復式薄壁方鋼管混凝土短柱試驗研究與數值分析

鄧旭華，倪家貴，郭鳴琴，趙思琪，陳 俊

(湘潭大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411105)

鋼管混凝土柱承載力高、延性好、施工便捷，適用于大型建筑[1].當普通單鋼管混凝土柱應用于大跨橋梁的橋墩時，為滿足其抗彎承載力的要求，可將其設計為實心構件，但會出現軸向承載力富余過多的情況.復式中空夾層鋼管混凝土柱不僅具有傳統單鋼管混凝土柱的優點，還具有抗彎承載力高、抗震性能強、防火性能好等特點.因此，可以考慮將此類既需要較高軸向承載力又需要較高抗彎承載力的構件設計為復式中空夾層的截面形式，在節約材料、降低造價的同時也可以較好地滿足其抗彎的要求[2].

在已有研究中，復式中空夾層鋼管混凝土柱的研究多集中在圓套圓或方套圓的截面形式上，對于方套方復式中空夾層鋼管混凝土柱的研究還較為少見[3].方鋼管混凝土柱具有節點構造簡單、施工便捷、平面布置規則等優點[4].但方形薄壁鋼管容易發生局部屈曲導致試件承載力降低，故眾多學者研究了包括限制鋼板寬厚比即增大鋼管壁厚[5]、增加約束拉桿[6-7]、在管壁上增設栓釘[8]、增設綴條(肋板)[9]等構造措施來延緩鋼管的局部屈曲.

基于此，本文將對復式薄壁方鋼管混凝土短柱的軸壓性能進行研究，探討加勁肋、混凝土強度、鋼材強度等因素對構件承載力的影響，以期為實際工程提供一定的理論依據.

1 試驗概況

1.1 試件設計

為研究方套方復式薄壁空心鋼管混凝土短柱力學性能，設計并制作了3 根寬厚比為100 的短柱試件，試件參數如表1 所示.試件的內、外鋼管的制作均采用3 mm 厚的Q690 鋼板，上下端板的制作均采用10 mm 厚的Q345 鋼板.試件外鋼管外邊尺寸為300 mm，上下端板的尺寸為400 mm，柱高均設計為900 mm.無加勁肋試件S0的外鋼管及所有試件內鋼管均采用2 個槽型鋼焊接而成(見圖(1a))，試件S2、S3 外鋼管均由4 個分別如圖1(b)、圖1(c)所示型鋼焊接而成.圖2為試件實物，其中試件S1 的加勁肋形式可以將夾層混凝土分隔成多個腔體；試件S2 的加勁肋用鋼量與試件S1 一致(加勁肋高度減半，但厚度增加1 倍)，可以有效地控制試驗變量.

圖1 各試件所用型鋼截面示意

圖2 試件實物圖

表1 試件參數

1.2 材料性能

試件所用混凝土是按照如表2 所示的配合比利用攪拌機拌制而成的.混凝土組成材料包括：42.5 級普通硅酸鹽水泥；粗骨料(普通石子)；細骨料(天然河砂)；減水劑(聚羧酸高效減水劑).根據留樣試塊，測得混凝土強度為68.18 MPa.

表2 混凝土配合比

根據《金屬材料拉伸試驗》[10]，對試件所用鋼材進行取樣測試，測得鋼板的屈服強度為737.2 MPa、極限強度為797.7 MPa.圖3 為鋼板實測荷載-位移曲線及檢測現場圖.

圖3 鋼板實測荷載-位移曲線及檢測現場圖

1.3 試驗方案

本試驗采用力和位移混合控制的單調加載方式.加載分2 個階段，第1 階段采用荷載控制模式，加載速率為240 kN/min，每級增加800 kN；在加載至2 400 kN 后進入第2 階段并采用位移控制模式，加載速率為0.3 mm/min，每級增加0.5 mm，加載完成后持荷30 s 左右，觀察試驗現象.

在試件達到極限承載力后，采用0.3 mm/min的連續加載，直至試件發生明顯變形或承載力降至極限荷載的85%以下，停止加載并結束試驗.

試驗采集數據包括試件4 個面的上、下蓋板共8 個點的位移(分別編號為Z1～Z4、X1～X4)、以及鋼管外壁6 個測點的微應變，應變測點如圖4(a)所示.其中每個測點布置1 個橫向(編號為奇數)和1 個軸向(編號為偶數)2 個應變片，其高度位于試件高度的正中間，即450 mm 高度處.試驗現場量測布置如圖4 所示.

圖4 測點布置

2 試驗結果

2.1 試件破壞形態

試件外鋼管最終破壞效果見圖5.對于未加肋試件的外鋼管，其局部屈曲形狀為橫跨外管外邊長的半波狀，且鼓曲位置較少；對于加肋試件，其外鋼管的各面均出現了多處起(止)于加肋位置處的鼓曲，且其位置分布呈交錯式，波峰和波寬更小.由此得知，加勁肋有效地延緩了鋼管的局部屈曲，提升了試件的延性.

圖5 外鋼管破壞形態

圖6展示了試件S0內鋼管的破壞形態.對于試件S0 的內鋼管，其破壞位置只有1 處，且4個面的破壞位置基本位于同一高度處.

圖6 試件S0 內鋼管破壞形態

2.2 荷載-位移曲線

對比各試件的荷載-位移曲線(見圖7)及各試件的極限承載力(見表1)可知，各試件加載初期荷載-位移曲線均呈線彈性變化，當達到極限承載力的75%之后其剛度開始緩慢減小.

圖7 荷載-位移曲線

相對于未加肋的試件S0，加肋試件的極限承載力明顯較高(提高24%以上)，且加肋試件S1 的荷載-位移曲線有較長的下降段，延性較好.由此可知，加勁肋的設置可以有效延緩鋼管的局部屈曲，提升試件的延性及極限承載力，其中將夾層混凝土分隔成多個腔體的加勁肋形式對試件延性的改善效果更佳.

3 有限元模擬

3.1 材料本構關系

本文采用丁發興[11]提出的考慮鋼管約束作用的混凝土本構關系模型，混凝土的泊松比取0.2，膨脹角取40°，偏心率取0.1，雙軸等壓時混凝土強度fb0與單軸強度fc0的比值取1.225，取K=0.667，粘性系數取0.000 5.鋼材采用文獻[12]中有明顯屈服平臺的本構模型，取Es=2.06×105.陶忠等[13]等認為：方外鋼管在冷彎制作中的角部強化效應和焊接焊縫處存在的殘余變形和應力的影響在模擬時可以忽略.

3.2 模型建立

試件主要分為包括上蓋板、內鋼管、夾層混凝土、外鋼管及下蓋板在內的5 個部件，各部件均選用C3D8R 單元，其網格劃分如圖8 所示.考慮到鋼管與混凝土剛度的差異，為了防止發生主從面結點穿透即鋼管穿過混凝土的現象，本模型統一將混凝土網格尺寸定為25 mm、鋼管網格尺寸定為30 mm.同時，為了防止沙漏現象的發生，對鋼管沿壁厚方向劃分為3 層.

圖8 模型網格劃分

鋼管與混凝土的相互作用設置為面與面接觸，法向接觸采用“硬”接觸，切向接觸采用庫倫摩擦模型的罰函數(penalty)公式，摩擦系數取0.5.采用Tie 約束將內、外鋼管端部與上下蓋板綁定.

圖9 為模型整體圖.將試件的一端作為底面，其邊界條件設置為完全固定；在試件的另一端施加軸向的位移荷載，僅輸入軸向位移數值，其他所有自由度不作控制.

圖9 整體模型

3.3 有限元模擬結果

圖10 為有限元模擬所得試件各部分(夾層混凝土及內、外鋼管)所承擔荷載的全過程曲線.當荷載達到峰值時，試件各部分荷載分配情況如表3 所示.

圖10 軸力分配全過程曲線

表3 試件各部分荷載分配情況

由圖10 及表3 可以看出，模擬結果與試驗結果匹配較好，由此驗證了模型的正確性.其中，對于試件S1 及S2，其極限承載力模擬值與試驗值非常接近(相差僅在4%以內)；對于無加勁肋試件S0，其極限承載力試驗值略微偏低，其原因可能是試件外鋼管寬厚比較大(100)導致鋼管局部屈曲.各試件內、外鋼管到達極限荷載所對應應變約為混凝土達到極限荷載所對應應變的2 倍左右，這說明該2 種材料的極限應變值匹配較差；當各試件達到極限承載力時，內鋼管分擔的荷載值占比最低，混凝土分擔的荷載值占比最高.

3.4 有限元應力分析

圖11 為各試件中間高度截面處混凝土應力云圖.由圖11 可以看出，加勁肋可以有效地讓夾層混凝土受力更均勻，尤其是將夾層混凝土分隔成多個腔體的加勁肋形式，可以有效減弱由于夾層混凝土局部率先破壞導致加劇試件整體破壞的不利影響.

圖11 試件中間高度截面處混凝土應力云圖

圖12 為各試件外鋼管的應力云圖.由圖12可知，加肋試件S1、S2 的外鋼管端部應力較小的區域比無肋試件S0 的明顯要小，因此加勁肋的設置可以相對充分地利用鋼材的強度.

圖12 試件外鋼管應力云圖

3.5 參數分析

為進一步探討方套方復式薄壁方鋼管混凝土短柱軸壓力學性能，在已驗證模型基礎上，利用有限元軟件對此類試件進行參數分析.表4 為所設計算例的試件參數及其極限承載力，圖13 為各算例的試件荷載-位移曲線.由表4 和圖13 可知，夾層混凝土強度的增加能夠明顯提高試件整體的極限承載力(混凝土強度每提高20 MPa，試件承載力提高15%以上)，且夾層混凝土強度越高，試件的彈性階段更長；內、外鋼管強度的降低會導致試件極限承載力的下降，外鋼管強度變化帶來的影響比內鋼管強度變化帶來的影響更加明顯(試件外鋼管截面面積約為內鋼管截面面積的3倍，當外鋼管屈服強度降至420 MPa 時，極限承載力下降幅度為14%；當內鋼管屈服強度降至420 MPa 時，極限承載力下降幅度為4%，即14%略大于4%的3 倍).

圖13 算例試件荷載-位移曲線

表4 算例試件參數

4 結論

1)加勁肋的設置可以有效延緩鋼管的局部屈曲，從而大幅提高試件的延性及極限承載力.

2)多腔體結構相對于普通帶肋形式具有更好的延性.

3)夾層混凝土強度的增加可以明顯提高試件整體的極限承載力，鋼材強度的改變對試件極限承載力影響小于混凝土強度的改變對試件極限承載力的影響.

(責任編校：付貴海)