軸壓作用下矩形鋼管混凝土柱性能研究

徐 娜，靳 旭，盧成江，傅學怡

（1、廣東科學技術職業學院建筑工程學院 珠海519090；2、悉地國際設計顧問（深圳）有限公司 深圳518059）

目前鋼管混凝土柱在超高層建筑中已被廣泛采用［1-7］，它對整個結構的安全至關重要。本文分析了設置內環肋、栓釘的矩形鋼管混凝土柱軸壓作用下的力學性能。

1 本構關系

鋼材選用Q345，泊松比0.3，彈性模量Es=2.06×105MPa。采用雙折線模型，強化段模量取值為0.01Es，關系曲線如圖1a 所示?；炷吝x用C80，塑性損傷本構模型，泊松比0.2，彈性模量Ec=3.8×104MPa。受壓本構關系曲線如圖1b 所示。受拉本構采用《混凝土結構設計規范：GB 50010-2010》［8］附錄C 給出的本構關系，且混凝土單軸抗拉強度代表值取為3.5 MPa。

2 有限元模型

2.1 單元選取

為準確模擬鋼管、核心混凝土及傳力構件之間的接觸關系，鋼管壁、環向加勁肋、核心混凝土均采用C3D8R 實體單元模擬。

2.2 栓釘計算理論

采用Ollgaard 等人［9］于1971年提出的計算模型：

式中：Q 為栓釘受到的剪力（kN）；Qu為栓釘的極限強度（kN）；s 為滑移量（mm）；As為栓釘橫截面面積（mm2）；fc為混凝土圓柱體抗壓強度（N/mm2）；Ec為混凝土的彈性模量（N/mm2）；fu為栓釘鋼材的極限抗拉強度（N/mm2）。

《鋼骨混凝土結構技術規程：YB 9082-2006》［10］中建議選用直徑19mm 及22mm的栓釘，且栓釘長度不應小于其直徑的4 倍。故本文中栓釘直徑取19 mm。參考文獻［10］對栓釘的抗拉強度最小值要求為不小于400 N/mm2，取400 N/mm2。C80 混凝土圓柱體的抗壓強度fc=0.79 fcu，k=63.2 N/mm2，則由式⑵得Qu=0.5As=219.582 kN＞Qu=fuAs=113.354 kN，可得單根栓釘的極限抗剪承載力Qu=113.354 kN。根據式⑴，可得單根栓釘的剪切-滑移模型如圖2a 所示?？紤]到實際結構中栓釘的滑移量不可能無限制增大，需要對其極限滑移量進行定義，采用文獻［11］中提出的方程：

式中：Su為栓釘極限抗剪強度下對應的滑移量（mm）；Sf為栓釘的極限滑移量（mm）；ds為栓釘的直徑（mm）。

在栓釘達到極限滑移量之后，認為栓釘失效退出工作。綜合公式，可得到經過修正后的栓釘剪切-滑移本構關系，如圖2b 所示。

圖2 栓釘剪切-滑移模型Fig.2 Shear-slip Model of Studs

2.3 彈簧單元

實際模型中很難按照1∶1的尺寸來建立栓釘與混凝土的模型，比較可行的辦法是通過彈簧單元、接觸單元等節理單元來模擬二者之間的剪切作用關系。在鋼管與混凝土界面處、幾何位置重合的2個節點間，建立彈簧單元來模擬栓釘的剪切傳力，在鋼管與混凝土界面的法向上通過剛性梁單元來傳遞法向力，防止鋼管與混凝土在受力變形時, 出現不符合實際的“穿透”現象，如圖3 所示。

圖3 栓釘彈簧單元Fig.3 Spring Element of Studs

2.4 邊界條件

約束柱底混凝土及鋼管壁x、y、z 三個方向的平動自由度。

2.5 加載方式

為了得到荷載-位移曲線，采用位移加載的方式，根據工程實際情況，在鋼管壁上施加軸向位移荷載。

2.6 設環向內環肋的矩形鋼管混凝土柱計算模型

根據《矩形鋼管混凝土結構技術規程：CECS 159：2004》［12］，在矩形鋼管混凝土柱樓層節點核心區鋼管壁內，設間距為1 000 mm的上下2個環向加勁肋，加勁肋寬50 mm、壁厚24 mm，如圖4a 所示。分析中不考慮鋼管與核心混凝土界面間的摩擦粘結作用。

2.7 設環向內環肋及栓釘的矩形鋼管混凝土柱計算模型

根據文獻［12］，在矩形鋼管混凝土柱樓層節點區鋼管壁內，設間距為1 000 mm的上下2個環向加勁肋，加勁肋寬50 mm、壁厚24 mm；鋼管壁設栓釘φ19 mm，間距400 mm×400 mm，如圖4b 所示。分析中不考慮鋼管與核心混凝土間摩擦粘結作用。

圖4 矩形鋼管混凝土柱截面Fig.4 Rectangular Steel Tube Concrete Column Section

3 力學性能

3.1 設環向內環肋的矩形鋼管混凝土柱

經有限元計算分析得到，設環向加勁肋的矩形鋼管混凝土柱軸力-位移曲線如圖5 所示。由圖5 可知，核心混凝土極限承載力Ncmax=2.211×104kN，此時鋼管壁承載力Ns=2.418×104kN，設環向加勁肋的矩形鋼管混凝土柱極限承載力Nmax=4.629×104kN。在彈性階段，混凝土工作承擔系數αc=0.546，進入塑性后混凝土工作承擔系數逐漸減??；當達到最大承載力時，混凝土工作承擔系數αc=0.478。

研究結果表明，在矩形鋼管混凝土柱樓層節點區鋼管壁內設環向加勁肋，混凝土澆筑理想施工情況下，可以將作用在鋼管壁上的部分外荷載傳遞于核心混凝土，迫使混凝土參與部分工作，改善了矩形鋼管混凝土柱的受力性能。

3.2 設環向內環肋及栓釘的矩形鋼管混凝土柱

有限元計算分析得到，設環向加勁肋及栓釘的矩形鋼管混凝土柱軸力-位移曲線，如圖6 所示。由圖6可知，核心混凝土極限承載力Ncmax=2.232×104kN，此時鋼管壁承載力Ns=2.420×104kN，設環向加勁肋及栓釘的矩形鋼管混凝土柱極限承載力Nmax=4.652×104kN。在彈性階段，混凝土工作承擔系數αc=0.551，進入塑性后混凝土工作承擔系數逐漸減??；當達到最大承載力時，混凝土工作承擔系數αc=0.480。

圖5 設環向內環肋矩形鋼管混凝土柱軸力-位移曲線Fig.5 Axial Force-Displacement Curve of CFRT Column with Annular Ring Ribs

圖6 設環向內環肋及栓釘矩形鋼管混凝土柱軸力-位移曲線Fig.6 Axial Force-displacement Curve of CFRT Column with Annular Ribs and Studs

研究結果表明，在矩形鋼管混凝土柱樓層節點區鋼管壁內設環向加勁肋，同時在鋼管壁內設栓釘，管內加勁肋角部混凝土澆筑施工理想情況下，通過環向加勁肋及栓釘，可以將作用在鋼管壁上的部分外荷載傳遞于核心混凝土，迫使核心混凝土參與部分工作，矩形鋼管混凝土柱承載能力提高。設環向加勁肋及栓釘改善了矩形鋼管混凝土柱的受力性能，但比只設環向加勁肋的矩形鋼管混凝土柱承載力略高，栓釘作用不大。

4 結語

本文研究了軸壓作用下矩形鋼管混凝土柱設置不同的傳力構造措施的共同力學性能，分析設置環向內環肋和栓釘的矩形鋼管混凝土柱的承載能力共同工作，得到以下結論：

⑴在矩形鋼管混凝土柱樓層節點區鋼管壁內設環向加勁肋和栓釘，提高了矩形鋼管混凝土柱的承載能力，改善了矩形鋼管混凝土柱的受力性能。

⑵設環向加勁肋及栓釘改善了矩形鋼管混凝土柱的受力性能，但比只設環向加勁肋的矩形鋼管混凝土柱承載力略高，栓釘作用不大。