圆中空夹层钢管混凝土抗弯承载力分析

圆中空夹层钢管混凝土抗弯承载力分析张栋;刘清;刘耘【摘要】By using the universal finite element software ANSYS on monotone vertical loads of concrete filled double-skin steel tubular beam in bending analysis, drawn in 9 different hollow ratios the bending bearing capacity,and compared with the flexural bearing capacity presented in reference'41 theoretical values. The results show that: the component with high deformation capacity and good late bearing capacity;on the hollow ratio 0. 70 bending bearing capacity is better.%运用ANSYS对软件单调竖向荷载作用下圆中空夹层钢管混凝土梁进行受弯分析,得出9个不同空心率情况下构件的抗弯承载力,并与文献[4]中提出的抗弯承载力理论计算公式的计算结果进行对比.分析结果表明:该类构件具有较高变形能力和良好的后期承载力,在空心率为0.70时构件的抗弯承载力较高.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2012(034)012【总页数】3页(P34-36)【关键词】单调竖向荷载;空心率;后期承载力【作者】张栋;刘清;刘耘【作者单位】新疆大学建筑工程学院,乌鲁木齐 830047;新疆大学建筑工程学院,乌鲁木齐 830047;新疆大学建筑工程学院,乌鲁木齐 830047【正文语种】中文【中图分类】TU528.57圆中空夹层钢管混凝土结构具有承载力高，自重轻、塑性、韧性好等优点[4，5]，作为一种新型结构形式受到国内外相关研究人员及工程设计人员的重视，该结构在运输管道、隧道等工程中的应用较为广泛，在工程实际中得到较多的应用。

韩林海等[4，8]对圆中空夹层钢管混凝土构件的纯弯性能进行了一定的试验和理论研究工作，并取得一定的成果，但由于圆中空夹层钢管混凝土组合构件受力较复杂，尚没有一套统一、适用面广的构造形式，本文中通过运用有限元对9个不同空心率情况下的圆中空夹层钢管混凝土构件抗弯承载力进行模拟分析，得出较为合理的截面空心率。

1 圆中空夹层钢管混凝土模型的尺寸选择文中拟以空心率为变量，对9个圆中空夹层钢管混凝土试件进行抗弯承载力有限元分析，其中包括一个实心圆钢管混凝土模型和一个空心钢管模型，模型内、外管尺寸及钢管的壁厚等模型尺寸如表1所示。

2 有限元计算模型的建立(1) 材料的单元类型选择及本构关系。

钢管材料选用SOLID 45单元模拟。

钢材为理想弹塑性模型，在屈服点之前的性质接近理想的弹性体，屈服点之后的流幅接近理想的塑性体。

钢材的弹性模量取2×105MPa，泊松比取0.25，屈服强度 fy取为235MPa，其应力－应变关系采用双线性等向强化模型(BISO)，如图1所示。

表1 试件的内外钢管尺寸及壁厚注:空心率χ=Di/(D0－2t0)，Di为内钢管的外直径，D0为外钢管的外直径，t0为外钢管的壁厚约束效应系数ζ=Asfy/Acfck，As、Ac分别为钢管和混凝土的横截面面积;fy、fck分别是钢管和混凝土的屈服强度和抗压强度标准值。

/mm实心钢管114×3 —编号D0·t0/mm Di·ti/mm χ ζ l 15000.00 1.34 1500 Scc1 114×3 32×3 0.30 1.86 1500 Scc2 114×3 42×3 0.39 2.14 1500 Scc3 114×3 54×3 0.50 2.61 1500 Scc4 114×3 58×3 0.54 2.82 1500 Scc5 114×3 68×3 0.63 3.53 1500 Scc6 114×3 76×3 0.70 4.41 1500 Scc7 114×3 88×3 0.81 7.42 1500空心钢管114×3 — 1 —混凝土材料采用SOLID 65单元模拟，混凝土材料的弹性模理取为3×104MPa，泊松比取0.2，标准抗压强度fck取为20.1，对于混凝土材料的本构关系，采用hognestad 模型[7，8]:式中，εc0=1.8σc0/Ec;εcu=0.0038;σc0为混凝土的单轴受压强度，应力－应变曲线用多线性等向强化模型(MISO)来定义，其本构关系简化为多线段如图2所示。

(2)模型的单元划分和荷载施加。

模型假定:模型在变形过程中始终保持为平截面，钢管与混凝土材料完全协同工作，两种材料之间不产生相对的滑移，并忽略剪力对构件变形的影响。

构件网格划分采用扫掠网格划分方式。

模型施加荷载方式采用四分点加载方式，如图3所示，有限元模型单元划分后施加集中荷载的有限元模型以及模型的断面图如图4所示。

3 有限元计算结果分析根据有限元软件的分析结果，绘制出不同空心率构件在受弯时梁底跨中节点的荷载-位移曲线如图5所示。

从图5可以看出:(1)构件的荷载-位移曲线可以明显地分成弹性阶段OA段、弹塑性阶段AB段和塑性阶段BC段。

在曲线的弹性阶段OA段，构件所受到的荷载和构件在荷载的作用下产生的变形成正比，荷载-曲线表现为斜率很大的直线段;当构件进入弹塑性阶段AB段时，荷载-位移曲线表现为一段曲线，位移不再随着荷载的增加成正比增加，荷载的增长幅度逐渐减小，构件变形幅度渐渐增大，荷载-位移曲线的斜率逐渐减小;当构件的变形进入到塑性阶段BC段时，荷载的增加幅度很小或者不变，构件跨中梁底节点的位移大幅度增加。

可以看出，构件进入塑性阶段后，构件的承载力仍然相当稳定，承载力没有出现下降的趋势，并且变形还可以继续增加，表明这种结构形式具有很好的变形能力和延性，这是因为钢管和混凝土的相互约束作用，改善了构件的力学性能，除空心钢管构件因为没有混凝土的支撑，承载力略有降低外，其它构件的抗弯承载力仍表现出很好的后期承载能力。

(2)从图6及表2中抗弯承载力随空心率的变化情况可以看出:当空心率小于0.50时，随着空心率的增大，钢材和混凝土的相互约束能力逐渐提高，圆中空夹层钢管混凝土构件的抗弯承载力也随之提高;空心率在0.5～0.8范围内时，圆中空夹层钢管混凝土构件的受弯承载力有所提高但变化较小，在该空心率范围内，钢材和混凝土的相互约束能力达到合理的分配，构件在空心率增加到0.70时，构件的抗弯承载能力最高，这是由于混凝土材料不能对钢材提供足够的支撑能力，构件的抗弯承载力反而会减小。

4 构件抗弯承载力与理论计算承载力值对比文献[4]中提出的圆中空夹层钢管混凝土构件理论抗弯承载力简化计算公式为:fyi为内钢管的屈服强度。

表2 不同中空率时构件的抗弯承载力值内钢管直径实心钢管 32 42 54 58 68 76 880 0.30 0.39 0.50 0.54 0.63 0.70 0.81 1 As/(As+Ac)0.102 0.136 0.154 0.182 0.194 0.231 0.273 0.387 —屈服荷载/kN 36.82 38.50 41.25 43.59 43.78 44.00 44.2 41.6 18.71抗弯承载力/kN·M 12.89 13.48 14.44 15.26 15.32 15.40 15.47 14.空心钢管空心率56 6.55根据圆中空夹层钢管混凝土构件的抗弯承载力简化计算公式计算所得的抗弯承载力Mu1与有限元分析得出的构件抗弯承载力Mu2进行比较，如表3所示。

表3 抗弯承载力理论计算值与有限元计算值比较注:均方差表示平均值。

空心率理论计算值Mu1/kN·m有限元计算值Mu2/kN·m Mu1/Mu2 11.50 12.890.8920.30 11.80 13.48 0.8760.39 12.64 14.44 0.8750.50 13.51 15.260.8850.54 13.66 15.32 0.8920.63 13.93 15.40 0.9040.70 13.78 15.470.8910.81 12.72 14.56 0.8221—6.55 —平均值 0.880均方差00.001通过对比得出:有限元分析得出的抗弯承载力与理论计算抗弯承载力比值的平均值为0.880，均方差为0.001，有限元分析的结果与理论计算的承载能力较接近，并且数据离散性较小。

引起分析构件的抗弯承载力的差值的原因可能是构件组成材料性能的差异，例如有限元分析时混凝土材料和钢材的弹性模量、泊松比、屈服强度等的取值;理论计算公式中线性回归的各系数误差等。

5 结语通过对有限元计算结果的分析和理论计算承载力结果的比较可以得出如下结论:①圆中空夹层钢管混凝土构件具有较高变形能力和良好的后期承载力，空心率在0.5～0.8范围内时，对圆中空夹层钢管混凝土构件的受弯承载力影响较小;②圆中空夹层钢管混凝土受弯构件的空心率存在一个较佳值(χ=0.70)，并且在该空心率时构件的抗弯承载力最高;③有限元分析结果和抗弯承载力理论计算值比较较近，因此可运用本方法对该种组合型构件进行大量的有限元分析，得出其它变化参数对圆中空夹层钢管混凝土构件承载力的影响。

参考文献[1]X L ZHAO，R Grzebieta，M Elchlakani.Tests of Concrete－Filled Double Skin Circular Hollow Sections.First Inter.Confer.on Steel＆ Composite Structures[J].Pusan，Korea，2001，(6):283 －290.[2]Har L H，Lu H.Yao G H.Liao F Y.Further study on the flexural behavior of concrete －filled steel tubes[J].Journal of Constructional Steel Research，2006，62(6):554 －565.[3]Tao Zhong.Hai Linhai.Zhao Xiaoling.Behavior of Concrete －Filled Double Skin(CHS Inner and CHS Outer)Steel Tubular Stub Columns and Beam －Columna[J].Journal of Constructional Streel Reasearch，2004，60(8):1129 －1158.[4]黄宏，陶忠，韩林海.圆中空夹层钢管混凝土纯弯力学性能研究[J].工业建筑，2006，(3).[5]韩林海著.钢管混凝土结构[M].北京:科学出版社，2000.[6][美]陈惠发.混凝土和土的本构关系[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.[7]荣彬.方钢管混凝土组合异形柱的理论分析与试验研究[D].天津:天津大学，2008.[9]李永进，韩林海.中空夹层钢管高性能混凝土压弯构件力学性能研究[C]∥中国钢结构协会2004钢结构学术年会论文集.2004.。