王钱凯1 杨巧荣2 项潇潇1 张 坚（上海院）
（1.上海大学 土木工程学院，上海，200072）
【摘 要】基于一340m高的超高层建筑为背景，主要研究其内部方钢管混凝土柱的受力特性。设计了相应的方钢管混凝土柱模型构件,针对此钢管混凝土柱，在Abaqus有限元软件中选取适当的本构模型、单元类型、界面摩擦系数等，模拟分析了拟静力荷载作用下钢管混凝土柱的滞回曲线及应力云图。以轴压比、长细比、混凝土抗压强度、钢管壁厚、钢管钢材屈服强度、肋条等为主要变化因素，对方钢管混凝土柱利用有限元模拟方法进行模拟计算，得出不同参数对此钢管混凝土柱受力性能的影响。
【关键词】巨型钢管混凝土柱；抗震性能；非线性有限元分析
1 引言
高层建筑中，由于建筑物层数多、高度高，为了满足强度、刚度、稳定性，舒适性的要求，导致竖向构件需要承受巨大的竖向荷载，风荷载、以及地震作用引起的水平荷载、倾覆力矩。钢——混凝土组合结构充分发挥钢和混凝土这两种材料的优势，使结构达到最好的各自性能。钢管混凝土结构，就是一种介于钢结构和钢筋混凝土结构之间的钢——混凝土组合结构，具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能好、施工方便等特点。
到目前为止，国内外众多学者对钢管混凝土结构进行了研究并取得了很多研究成果。Tomii和Sakino0主要进行钢管混凝土柱受恒定轴压作用和往复荷载作用下滞回性能进行研究，主要考虑轴压比和截面宽厚比对构件的影响以及反复荷载作用下钢管和混凝土之间的粘结强度的变化规律。Kang和Moon0对36个方钢管混凝土构件恒压下进行单调水平加载和往复加载进行了试验研究。国内学者对钢管混凝土力学性能和设计方法开展了深入的研究工作，吕西林、余勇0进行了12根方钢管混凝土压弯构件在往复荷载作用下的滞回试验，主要考察了截面宽厚比、轴压比和混凝土强度三个参数。韩林海0进行10根圆钢管高性能混凝土和8根方钢管高性能混凝土压弯构件的滞回性能试验研究，分析了轴压比、钢材强度、混凝土强度对钢管高性能混凝土荷载-位移滞回关系曲线、承载力和耗能等的影响，考察了荷载——位移滞回曲线抗弯刚度退化的情况，并初步探讨了钢管高性能混凝土构件的承载力的计算方法。2012年《异形截面多腔钢管混凝土巨型柱框架抗震试验与理论分析》中，曹万林0主要研究了不同截面形状的多腔钢管混凝土柱及其巨型框架的抗震性能。
为了了解复杂截面的巨型方钢管混凝土柱的受力特性及抗震性能,本文对钢管混凝土柱进行设计并采用Abaqus有限元软件进行数值模拟，在此基础上分析此类方钢管混凝土柱的破坏形态及各个参数对受力性能的影响规律。
2 方钢管混凝土柱基本参数
图1为巨型钢管混凝土柱原型截面根据1:5.5尺寸缩小后得到的钢管混凝土柱截面图。
面钢筋面积。
3 有限元模型建立及求解
3.1 模型建立
采用有限元分析软件ABAQUS/Standard6.11中的concrete damaged plasticity model，它基于拉、压各向同性塑性的连续线性损伤模型，用于描述混凝土的非线性行为。钢材采用随动强化模型。
试件的钢管采用4节点减缩积分格式的壳单元S4R，为满足计算精度，在壳单元的厚度方向采用9个积分点的 Simpson 积分。钢管内的混凝土采用 8 节点六面体线性减缩积分实体单元C3D8R。钢筋采用两结点线性三维桁架单元（T3D2），并嵌入混凝土中；肋条采用四节点减缩积分格式的壳单元（S4R），也嵌入混凝土中，同时在壳单元厚度方向，采用9个积分点的Simpson积分，以确保计算的精度。
钢管与混凝土之间的面与面的接触，界面切向力模拟采用库仑摩擦模型界面摩擦系数取0.25。试件上部和下部均搁置了两块加载板，即板A、板B，加载板为弹性体，杨氏模量为1×1012，泊松比为1×10-6，以便均匀施加荷载及避免荷载作用在构件上导致构件局部扭曲或破坏。采用准静态模拟，首先施加轴向荷载P，并在加载过程中控制轴向荷载不变，之后在试件南北方向施加低周反复水平荷载d（t），加载示意图如图2所示。初始阶段采用位移控制加载，弹塑性状态后仍然采用位移加载控制，每级反复一次，如图所示。
图3 有限元模型循环加载制度
3.2 结果分析
图4为钢管混凝土柱在0.4倍轴压比下的滞回曲线，钢管混凝土柱的P-Δ滞回曲线图形饱满，呈纺锤状。基本没有捏拢现象和刚度退化，耗能性能良好。图5-图7为方钢管混凝土柱整体、混凝土部分以及钢管部分的应力云图。从图5到图7中看出，试件最大应力出现的位置分布在柱脚/顶截面位置，应力最大的位置钢板屈服。混凝土由于钢板的包裹，使其抗压强度有所提升。
图4 0.4倍轴压比下水平位移——水平力滞回曲线
图7 钢管应力云图
4 参数分析
对该类问题进行参数分析时采用单调加载方式，研究混凝土强度等级、钢管强度等级、外方钢管柱壁厚及钢管混凝土柱轴压比、长细比、加劲肋条数各因素对钢管柱受力性能的影响规律。
轴压比
图8为不同轴压比对水平位移——荷载关系曲线的影响。方钢管混凝土柱采用490mm×490mm厚16mm钢管，C50混凝土，Q345B钢材，HRB400钢筋，长细比 。随着轴压比的增大，构件的水平承载力逐渐减小。轴压比对弹性阶段的刚度几乎没影响，强化阶段的刚度随着轴压比的增大而逐渐减小。屈服位移随轴压比增大逐渐减小。
图8 轴压比对P—Δ骨架曲线的影响
钢管壁厚
图9为钢管外壁厚度对钢管混凝土构件P—Δ骨架曲线的影响。随着钢管管壁的增厚，构件弹性阶段刚度和承载力都有所提高，下降段下降幅度减小，但对P—Δ关系曲线的形状影响很小。
图10钢材屈服强度对P—Δ骨架曲线的影响
长细比
图11为构件长细比λ对钢管混凝土构件的P—Δ骨架曲线。构件的长细比不但影响曲线的数值，而且影响曲线的形状。随λ增加，弹性阶段和强化阶段刚度越来越小，水平承载力也逐渐减小。
图12 混凝土强度对P—Δ骨架曲线的影响
加劲肋形式对方钢管混凝土柱的影响
以本柱截面形式为基本，采用490mm×490mm厚16mm钢管，C50混凝土，Q345B钢材，HRB400钢筋，轴压比为0.4。分别分析了无肋条、有肋条以及对边肋条三种情况的方钢管混凝土柱。图13为三种方钢管混凝土柱的设肋形式。
图13 三种肋条设置形式
通过Abaqus有限元软件对三种设肋情况进行计算分析，并通过卢孝哲[8]的带肋方钢管柱轴压试验加以对比。对边设肋（肋条垂直于力方向）、对边设肋（肋条平行于力方向）、不设肋、四边设肋钢管混凝土柱水平位移——荷载关系曲线如图14所示，四边设肋，两边设肋的模拟值与卢孝哲试验值对比图如图15所示。从图14看出，四边设肋的柱子对变形有很好的控制，同时也提高水平承载力，强化段刚度也有所增大。设肋条的柱子下降段较无肋条柱子下降段平缓。对边设肋在水平承载力方面并没有明显的提高，无肋条的钢管混凝土柱在承载力方面与对边设肋数值相近，但是无肋条钢管混凝土柱钢管外壁鼓起严重，同时下降段较为陡峭，构件的延性也略低于设肋钢管混凝土柱。从图15看出，四边带肋的方钢管柱模拟值与试验值基本吻合。
图15 计算模拟值与试验值对比图
5 结论
本文采用有限元数值模拟对方钢管混凝土柱的抗震性能进行研究。进一步分析了此类钢管混凝土柱的破坏形态，并对其进行参数分析，得到以下结论：
（1）钢管混凝土柱在0.4倍轴压比下的滞回曲线，钢管混凝土柱的P-Δ滞回曲线图形饱满，呈纺锤状。基本没有捏拢现象和刚度退化，耗能性能良好。
（2）轴压比对弹性阶段的刚度几乎没影响，强化阶段的刚度随着轴压比的增大而逐渐减小，屈服位移随轴压比增大逐渐减小。
随着钢管管壁的增厚，构件弹性阶段刚度和承载力都有所提高，下降段下降幅度减小，但对P—Δ关系曲线的形状影响很小。钢材的屈服强度对P—Δ骨架曲线形状影响不大，随着钢材屈服强度增大，构件的水平承载力逐渐增大。构件的长细比影响P—Δ骨架曲线的数值，同时影响曲线的形状；随λ增加，弹性阶段和强化阶段刚度越来越小，水平承载力也逐渐减小。混凝土强度的改变对构件在弹性阶段的刚度影响较小，并且随着混凝土强度增大，其对水平承载力提高较小；但随混凝土抗压强度增大，构件的位移延性有所增加；钢筋有无对钢管混凝土构件P—Δ骨架曲线影响很小。
（3）加劲肋的设置数量会改变水平承载力大小，同时加劲肋的布置位置会改变钢管外壁的变形。有肋条的钢管混凝土柱在延性方面略优于不设置肋条的钢管混凝土柱。
参考文献：
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[8]卢孝哲设肋.方形薄壁钢管混凝土柱滞回性能试验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006:26-67.
论文作者:王钱凯1,杨巧荣2,项潇潇1,张坚（上海院）
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年8月供稿
论文发表时间:2015/12/7
标签：混凝土论文; 钢管论文; 肋条论文; 构件论文; 荷载论文; 承载力论文; 曲线论文; 《工程建设标准化》2015年8月供稿论文;