代表钢管混凝土组合柱和空钢管，fy为钢材屈服强度。

表1 构件尺寸一览表

图5所示的是RCFST50-345、RCFST50-345b和RCFST50-345c三根构件达到极限状态承载力时，组合柱跨中截面平直段钢管的应力比(σs/σs0，σs和σs0分别为考虑初始缺陷和不考虑初始缺陷时平直段钢管的平均应力)。从图5看出，考虑一阶、二阶、三阶屈曲模态作为钢管的初始缺陷后平直段钢管的承载力分别下降了31.8%、24.7%和27.5%，这说明一阶模态的影响最大。因此，后文的分析统一采用一阶模态作为钢管的初始缺陷。

图5 不同屈曲模态对承载力影响

2.1 不同缺陷模态的影响

图6给出了表1中典型构件RCFST50-345的前三阶屈曲模态，一阶为对称的5个半波，二阶为反对称的5个半波，三阶为对称的4个半波。

2.2 宽厚比的影响

图7给出了不同钢管平直段宽厚比(b/t，b和t分别为平直段钢管的宽度和厚度)对钢管混凝土组合柱RCFST和空钢管RST的平直段钢管的应力比(σs/σs0)的影响规律。由图7可见：对于空钢管对比构件，平直段钢管的平均应力随着宽厚比的增大而减少；当宽厚比由10增大到90时，σs/σs0由0.992下降到0.281；当宽厚比小于10时，可以不考虑初始缺陷的影响；对于钢管混凝土组合柱，初始缺陷的影响规律相似。但是，由于填充了混凝土，钢管平均应力的下降幅度远小于空钢管，平直段钢管的局部稳定性得到显著提高，当宽厚比小于20时可不考虑初始缺陷的影响，因此设计时可将20t取作钢管平直段的有效宽度。

(a)一阶

图7 不同宽厚比对承载力影响

2.3 钢材屈服强度(fy)

图8给出了钢管屈服强度对该类组合柱的平直段钢管的应力比(σs/σs0)的影响规律，可见钢材屈服强度(fy)对σs/σs0的影响较小，相差不超过5%。

图8 不同钢材对承载力影响

3 简化计算

在不考虑初始缺陷的情况下，由有限元模拟结果容易发现，平直段钢管承载力与截面承载力呈线性相关，经数值拟合后得平直段钢管承载力简化计算式，如式(3)所示，公式的适用范围为b/t=20-90。

Npz=2×0.88fybt

(3)

如图9所示，该计算式吻合程度良好。

基于上述分析，可在不考虑缺陷的平直段钢管承载力的基础上，用折减系数φ得出考虑初始缺陷时平直段钢管的承载力简化计算式：

Npzi=2×0.88φfybt

(4)

其中，强度折减系数φ采用式(5)计算：

图10给出了简化计算结果和有限元计算结果的比较。由图10可见，平均值和均方差分别为0.981和0.026，因此，该简化计算模型可用于计算平直段钢管的承载力。

图10 Npzi简化计算结果和有限元计算结果的对比

此外，还可偏于保守地取平直段钢管的有效宽度为20t。

4 结论

(1)基于缺陷模态参数分析，由BUCKLING分析中的前3阶屈曲模态作为初始缺陷导入轴压力学分析中，发现考虑该类初始缺陷影响后平直段钢管稳定性均有明显的影响，且1阶模态的影响最大。

(2)基于钢材强度的参数分析，可知钢材对平直段钢管的局部稳定性影响较小，对于Q235、Q345、Q390、Q420四种工程常用钢材，影响不超过5%。

(3)因钢管内的混凝土对钢管变形存在约束，钢管混凝土柱平直段钢管的局部稳定性要优于空钢管，其考虑缺陷的平直段钢管承载力均高于同宽厚比的空钢管。

(4)钢管混凝土柱平直段钢管的承载力，随着宽厚比的增大而增大，钢管混凝土柱宽厚比小于20时，平直段钢管稳定性几乎不再受到影响，而空钢管宽厚比则要小于10。因此，设计时可将20t取做钢管平直段的有效宽度。

(5)建议平直段钢管承载力的简化计算式，简化计算结果与数值结果吻合较好，且偏于安全，建议使用。