钢管钢骨混凝土组合柱偏压力学性能研究

陈培超 冯卫平

（1.河南理工大学鹤壁工程技术学院，河南 鹤壁 458030；2.河南理工大学鹤壁职业技术学院，河南 鹤壁 458030）

作为继钢结构、钢筋混凝土结构、木结构、砖石结构之后发展起来的第五大结构体系，钢管混凝土由于其良好的塑性性能和抗弯能力在建筑工程领域有较好的应用。深圳赛格广场、香港金融中心大厦、东莞台商银行均采用钢管混凝土结构。但对于纯钢管混凝土结构，当发生火灾时外围钢管在高温的作用下会发生软化的现象，失去对核心区混凝土的约束能力。基础此，可在混凝土中加入工字钢而形成钢管钢骨混凝土结构。发生火灾时即便外围钢管发生软化，由于内部纯在着工字钢，可以保证结构的承载力。但对于实际工程中，真正的轴心受压是不存在的，因为构件设计制作、材料使用及施工等因素均会引起结构产生误差，柱子在实际使用的过程必定是处于偏心受压的状态。本文就钢管钢骨混凝土组合柱的偏压力学性能进行分析，利用ABAQUS 软件模拟出钢管钢骨混凝土组合柱在不同偏心距、不同加载方向情况下的力学性能和变形性能，为工程建设提供了依据。

1 参数选择及加载方式

在普通的钢筋混凝土柱中，偏心距的不同会造成柱子发生大偏压或者小偏压破坏。钢管钢骨混凝土柱也会因为偏心距的不同而产生不同的破坏形态。为了研究不同偏心距对组合柱偏压力学性能的影响，以及模型建立的正确性。本文采用文献[15]中柱子截面尺寸的相关参数，来研究不同偏心距情况下偏心受压柱的力学性能，主要参数见表1，由于钢管有内径和外径，d代表钢管外径、t 代表着钢管厚度、l 为钢管长度，为增加核心混凝土的抗变形能力，核心混凝土配有工字钢，核心混凝土采用高强混凝土。由于工字钢两对称轴惯性矩不用，故抗弯刚度EI 也不一样。因此偏压荷载的加载方向分为两个加载方向如图1 所示，偏心距选为20mm、40mm 和60mm。在建模时，根据表3.1 中的e0和强弱轴加载方向调整加载点的位置。

表1 构件参数Table 1 Component parameters

对于钢管混凝土在设置约束条件时，采用一端完全固定、一端不完全固定的方式进行约束。在固定端限制其X、Y、Z 三个方向的线位移以及XOZ、XOY、YOZ 三个平面内的转动自由度，在加载端限制Y、Z 两个方向的线位移以及XOZ、XOY、YOZ 三个平面内的转动自由度，而放松其在Z 方向的位移，使其在Z 方向有一个自由度，可以通过位移加载法进行加载。本次加载时，使其在自由端的Z 方向有20mm 的位移，得出固定端的支座反力。

试件名称 d×t×l（mm）长细比加载方向偏心距(mm) 套箍指标配骨指标

PY1 165×4.2×550 13.3 轴心 0 0.76 0.47

PY2 165×4.2×550 13.3 强轴 20 0.76 0.47

PY3 165×4.2×550 13.3 强轴 40 0.76 0.47

PY4 165×4.2×550 13.3 强轴 60 0.76 0.47

PY5 165×4.2×550 13.3 弱轴 20 0.76 0.47

PY6 165×4.2×550 13.3 弱轴 40 0.76 0.47

在ABAQUS 模块中，有多个模块对构件进行模拟分析。主要有：part 模块进行构件设计，property 模块进行材料属性的定义，在assembly 模块进行构件的组装。

本次模拟试验中，在part 模块，由于钢管在受力的过程中会发生屈曲变形。故不能定义为实体，仅能定义为壳体进行分析。对于钢管内部的和核心混凝土与钢骨可为实体。为防止在模拟加载的过程当中造成钢骨滑出，将两端盖板定义为刚体，并在约束条件中限制盖板的位移，完成各构件的组建。

在属性模块，由于混凝土处于三向受压状态，故输入的本构关系为钢管约束后的核心混凝土的本构关系，并非普通混凝土的本构关系。用Excel 表格编辑约束混凝土的本构关系曲线，得出本构关系，并输入型钢与钢管的应力-应变关系曲线用来赋予不同构件相应的材料和截面属性。

2 压弯模拟偏心荷载影响

施加不同偏心荷载的影响方式，与压弯构件受力性能接近。故采用不同偏心距荷载的加载方式，来模拟压弯构件的受力性能。得出的支反力-最大位移关系曲线如图1 所示。

图1 偏心荷载影响下承载力-位移关系曲线Fig 1 Bearing capacity displacement curve under eccentric load

由于受到稳定性的影响，不同长细比的构件，其力学性能不相同。为了消除长细比的影响，得到真正的偏压承载力，选取了长细比为13.3 的短柱进行模拟分析。通过分析，得到如图1 所示的，不同偏心距影响下的承载力-挠度关系曲线。加载的方法采用的是等速率的加载方法，荷载从“零”开始，以0-0.45MPa/s 的速率进行加载。从四条曲线中可以看出，全过程曲线分为三个阶段：在荷载刚开始加载时，由于荷载较小组合构件处于弹性状态，为直线段的弹性阶段，弹性状态结束时的荷载约为最大承载力的70%；之后曲线开始向横坐标方向弯曲，斜率减小，即进入了弹塑性工作阶段。且随着偏心距的增加，曲率也增加，直至达到最大承载力时，曲线表现为下降的趋势。

3 强弱轴加载的影响

由于核心混凝土内部配有工字钢，工字钢在两个主轴方向的惯性矩不一样，导致其抗弯刚度EI 不一样。图2 为强轴方向加载（偏心距为20mm、40mm）和弱轴方向加载（偏心距为20mm、40mm）时的关系曲线。从图中可以看出，强轴的承载力高于弱轴的承载力。从高低程度上来看，当偏心距较小时，弱轴加载与强轴加载的降低幅度，要高于偏心距较大时，弱轴加载与强轴加载的降低幅度。偏心距较小时约为偏心距较大是的5 倍。具体原因可以通过图3 中带中性轴的四个图进行解释。在偏心距较小的a、c 两图中，远轴力端的受拉区面积较小，故而承载力降低程度较小；而在b 与d 图中，在偏心距较大的情况下，远轴力侧的受拉区面积增加，故而承载力降低程度较大。

图2 不同加载方向的N-u 关系曲线Fig 2 the N-u curve of different loading direction

图3 强弱轴加载示意图Fig3 Schematic diagram of strong and weak axis loading

4 结论

（1）偏心距对偏压柱的承载的影响。在偏心距方面，组合构件的极限承载力随着偏心距的增大而减小，且减小速度较快。

（2）在轴向受压时，混凝土会产生向外的横向膨胀变形。由于外部钢管的约束作用，可限制混凝土的横向膨胀变形，从而使得其曲线的下降段较为平缓，构件的延性性能得以增强。强弱轴加载方向不同，构件的承载力不同。考虑到内部钢骨翼缘与钢管对混凝土的横向约束作用，强轴强于弱轴。

（3）内部钢骨的存在对混凝土的横向膨胀变形也起到了一定的约束作用，使得混凝土柱的轴向抗压承载力得以提高。又由于钢骨具有较高的抗弯刚度，构件的抗变形能力得到增强。