钢管混凝土柱构件的特点及研究方法

严平军

摘    要：钢管混凝土结构是一种新兴组合结构。在钢管混凝土柱构件中钢管和内部核心混凝土之间将会产生相互作用力，形成“套箍效应”，互相提高受力性能，最大程度的发挥其各项性能优势。考虑其组成材料性质复杂，存在非线性几何特征，结合当代计算机技术，采用有限元分析技术建立模型，可有效反映构件在实际工程中的受力情况，广泛应用于钢管混凝土柱构件性能研究当中。

关键字：有限元;钢管混凝土柱;性能研究

1  引言

当前“以人为本”的建筑设计理念深入人心，结构设计的重点在于确保结构安全的前提下使得建筑功能得到改善、发展。起初我国的住宅基本为多层砖混结构，但因其承载性能不好。多、高层钢筋混凝土结构的应用日益广泛，尤其是框轻结构。在实际工程中已经得到了广泛应用，如地铁车站工程、单层和多层工业厂房、大跨度桥梁结构、高层建筑工程等。钢管混凝土柱在实际应用中受力复杂，材料的性质多样，传统的基于试验的经验方法已经不能准确反映实际应用中的各类情况。有限元作为一种专业分析工具正在逐渐发挥出极强的优势。

2  钢管混凝土柱的作用原理及特点

2.1  钢管混凝土柱的作用原理

结构工程中提到的钢管混凝土即将一层薄壁圆形钢管包裹在素混凝土外边形成组合结构材料，大量研究表明，此组合结构钢材的泊松比?S在塑性工作阶段基本恒定，而混凝土的泊松比μS是随着塑性变形的增加呈现出增长趋势的，当增至大于1时，将会导致混凝土的横向变形大于钢管的横向变形，即“套箍效应”[1]。在实际工程中，这种组合结构能有效发挥两种材料的优势，提高结构的整体性能。

2.2  钢管混凝土柱的特点

钢管混凝土组合柱的构造特征决定了其核心混凝土强度能够充分发挥，维持较高的延性，另外，包裹在钢管外的混凝土还巧妙避免了钢管直接接触空气，起到防腐蚀、防锈的作用。钢管混凝土组合柱具体几何模型：截面内部是由薄壁钢管包裹着核心混凝土，外部为实际工程中通常使用的钢筋混凝土结构，按照正常钢筋混凝土结构的配筋率要求计算所需要的纵筋和箍筋量，此构件在实际工程中的应用正在日趋广泛[2]。

（1）抗压承载力高。在实际建筑结构中，采用钢管混凝土结构，柱子截面尺寸可以适当减小，有利于改善结构的抗震性能，在承载力大大提高的同时有效克服高强混凝土的脆性。

（2）塑性和韌性好。钢管混凝土柱抗压强度高，抵抗变形的能力也较强，与钢柱相比，避免了由于受压翼缘发生屈曲而丧失稳定性的问题。因此，在钢管混凝土柱中无需控制轴压比范围，保证了截面转动能力的充分发挥。

（3）经济效益好。钢管的加入使得次构件混凝土的用量比普通钢筋混凝土柱大为减少，根据已有数据显示，混凝土的节约量大约可达60-70%，造价大大降低[3]。与钢柱比较，则可以节省大量钢材，已有数据显示可达50%，工程造价也相应降低45%左右。

（4）施工方便。此构件采用薄钢管壁，加工制造及后期现场焊接等都比钢柱简单。实际钢结构工程中钢板厚度一般为60mm～130mm。然而，钢管混凝土柱中实际建筑工程中采用的钢管厚度达到30mm即可满足。另外，此构件中混凝土密实，施工质量得到很好的保障。

（5）耐火性好。发生火灾时，柱内包裹的核心混凝土能够吸收大量热能，柱内温度分布不均匀，耐火性能大大提高。

3  钢管混凝土柱构件的性能研究方法

1967年，D.Ngo和斯古特拉斯A.C.Scordelis把限单元法第一次应用于钢筋混凝土结构分析中，此后研究人员进行了深入全面的研究，得出了大量研究成果。分析成果表明，有限元法有效适应钢筋混凝土结构的分析需求。混凝土开裂过程、砼的非线性本构关系、钢筋与混凝土二者之间的相互作用等各类因素均可有效模拟并加以分析。

3.1  有限元分析理论基础

有限元分析方法是将连续的结构离散成有限个单元并在单元中设置节点互相连接的一组集合体。模拟工程结构的实际情况，具体分析步骤如下：（1）问题及求解域定义;（2）求解域离散化;（3）确定状态变量及控制方法;（4）单元推导;（5）总装求解;（6）联立方程组求解和结果解释。

3.2  有限元分析方法在钢管混凝土柱构件性能研究中的应用

（1）材料本构关系确定。有限元分析中，混凝土本构关系的确立是必须首要解决的问题。国内学者结合大量的试验和理论研究成果提出了大量的本构模型[4]。比较典型的模型有以下几种：以弹性理论为理论依据的线弹性和非线弹性本构模型、以经典塑性理论为理论依据的弹全塑性和弹塑性硬化本构模型、由粘塑性材料的本构方程得来的内时理论模型、损伤理论模型以及不同理论相结合得出的模型。目前钢材强化本构模型中有三种比较通用，分别从不同角度体现了钢材的性质，相应的适用范围也不尽相同：各向同性强化模型不能准确反映钢材的包辛格效应方面，适合单调加载条件下钢材本构模型的模拟，随动强化及混合强化模型适合往复加载时钢材本构模型的模拟。

（2）单元选取及网格划分。为了提高计算精度，同时防止结果不收敛，运用结构划分技术进行六面体网格划分，混凝土采用三维八节点线性缩减积分单元，钢管采用壳单元，钢筋采用桁架单元。

（3）定义相互作用。若考虑钢管与混凝土的粘结滑移进行有限元非线性分析，计算结果更加精确，但是按一般精度要求可以忽略两种材料间的粘结滑移，同时计算模型得到简化，计算效率大幅度提高。因此，在建模时不考虑钢管与混凝土的粘结滑移。

（4）施加边界条件和荷载。

（5）非线性方程求解。非线性方程的求解方法主要有迭代法、增量法和增量迭代法，增量迭代法具有前两者的优点，对于迭代法，有牛顿法、修正的牛顿法和拟牛顿法三种方法可供选择，牛顿法的迭代计算量最大，但其收敛性好，计算速度快，我们一般选用牛顿法。

（6）根据计算结果得出相关数据，进行分析处理，得出结论。

4  结论

全面考虑各类影响因素，充分了解各类材料性质及应力-应变关系，有效结合当下计算机技术运用有限元方法分析构件，可以准确模拟实际情况，获取多种结构反应数据信息，例如结构滞回曲线、应力分布情况、混凝土破坏等，这对深入研究钢管混凝土柱构件的各项性能，优化结构设计具有重大意义。

参考文献：

[1] 贾雨萌.方钢管混凝土组合异形柱框架抗震性能试验与有限元研究[D].天津大学，2015.

[2] 林耀.浅析钢-混凝土组合结构在高层建筑中的应用与发展[J].福建建材，2013（4）：36～37.

[3] 结构学会.第十六届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C].天津大学、天津市钢结构学会，2016：7.

[4] 宋灿，赵丹.有限元分析软件在钢筋混凝土结构的应用[J].住宅与房地产，2016（30）：269.