新型复式钢管混凝土墩柱轴压受力机理分析及承载力计算_张玉芬.pdf

.，.，工业建筑 年第 卷第 期新型复式钢管混凝土墩柱轴压受力机理分析及承载力计算张玉芬 张 燕 贾宏鑫（河北工业大学土木与交通学院，天津）摘 要：综合圆钢管和矩形单钢管对混凝土的约束效果，提出矩形内配异心双圆的复式钢管混凝土新型墩柱，首先基于极限平衡理论，将组合柱分成考虑长短边变形屈服差异的矩形外钢管、外钢管约束的夹层混凝土和内部圆钢管混凝土三部分，推导出新型墩柱的轴压承载力计算式。其次利用 对墩柱进行三维精细有限元分析，得到新型复式钢管混凝土墩柱和矩形单钢管混凝土轴压短柱的破坏形态和轴压极限承载力，均与试验结果吻合较好；然后分析了新型墩柱构件各部分全过程受力机理，并研究混凝土抗压强度、钢管屈服强度、内钢管同含钢率时直径变化、内钢管径厚比、外钢管宽厚比等参数对该类新型墩柱的极限承载力影响。结果表明：轴压极限承载力随混凝土抗压强度、钢管屈服强度增加而提高，随外钢管宽厚比增加而降低；当内钢管含钢率相同时，内钢管直径增大对内层混凝土约束增强，故墩柱的极限承载力提高，但当内钢管直径增大到一定程度时（约 外钢管宽度）对轴压极限承载力影响则不大。复式钢管混凝土墩柱轴压承载力计算结果与有限元模拟值相近，两者比值平均为.，比值的均方差为.。关键词：矩形钢管混凝土；极限平衡理论；轴压；受力机理分析；承载力 ：.（，）：（）：，（），.，.：；第一作者：张玉芬，女，年出生，教授。电子信箱：收稿日期：钢管混凝土结构具有承载力高、塑性韧性好、抗震性能及延性优良、便于施工及经济安全等优点，已在国内外高层、超高层、拱桥和桥梁墩柱中得到较广泛的应用。而复式钢管混凝土结构抗弯刚度更新型复式钢管混凝土墩柱轴压受力机理分析及承载力计算 张玉芬，等 大、承载力更高、塑性韧性更强，能够有效减小轴压构件的截面尺寸，因此针对复式钢管混凝土结构开展研究具有重要意义和广阔的工程应用前景。目前关于复式钢管混凝土结构最典型的截面形式有外圆内圆、外矩形内圆等，国内外学者对此类组合结构已进行深入、系统的研究。方小丹等对 个外圆内圆复式钢管高强混凝土轴压短柱进行试验研究，以混凝土抗压强度、钢管屈服强度、内外钢管直径比等参数，对构件破坏形态、受力机理及极限承载力进行了分析，并利用 有限元结果，提出复式钢管高强混凝土轴压短柱承载力计算式。矩形钢管混凝土柱截面在受力时提供强弱轴不同抗弯刚度，更适用于板式建筑或桥梁墩柱，且梁柱连接处简单。陶忠等对矩形套矩形中空夹层钢管混凝土轴压短柱进行了试验研究；谢力等对矩形套矩形的中空夹层钢管混凝土轴压短柱进行试验与理论研究，主要分析内外钢管长宽比对其力学性能的影响。刘礼等对矩形钢管混凝土与 个矩形套圆形复式钢管混凝土轴压短柱进行试验，研究二者破坏形态、承载力及延性的差异。黄宏等对截面形式为矩形套矩形、矩形套圆形的中空夹层钢管混凝土轴压短柱进行试验研究，研究了其破坏形态，并比较了矩形和相同含钢率的圆钢管对混凝土的约束效果。因圆钢管对混凝土的约束效果较好，能够提高混凝土的抗压性能，而矩形单钢管仅在角部位置对混凝土约束较好，中部约束较差，故矩形单钢管混凝土柱承载性能较差且易屈曲变形。因此，针对于桥梁墩柱截面逐渐大型化的趋势，提出矩形内配异心双圆钢管混凝土的新型截面形式墩柱（后文统称为“新型复式钢管混凝土墩柱”），既提高钢管对混凝土的约束作用、节点连接方便，又兼顾矩形、圆钢管的截面特点，且混凝土对钢管的支撑作用能延缓钢管的局部弯曲，从而可大大提高钢管组合柱的稳定承载能力。在钢管混凝土轴压短柱承载力计算式方面，陈建伟等将极限平衡理论运用到外方内圆复式钢管混凝土轴压短柱承载力计算中，提出外钢管对夹层混凝土不提供约束和只有内钢管对内层混凝土提供约束的计算假定，得出的计算公式结果吻合较好。查晓雄等对圆形截面内配异心及多层钢管混凝土轴压短柱进行试验和承载力研究，根据极限平衡理论推导了承载力计算式，计算结果与有限元分析结果吻合较好。龙跃凌等提出一种考虑矩形钢管长短边竖向强度差异和其对混凝土约束作用不同的矩形钢管混凝土轴压短柱承载力计算公式。王娟等将矩形钢管长短边对核心混凝土的约束侧压力等效为圆，得出的矩形钢管混凝土轴压短柱承载力计算式与试验结果吻合较好。根据极限平衡理论对“新型复式钢管混凝土墩柱”轴压极限承载力计算式进行推导，并选取合理的钢材及混凝土材料本构关系，在验证建模方法正确的基础上，对“新型复式钢管混凝土墩柱”典型构件的轴压力学性能进行分析，揭示其破坏形态和轴压受力机理，并研究混凝土抗压强度、钢管屈服强度、内钢管相同含钢率时直径变化、内钢管径厚比、外钢管径厚比等参数对极限承载力的影响规律，最后将理论计算结果与有限元计算结果进行对比验证。新型复式钢管混凝土墩柱轴压承载力计算式推导采用的计算基本假定有：钢管对混凝土的约束作用分为矩形钢管对夹层混凝土的约束作用和圆形内钢管对内层混凝土的约束作用两部分；矩形外钢管、夹层混凝土及内圆钢管混凝土三部分在轴压荷载受力全过程中均没有相对滑移，三者竖向应变保持一致；当内外钢管达到屈服后，只考虑矩形外钢管屈曲变形引起的长短边纵向强度的差异，忽略内圆钢管的弯曲变形。截面划分示意如图 所示，将“新型复式钢管混凝土墩柱”分成考虑长短边变形纵向屈服强度差异的矩形外钢管、内外钢管间的夹层混凝土和内部圆钢管混凝土三部分进行计算。忽略构件的变形过程和材料本构关系，由极限平衡理论得出新型复式钢管混凝土墩柱轴压极限承载力 计算式为：（）式中：、分别为矩形钢管长短边的横截面面积；、分别为矩形钢管长短边的纵向屈服强度；为夹层混凝土面积；为矩形外钢管约束作用下的夹层混凝土抗压强度；为圆钢管混凝土承载力。图 截面划分示意.矩形钢管长短边纵向强度、的确定矩形钢管在达到极限承载力时长边先于短边屈曲变形，说明矩形钢管长短边对混凝土的约束侧压力作用大小不同，其对混凝土的约束与矩形箍筋对混凝土的约束效果相当。故采用 等提出 工业建筑 年第 卷第 期的约束混凝土等效侧向约束力来确定矩形钢管长、短边对混凝土的等效侧向约束应力、，矩形钢管等效侧向约束应力示意如图 所示。图 矩形钢管等效侧向约束应力示意.（）（）其中 （）（）（）（）.式中：为 矩 形 钢 管 对 混 凝 土 的 有 效 约 束 系数；、分别为矩形钢管长短边的环向应力；、分别为矩形钢管的长度、宽度；为钢管厚度；、为混凝土有效约束区的约束界线边切角，如图 所示；考虑到矩形钢管长短边约束混凝土作用不同，采用文献方法，将、用约束界线边切角系数、分别表示：（）（）式中：为钢管抗拉屈服强度。图 有效约束区域（非阴影部分）.（）当构件达到极限承载力时，矩形外钢管处于纵向和径向受压、环向受拉的三向应力状态。径向压应力相对纵向压应力和环向拉应力可忽略不计，则钢管处于平面应力状态，根据 屈服准则，钢管屈服时有：（）（）钢管宽厚比是影响矩形钢管混凝土轴压短柱构件破坏形态的主要原因，考虑长短边宽厚比对矩形钢管长短边纵向强度的折减，分别定义矩形钢管长、短边的宽厚比参数、：（）（）（）（）式中：、分别为钢管的弹性模量、泊松比；为钢管屈曲强度。当.（为 或）时，认为矩形钢管长边或短边发生局部屈曲破坏，取：.|（）当.时，取：.（）由式（）得：（）当.时，、取值：.；.（）同理可求出、取值。.夹层混凝土轴心抗压强度 的确定因夹层混凝土同时受到内钢管混凝土和外层矩形钢管的约束，处于三向受压状态。故将矩形钢管约束按钢管与混凝土等截面面积思想等效为圆形钢管混凝土，则圆钢管混凝土在轴压作用下的应力状态为，因外钢管对夹层混凝土的约束作用，其轴心抗压强度得到提高，取，由极限平衡理论得：（）式中：为核心混凝土单轴抗压强度；由文献取 。考虑矩形钢管非有效约束混凝土区域的折减系数：.，为等效圆钢管外直径，为夹层混凝土的侧压力约束，计算式为：（）（）式中：、取相应值的绝对值，即等效侧压力取矩形钢管长短边侧向约束力平均值；、分别为等效圆钢管的外半径和内半径。其中：（）新型复式钢管混凝土墩柱轴压受力机理分析及承载力计算 张玉芬，等 （）（）（）将式（）、（）、（）结果代入式（）中化简得出：|（）（）（）在极限状态下，矩形钢管混凝土一般长边先屈服，即矩形钢管长边环向应力先达到屈服。根据 屈服准则，取式（）结果进行后续计算。在矩形钢管角部处，长边和短边弯矩相同，从而可得：（）由式（）、（）、（）化简可得：|（）将式（）（）代入式（）计算得：|（）（）（）.内圆钢管混凝土轴压承载力 的确定圆钢管混凝土轴压短柱承载力算式研究已经较成熟，“新型复式钢管混凝土墩柱”的内部双圆钢管混凝土可以看成统一的组成部分，因此，采用的轴压承载力公式为：（）（）其中式中：为内圆钢管的等效套箍系数；为单个圆形钢管面积；为圆形内钢管屈服强度；为单个圆钢管内层混凝土面积；为圆形内钢管约束作用下的内层混凝土抗压强度。“新型复式钢管混凝土墩柱”轴压极限承载力由矩形钢管、夹层混凝土和 个圆钢管混凝土三部分组成，综合上述算式代入式（）求得承载力计算式为：（）|（）（）|（）（）有限元模型的建立.材料本构采用 软件模拟新型复式钢管混凝土墩柱轴压受力。内外钢管本构采用刘威建议的等向强化弹塑性应力应变关系曲线，钢管的弹性模量取.、泊松比取.。混凝土受压本构继续采用刘威提出的塑性损伤约束核心混凝土模型，混凝土受拉本构采用沈聚敏提出的能量破坏准则（应力断裂能关系），考虑混凝土的软化性能。.单元选取、接触关系、边界条件及网格划分内外钢管采用 壳单元，在壳单元厚度方向上采用 个积分点的 积分；混凝土采用 三维实体单元。钢管与混凝土界面考虑法向和切向接触属性，法向接触为“硬接触”，切向接触为库仑“罚”摩擦，摩擦系数 取.。“新型复式钢管混凝土墩柱”上、下垫板采用刚性体，垫板与钢管和混凝土之间分别采用“壳实体耦合”、绑定约束。对不同的部件进行网格划分，将圆钢管与圆形混凝土截面四等分；横截面采用按边布种的方法，设置为；部件沿高度方向采用结构化网格划分技术，按尺寸布种，且网格尺寸纵向相同，设置为。考虑设置参考点，对柱顶采用位移加载方式，施加 个方向约束，只允许 轴的位移；柱底施加固定约束。由于模型受力及边界条件的对称性，有限元横截面采用 模型，网格划分情况及边界条件如图 所示。图 网格划分和边界条件.模型验证首先根据文献的矩形套矩形中空夹层钢管、矩形实心钢管、外方内圆实心的轴压短柱试验，建立有限元数值模型对上述建模方法进行验证分析。表 为已有试验构件具体参数，试验实测极限承载力、模型计算极限承载力 及二者误差百分比。模型计算得到的荷载纵向位移曲线与试验实测结果对比如图 所示。由表 和图 分析，工业建筑 年第 卷第 期在弹性、弹塑性及达到极限荷载阶段，这 个试验试件的模拟荷载位移曲线与试验实测结果基本吻合，得出的构件极限承载力误差在.之间，误差较小。有限元模拟后期数据有一定偏差，是由于试验中钢管构件开裂导致曲线下降段承载力较低。为了进一步验证有限元结果的正确性，将矩形实心、外方内圆 有限元模型与试验结果进行对比，如图 所示，可以看出有限元结果与试验破坏模态吻合较好。有限元结果分析说明本文采用的有限元建模方法能较准确地模拟轴压短柱受力全过程曲线，可用于对新型复式钢管混凝土墩柱轴压力学性能的研究。表 试验构件主要参数 试验构件外管尺寸（）内管尺寸（）文献矩形中空.矩形实心.外方内圆.（.）.外方内圆.（.）.外方内圆.（.）.外方内圆.（.）.、和、分别为外、内钢管的长、宽（直径）、厚度；为构件高度；为混凝土立方体抗压强度标准值，括号内、外分别为内、外层混凝土抗压强度；、分别为外、内钢管屈服强度。矩形中空夹层；矩形实心；外方内圆；外方内圆。图 有限元结果与试验结果对比.矩形实心；外方内圆。图 破坏模态对比.受力机理分析为深入分析新型复式钢管混凝土墩柱轴压受力机理及承载力性能，采用上述方法进行数值建模。矩形内配异心双圆钢管混凝土典型构件示意如图 所示。截面尺寸及材料物理参数为：矩形外钢管长度 ，宽度 ，厚度 ；圆形内钢管直径 ，厚度 ，内外钢管屈服强度均为 ，混凝土立方体轴心抗压强度 。根据韩林海建议轴压短柱，构件高度取 。新型复式钢管混凝土墩柱轴压受力机理分析及承载力计算 张玉芬，等 图 转型复式钢管混凝土、墩柱典型横截面.轴压破坏形态对比有限元模拟得出的组合柱轴压破坏模态及试验破坏模态如图 所示。试件破坏时外矩形钢管均为向外鼓曲呈腰鼓形破坏模式，且长边鼓曲现象较短边明显，褶皱严重。图 为新型复式钢管混凝土墩柱有限元轴压破坏形态，鼓曲位置位于构件高度 和 截面；图 为矩形单钢管混凝土短柱有限元轴压破坏形态，鼓曲位置位于构件中部截面；图 为文献矩形单钢管轴压短柱试验破坏形态，鼓曲位置发生在构件高度一半处，可见矩形单钢管混凝土短柱破坏形态主要为构件中部位置。在轴压荷载下，与普通的矩形单钢管混凝土柱相比，新型墩柱的破坏位置发生了转移，由试件中部向上下垫板移动，且由破坏云图可以看出：有限元中矩形钢管最大应力分布位于破坏截面角部，且短边的应力值普遍比长边大，说明角部对混凝土的约束作用最强，短边约束混凝土强于长边。复式钢管混凝土墩柱有限元；矩形单钢管混凝土有限元；矩形钢管混凝土试验。图 轴压破坏形态.典型构件受力全过程分析为研究矩形外钢管、夹层混凝土、圆形内钢管、内层混凝土各构件在受力全过程中所承担的荷载变化，模拟得到的典型构件整体及各部分荷载位移曲线如图 所示。总荷载；外钢管；夹层混凝土；内钢管；内层混凝土。图 典型构件整体及各部分的荷载位移曲线.从图 中可见，当位移加载至.时，内、外钢管最先达到其荷载峰值，此时整体构件出现明显屈服拐点，可见在加载前期主要是由内外钢管承担构件荷载；随后外钢管荷载值下降.后承载力趋于稳定，而内钢管承载曲线始终保持平缓。当位移加载至.时，夹层混凝土荷载达到最大，构件整体达到极限承载力，此时矩形外钢管、夹层混凝土、圆形内钢管、内层混凝土承载分别占构件极限承载力的.、.、.、.。故在构件达到极限承载力时，夹层混凝土所承担的荷载最大，矩形外钢管次之，内圆钢管混凝土承载最小。随着位移继续增加，靠近端部的外钢管出现向外鼓曲现象，而内层混凝土因受到的约束较强承载仍继续增加。当位移加载至.时，构件整体承载力下降.至稳定承载力并保持平缓。从各构件承载全过程曲线中可以得出：夹层混凝土承载曲线与整体构件相似，内层混凝土承载曲线由于受到外部的约束，在整个承载过程中始终保持缓慢上升趋势，受到较好的约束作用。这是由于在承载前期，矩形外钢管对夹层混凝土的约束效果较好，但随着承载增加到极限承载力后，由于矩形外钢管屈曲变形，不能对夹层混凝土产生有效的约束，导致夹层混凝土承载下降。内钢管由于内、外混凝土的夹持作用，承载力保持稳定。承载力计算式验证以混凝土立方体轴心抗压强度、钢管屈服强度、工业建筑 年第 卷第 期内钢管同含钢率时直径变化、内圆钢管径厚比、外钢管宽厚比等为参数对新型复式钢管混凝土墩柱轴压极限承载力的影响规律进行分析。各模型截面尺寸及高度均与典型构件相同，并采用本文推导的式（）计算不同参数下的新型复式钢管混凝土墩柱轴压极限承载力。表 给出具体截面尺寸及物理材料参数，并列出 有限元模型计算极限承载力 与极限平衡理论计算极限承载力。由表 数据可以看出，由于理论计算时假定各组成构件均处于极限状态，故比有限元模拟结果偏大。但所有墩柱 比值的平均值为.，均方差为.。说明有限元模拟与极限平衡理论计算结果吻合较好，可以用来计算新型复式钢管混凝土墩柱轴压极限承载力。表 新型复式钢管混凝土轴压承载力有限元模拟及理论计算结果 参量试件编号外管尺寸（）内管尺寸（）混凝土强度.钢管屈服强度.内钢管径厚比.内钢管直径.外钢管径厚比.平均值.均方差.、分别为矩形钢管的长度、宽度、厚度；、分别为圆钢管的直径、厚度；为混凝土立方体抗压强度标准值；、分别为外、内钢管屈服强度。图 为不同参数设置下有限元得出的轴压曲线。如图，与混凝土强度等级 墩柱相比，内填 的墩柱轴压极限承载力降低.；当混凝土强度等级增加到、时，墩柱承载力比内填 的分别提高了.、.。如图，与钢管型号 墩柱相比，型号 的墩柱承载力降低.，当钢管型号增加到、时，承载力比型号 的提高.、.。如图，各个墩柱含钢率均不相同，与内钢管尺寸 墩柱相比，内钢管尺寸 墩柱的承载力降低.；当内钢管尺寸增加到 、时，承载力比 墩柱分别提高.、.。如图，当内钢管含钢率相同仅改变直径时，与内钢管尺寸为.墩柱相比，内钢管 、墩柱的承载力提高.、.。如图，与外钢管厚度 墩柱相比，厚度.墩柱的承载力提高.，厚度，墩柱的承载力比 墩柱分别降低了.和.。因此，该类新型墩柱的极限承载力均随混凝土抗压强度、钢管屈服强度增加而提高，随外钢管宽厚比增加而降低。当内钢管厚度相同仅改变其直径时，、均随内钢管径厚比增加而提高。当内钢管含钢率相同时仅改变直径，随内钢管直径增加、包围内层混凝土面积增加，极限承载力也提高，但当内钢管直径增大到一定程度时（约 外钢管宽度），基本没有变化，说明理论计算式在一定程度上存在误差。结束语通过对新型复式钢管混凝土轴压墩柱的有限元建模数值分析和极限平衡承载力理论计算研究，得出以下结论：新型复式钢管混凝土墩柱轴压受力机理分析及承载力计算 张玉芬，等 混凝土抗压强度；钢管屈服强度；内钢管径厚比；内钢管直径；外钢管径厚比。图 不同参数设置下的轴压曲线.）有限元模拟得到的复式钢管混凝土墩柱和矩形单钢管混凝土轴压短柱的破坏形态、极限承载力和荷载位移曲线与试验结果吻合较好。新型复式钢管混凝土墩柱模型破坏形态呈现出外钢管向外鼓曲且长边比短边屈曲严重的腰鼓形破坏，墩柱整体及各部分的全过程承载位移曲线说明夹层混凝土承载曲线变化规律与整体构件较为相似。极限状态时，矩形钢管、夹层混凝土、圆钢管和内混凝土承载分别占整体构件的.、.、.、.。）在不同的参数设置下，轴压极限承载力随混凝土抗压强度、钢管屈服强度增加而提高，随外钢管宽厚比增加而降低。当内钢管厚度相同仅改变直径时，极限承载力随内钢管径厚比增加而当内钢管含钢率相同时仅改变直径，内钢管直径越大、包围内层混凝土面积越多，极限承载力越大，但当内钢管直径增大到一定程度时（约 外钢管宽度）对轴压极限承载力影响不大。）根据极限平衡理论，假定矩形外钢管对夹层混凝土产生约束，圆形内钢管对内层混凝土产生约束，将其分成考虑长短边变形屈服差异的矩形外钢管、外钢管约束的夹层混凝土和内部的圆钢管混凝土柱三部分进行计算，最终得出新型复式钢管混凝土墩柱轴压极限承载力计算式。将有限元模型计算值，与极限平衡理论推导出的理论公式计算值进行比较，所有墩柱 的平均值为.，均方差为.。通过数值建模分析验证了理论计算式的准确性及适用性。参考文献 韩林海钢管混凝土结构：理论与实践 北京：科学出版社，方小丹，林斯嘉 复式钢管高强混凝土柱轴压试验研究建筑结构学报，（）：，（）：谢力，陈梦成，张安哥 矩形中空夹层钢管混凝土短柱力学性能的数值分析 华东交通大学学报，（）：谢力，陈梦成，黄宏 矩形中空夹层钢管混凝土轴压构件的试验研究 工业建筑，（）：刘礼，何明胜，汤建平 复合矩形与普通矩形钢管混凝土柱轴压性能的分析 石河子大学学报（自然科学版），（）：黄宏，朱彦奇，陈梦成，等 矩形中空夹层再生混凝土钢管短柱轴压试验研究 实验力学，（）：陈建伟，苏幼坡，陈海彬 基于极限平衡理论的复式钢管混凝土轴心受压承载力计算方法 土木工程学报，（增刊）：查晓雄，徐海俭 内配异心及多层钢管混凝土柱承载力统一公式研究 建筑结构学报，（增刊）：龙跃凌，蔡健，黄炎生 矩形钢管混凝土短柱轴压承载力 工业建筑，（）：王娟，赵均海，吴赛，等 基于统一强度理论的矩形钢管混凝土短柱轴压承载力计算 建筑科学与工程学报，（）：徐海俭 复式钢管混凝土短柱轴压性能的研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，（）：（下转第 页）长期服役垃圾填埋场堆体稳定性动态评估 郭楷文，等 高根据现场实际情况宜控制在 ，最高不超过，每日进场垃圾量应控制在 以下。）考虑渗沥液液面高程和垃圾堆填高度共同作用下堆体的安全稳定性变化规律。对三者关系进行回归分析，根据回归式和安全系数，可以确定某一堆填高度下允许渗沥液液面高程或某一渗沥液液面高程下允许垃圾堆填高度。）分析了堆填位置对堆体稳定性的影响。堆填位置前移堆体稳定性降低，堆填位置后移一定距离后，堆填垃圾对堆体稳定性减小直到可忽略堆载对堆体稳定性的影响；根据计算结果给出在现有渗沥液液面高程条件下，堆填前移位置允许变化范围不宜超过现有界限 。参考文献 管仁秋 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