竖向均布荷载作用下四肢钢管混凝土格构柱力学性能分析

章 彦，刘 忠，王群雄

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105)

参 考 文 献



竖向均布荷载作用下四肢钢管混凝土格构柱力学性能分析

章 彦，刘 忠，王群雄

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105)

针对竖向均布荷载作用下四肢钢管混凝土格构柱的力学性能，进行了非线性数值模拟，利用该模型，分析了四肢钢管混凝土格构柱的破坏形态及核心混凝土强度等级、钢材等级、钢管壁厚、长径比等因素对构件受力性能的影响，分析结果与试验数据吻合较好，为工程设计提供参考依据.

钢管混凝土格构柱；竖向均布荷载；有限元法；非线性分析

0 引 言

钢管混凝土格构柱是指以钢管混凝土为柱肢，以空钢管、型钢或钢板为綴件连接而成的格构式构件.能将钢管和混凝土有效地组合，充分发挥二者的材料性能，使之具有承载力高、塑性和韧性好、造价经济合理等等优点.格构柱具有以较小直径的柱肢取得较大截面抗弯刚度的特性，且柱肢以受轴向压力为主，充分发挥了钢管混凝土受压强度大的特点，因此被广泛应用于钢管混凝土拱桥、工业厂房的柱子等建筑结构中.

国内外相关学者对钢管混凝土格构柱的力学性能做了一系列的研究工作，并取得了一定的成果.文献[1-6]研究了在轴压和偏压下的钢管混凝土格构柱的极限承载力，文献[7]运用极限平衡法求解了钢管混凝土格构柱在同时受轴力和弯矩作用下的极限承载力，文献[8]在钢管混凝土统一理论的基础上得到了验算构件整体稳定性的设计公式.

本文针对在竖向均布荷载作用下的四肢钢管混凝土格构柱，建立了三维有限元分析模型，对其破坏过程进行了非线性数值模拟，并针对主要参数对其受力性能的影响展开了讨论，为日后的设计工作提供一定的参考依据.

1 四肢钢管混凝土格构柱三维有限元分析模型

1.1 试验概述

清华大学的聂建国[9]等人针对在竖向均布荷载下的钢管混凝土格构柱进行了一系列的试验研究.本文选取其中的一个试件LC4A-4作为研究对象，其构造及相关参数分别如图1、表1所示.

图1 四肢钢管混凝土格构柱构造图

表1 四肢钢管混凝土格构柱参数一览表

1.2 三维有限元模型

根据参考的试验过程，运用ANSYS软件，建立了如图2所示的以柱底截面中心为坐标原点的三维有限元模型.

图2 四肢钢管混凝土格构柱有限元模型图

为了在保证计算结果精确度的同时提高计算速度，本文在计算时，对网格进行调整，在重要塑性区域网格划分的密度大些，在节点域及其附近，由于应力梯度较大，故适当加密网格，在远离节点域部分则采用较为稀疏的网格.划分网格时，除接触单元外，所有的单元都是采用正六面体形式来划分，各相邻的网格顶点必须重合.所有混凝土和缀管单元均采用映射划分；对于主管，在主管和缀管相交处周围区域采用自由化分，其他主管区域采用映射划分；对于加载垫板，在加载垫板和主管相交处周围区域采用自由化分，其他区域采用映射划分.

为了模拟试验中传递均布力的加载板，模型中格构柱的两端设置了弹性模量较大的端板.边界条件施加在端板上下部垂直于x轴的中线上(即试验的辊轴位置).施加约束时，底部钢板约束节点的所有自由度，顶部钢板约束节点的水平方向自由度，同时为了使数值模拟和真实的模型实验更为接近，耦合了柱子顶部钢板所有节点的竖向自由度.

2 四肢钢管混凝土格构柱的有限元数值分析

利用上述的三维有限元数值分析模型，对竖向均布荷载作用下四肢钢管混凝土格构柱受力全过程进行了非线性数值模拟，得到了格构柱荷载-柱顶轴向位移曲线和极限承载力Pu，计算结果与试验数据分析分别如图3、表2所示.比较结果表明，有限元计算结果和试验结果吻合较好，说明本文所建立的四肢钢管混凝土格构柱有限元模型是合理的.

图3 钢管混凝土格构柱荷载-柱顶轴向位移曲线

表2 极限承载力对比分析

在不同受力阶段格构柱的轴向位移沿柱长的分布如图4所示，在竖向均布荷载作用下格构柱顶端的竖向位移最大，为44.68 mm.变形发展过程可以分为三个阶段，即：弹性变形阶段(Pu≤0.6Pu)、非线性变形阶段( 0.6Pu≤P≤0.8Pu)、塑性变形阶段(P>0.9Pu).此现象与试验变形-破坏过程相符，进一步证明了本文所建立的有限元模型的准确性.

图4 格构柱随距柱底位置变化的荷载-轴向位移曲线图

图5 沿x方向的侧向位移曲线图

图6 沿y方向的侧向位移曲线图

由图5和图6可知，在竖向均布荷载作用下格构柱沿x方向挠度变形曲线为基本对称的半波形，其最大值出现在距离柱底918 mm处；沿y方向挠度变形曲线为反对称的S形曲线，其最大值出现在距离柱底1836 mm处.且当荷载为0～0.95Pu时，沿x和y方向挠度较小，而从0.98Pu到达1.0Pu时，沿x和y方向挠度显著增加，直至构件破坏.

3 参数分析

本文以试件LC4A-4为参照，分别讨论了核心混凝土强度等级、钢材等级、钢管壁厚、长径比等因素，对竖向均布荷载作用下四肢钢管混凝土格构柱受力性能的影响，得到了格构柱柱顶P-δ曲线随各参数的变化情况，如图7～图10所示.

图7 核心混凝土强度等级对荷载-轴向位移曲线的影响

如图7所示，随着核心混凝土强度等级的提高，格构柱的承载力提高了29.8%，且承载力的提高程度会随着核心混凝土强度等级的提高而逐渐降低.格构柱的柱顶轴向位移开始随核心混凝土强度等级的提高而显著增大，而后增大幅度变缓，最后当核心混凝土等级再度提高时，格构柱的柱顶轴向位移反而减小.

图8 钢材等级对荷载-轴向位移曲线的影响

随着钢材等级的提高，如图8所示，格构柱的承载力仅提高了12.6%，且承载力的提高程度随着钢材等级的提高而基本保持不变.

图9 钢管壁厚对荷载-轴向位移曲线的影响

当钢管壁厚由3 mm 增大至6 mm 时，如图9所示，格构柱的承载力提高了35.4%，且承载力的提高程度随着钢管壁厚的增加首先较大，而后变缓，之后又增大.

图10 长径比对荷载-轴向位移曲线的影响

如图10所示，当格构柱长径比由1.5增大到6时，格构柱的承载力降低了20.9%，且承载力的降低程度随着长径比的增大而基本保持不变.格构柱的柱顶轴向位移随长径比的增大而显著增大.

4 结 论

本文利用ANSYS软件对竖向均布荷载作用下四肢钢管混凝土格构柱的受力性能进行了数值分析，讨论了相关参数对其受力性能的影响，得到以下结论：

(1)本文建立的竖向均布荷载作用下四肢钢管混凝土格构柱有限元分析模型，其计算结果与试验结果吻合较好，证明该模型是合理的.

(2)提高核心混凝土强度等级可以增大格构柱的承载力及延性，但混凝土等级过高时延性反而降低，因此，在工程设计时，为了同时兼顾承载力及延性的要求，本文建议选用C40～C60强度混凝土.

(3)提高钢材等级对格构柱的承载能力影响比较小，所以，建议在设计时满足构造要求即可.

(4)增大钢管壁厚，能有效的提高格构柱的承载力.

(5)增大长径比将降低格构柱的承载力，但将增大延性，因此，在工程设计中，应综合考虑以上因素来选取长径比.

参 考 文 献

[1] 陈宝春，欧智菁.钢管混凝土偏压格构柱长细比影响试验研究[J].建筑结构学报，2006,27(4)：73-89.

[2] 欧智菁，陈宝春.钢管混凝土格构柱偏心受压面内极限承载力研究[J].建筑结构学报，2006,27(4)：80-83.

[3] OuZhijing, Chen Baochun, Experimental Research on Concrete Filled Steel Tubular Laced Columns Comp Ressed Eccentrically[C].Composite and Hybrid Structures. Harbin: Proceeding of the 8th ASCCS International Conference, 2006 .

[4] Chen Baochun, OuZhijing. Analyses on Critical Load of concrete Filled Steel Tubular Laced Columns comp Ressed Eccentrically[C]. Composite and Hybrid Structures. Harbin: Proceeding of the 8th ASCCS International Conference, 2006.

[5] 陈宝春，欧智菁.四肢钢管混凝土格构柱极限承载力试验研究[J].土木工程学报，2007,40(6)：32-41.

[6] 欧智菁，陈宝春.钢管混凝土格构柱极限承载力计算方法研究[J].土木工程学报，2008,41(1)：55-63.

[7] 蔡绍怀.钢管混凝土格构柱的强度计算[J].建筑科学，1989(6)：15-20.

[8] 钟善桐.钢管混凝土结构(第3版)[M].北京：清华大学出版社，2003.

[9] 聂建国，廖彦波.四肢钢管混凝土格构柱轴压受力试验[J].清华大学学报，2008.

Mechanical Property Analysis on Four-tube CFST Laced Columns Under Uniformly Distributed Axial Compression

ZHANG Yan，LIU Zhong，WANG Qun-xiong

(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105,China)

The nonlinear numerical simulation analysis is conducted to investigate the mechanical behaviors of four-tube CFST laced columns under uniformly distributed axial compression. The failure mode of four-tube CFST laced columns is analyzed by using the model. Furthermore, mechanical behavior is studied according to different parameters such as core-concrete strength grade, the steel grade, wall thickness of steel tube,and length to diameter ratio.The calculated results are in line with the experimental ones. And the results provide some useful references for engineering design.

CFST laced columns; uniformly distributed axial compression; finite element method; nonlinear analysis

2015-03-10

章 彦 (1990-)，男，硕士研究生，研究方向：结构工程.

TU392.3

A

1671-119X(2015)03-0079-04