方钢管钢骨混凝土双偏压柱试验研究与有限元分析

第41卷第8期2011年8月建筑结构Building Structure Vol．41No．8Aug．2011

方钢管钢骨混凝土双偏压柱试验研究与有限元分析

*

赵同峰，欧阳伟，李冬松

（辽宁省交通高等专科学校道路桥梁工程系，沈阳110122）

［摘要］进行了9根方钢管钢骨混凝土双向偏压柱试验，研究其破坏形态，分析荷载与纵向应变关系及长细比、加载方向等参数变化对双偏压柱受力性能的影响。结果表明：当荷载达到极限荷载的50% 70%，钢管的受压区开始屈服；当荷载达到极限荷载的80% 90%，钢骨的受压区开始屈服。在试验参数范围内，加载角度的变化对偏压柱的受力性能影响不大。通过有限元法建立计算模型，模型计算结果与试验结果吻合很好。在此基础上，通过变化计算参数，

分析了不同长细比、偏心距条件下，加载角度对偏压柱受力性能的影响。结果表明，随着长细比及偏心距的增大，加载角度的变化对双偏压柱受力性能的影响也越来越大。［关键词］方钢管；钢骨；双偏压；承载力；计算公式中图分类号：TU398

文献标识码：A

文章编号：1002-

848X （2011）08-0087-05Experiment research and finite element analysis of square steel tube columns filled with

steel reinforced concrete subjected to bi-axial eccentric compression

Zhao Tongfeng ，Ouyang Wei ，Li Dongsong

（School of Road and Bridge ，Liaoning Provincial College of Communications ，Shenyang 110122，China ）

Abstract ：Experimental research of 9square steel tube columns filled with steel reinforced concrete subjected to bi-axial eccentric compression was presented．Failure mode and load versus longitudinal strain curves were analyzed．Influence of load direction and slenderness ratio were also analyzed．The test results show that the steel tube begins to yield when load gets to 50% 70%ultimate bearing capacity and the steel reinforced begins to yield when load gets to 80% 90%ultimate bearing capacity．Different angles of loading have little effect on the bearing capacity．Furthermore ，a finite element analysis model was established and the calculated results were agreed well with the test ones．Influence of load directions under different slenderness and eccentricity was also analyzed．Results show that the more slenderness and eccentricity the more influence of load direction on the bearing capacity．

Keywords ：square steel tube ；steel reinforced ；bi-axial eccentric compression ；capacity ；computation formula

*国家教育部博士点基金项目（20050145012）。

作者简介：赵同峰，博士，讲师，

Email ：ztfgty@sohu．com 。0引言

方钢管钢骨混凝土柱具有承载力高、截面尺寸

小、抗剪性能好、变形能力大等优点，是一种高效的新型组合结构构件，具有广泛的应用前景。文［1］ ［3］对方钢管钢骨混凝土柱进行了部分理论分析及试验研究。实际工程中，由于风荷载、水平地震作用或者楼面布置及竖向力荷载分布不均等因素，均会造成柱子处于双向偏压受力状态。因此，有必要进一步研究双偏压柱的力学性能。本文进行了双偏压方钢管钢骨混凝土柱试验，研究其破坏形态及不同参数条件下柱的受力特点。考虑到试件数量有限，未能分析加载角度变化对不同偏心距、不同长细比构件的影响。为此，通过有限元软件ABAQUS 建立了双偏压柱的计算模型，

模型计算结果与试验结果吻合较好。在此基础上，分析了加载角度对双偏压柱力学性能的影响。1

试验研究

1.1试验概况及方法

共进行了9根方钢管钢骨双偏压柱的试验。主要参数为：1）长细比λ（λ=L /B ，

L 为试件的计算长度，

B 为钢管的外边长）；2）偏心率e /r （e 为偏心距，r =B /2）；3）配骨率ρ（ρ=A s f sy /A c f ck ，A s 为钢骨面积，

f sy 为钢骨屈服强度，A c 为混凝土截面面积，f ck 为混凝土棱柱体抗压强度标准值）；4）加载角度α。试件详细参数见表1。所有试件的方钢管相同，方钢管外边长B 为200mm ，壁厚t 为5mm ，均采用冷弯成型。钢管的试验屈服强度f ty 为350MPa ，极限抗拉强度f tu 为425MPa ；f ck 为48.4MPa 。钢骨为工字形钢，

具体性能见表1。跨中截面纵向应变片布置情况见图1（a ）。此外，沿试件高度方向上、下1/4的受拉钢管角部各贴一纵向应变片；在跨中3，

4面及其间角部各放置一位移计。所有试验数据通过UCAM-70A 自动采集。

如图1（b ）所示，所有试件均在500t 的电液伺

建筑结构2011

年

图1截面应变片布置及加载装置

服压力机上进行，通过旋转试件两端的刀绞来实现加载角度的变化。试件采用分级加载制，弹性范围内，每级荷载为计算极限荷载的1/10；当荷载达到极限荷载的60%以后，每级荷载为极限荷载的1/20。接近破坏时缓慢连续加载，直至荷载下降到试验极限荷载的80%以后，停止试验。

试验参数及试验结果表1试件编号e/rα/?f sy/MPa f su/MPaρN ue/kN SPY12I-0-30453204200．353900 SPY12I-40-30.4453204200.352676 SPY12I-60-30.6453204200.352200 SPY10I-40-30.4453554200.302625 SPY10I-40-40.4453554200.302580 SPY10I-40-60.4453554200.302500 SPY14I-40-30.4454205450.412800 SPY10I-40-3-00.403554200.302628 SPY10I-40-3-900.4903554200.302693注：试件编号中，前三个字母SPY代表双偏压；10I，12I，14I代表工字钢型号；0，40，60代表偏心距；3，4，6代表长细比；0，90代

表加载角度，未标记的为45?；f sy，f su分别为钢骨的屈服强度和极限强度；N

ue

为轴向极限承载力。

1.2试验现象

在荷载作用初期，试件跨中受拉区钢管角部的侧向挠度变形较小，见图2（a），挠度的增长基本上和荷载的增加呈线性关系。当荷载达到极限荷载的50% 70%以后，其侧向挠度开始明显增加，当接近极限承载力时，有混凝土破碎发出的响声，说明混凝土已达到最大抗压强度，跨中挠度变形的速度明显加快。极限状态时，长细比为6的试件侧向具有明显的变形，见图2（b）。随着跨中挠度的进一步增大，二阶弯矩的增长速度开始大于截面抵抗弯矩增长速度，为维持其平衡，作用在试件上的荷载开始下降。超过极限承载力以后，钢管跨中附近的最大受压区角部首先出现局部屈曲，随后，与之相邻的2个面也发生了局部屈曲。在试验的长细比范围内，可以明显看到试件一处局部屈曲，且均发生在试件的中部附近。因发生了局部屈曲，所以随着侧向挠度的进一步增大，局部屈曲处的变形越来越大，图2（c）为试件轴向荷载下降到极限承载力80%时的破坏形态。

图2双偏压柱在加载过程中的变形情况

1.3荷载-纵向应变

通过试验得到加载角为45?的方钢管钢骨混凝土双偏压柱跨中钢管受拉、受压角部纤维纵向应变以及钢骨翼缘纵向应变随荷载的变化情况，见图3。图中虚线的横坐标为钢材的屈服应变值（其中，钢管的屈服应变为1700με，I10的屈服应变为1723με，I12的屈服应变为1553με，I14的屈服应变为2039με），左侧曲线为受压纤维应变变化情况，右侧为受拉纤维或较小受压纤维应变变化情况，应变以受拉为正、受压为负。

从图3中还可以看出，各个试件荷载与钢管的受拉、受压区纤维关系曲线差别并不明显。其曲线形状基本相似，当荷载达到极限荷载的50% 70%左右，钢管受压纤维开始屈服，当荷载接近极限荷载时，钢管受拉纤维开始屈服。由于钢骨位于试件截面的中心，因此钢骨的弹性阶段相对较长，当荷载达到极限荷载的80% 90%时，钢骨的受压区才开始屈服。

1.4相对荷载-横向变形系数

图4为试验得到的部分试件的钢管受压区横向变形系数ν（根据钢管上纵向应变片与横向应变片的读数的比值求得）与N/N

u

的关系曲线。可见，当

N/N

u

为0 0.7范围内，横向变形系数ν在0 0.3

范围内变化；当N/N

u

大于0.7以后，由于核心混凝土的体积开始迅速增大，而钢管的存在限制了混凝土膨胀，二者相互作用，核心混凝土受到了约束。当接近极限荷载时，混凝土的体积迅速膨胀，钢管的横向变形系数也迅速增大，钢管的套箍作用得到一定程度的发挥。

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方钢管钢骨混凝土双偏压柱试验研究与有限元分析

图3钢管和钢骨最大受压、受拉纤维应变随荷载变化情况

2有限元分析

表1中试件SPY10I-40-3，SPY10I-40-3-0，SPY10I-40-3-90仅加载角度不同，分别为45?，0?，90?，其他参数均相同，为加载角度变化对试件极限承载力影响的对比试件。由表1可以看出，三个试件的极限承载力差别仅在3%左右，说明加载角度的变化

对

图4N /N u -ν关系曲线

试件的极限承载力影响很小。由于试件数量有限，在不同偏心距、不同长细比条件下，加载角度变化对试件力学性能的影响未能分析，

其对试件力学性能影响需要进一步研究。为此，

通过有限元软件ABAQUS 建立计算模型，对方钢管钢骨混凝土双偏压柱的受力性能进行研究。2.1计算模型

钢管、钢骨及混凝土采用八节点减缩积分格式的三维实体单元（C3D8R ）。混凝土采用塑性损伤模型

［4］

。横向变形系数取为0.2。图5为典型的方

钢管钢骨双偏压构件单元划分及边界条件示意图，在模型长度方向上进行均匀的网格划分，网格三向尺寸不宜相差过大。双偏压构件仅长度方向对称，取1/2模型进行模拟，在对称面上施加对称的边界条件，在端板的加载线上施加Z 向的位移荷载，同时约束X ，

Y 方向的位移。端板截面边长尺寸略大于方钢管截面对角线距离，这样可以通过沿Z 向旋转端板的方法来实现加载角度的变化。端板为刚度

很大（如弹性模量为1?1012

MPa ）的钢板，端板与钢

管及钢骨用Tie 命令将其固接在一起。端板与混凝土之间的接触为法向硬接触，参照文［5］ ［7］，经试算，切向摩擦系数取0.6。钢材与混凝土的平均粘结应力按文［8］取用。采用位移加载方式进行加载，用牛顿法进行迭代计算

［10］

。

图5

单元划分及边界条件

2.2计算曲线与试验曲线对比

利用上述有限元模型对试验试件进行了计算。计算曲线与试验曲线对比见图6，图中u m 为试件跨

9

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图6计算结果与试验结果对比

中位移。可见，二者吻合较好，且偏于安全。2.3材料的荷载-跨中挠度关系曲线

图7为典型的短柱、中长柱的N-u m 关系曲线及混凝土、方钢管、钢骨承担的荷载情况

。

图7双偏压构件N-u m 关系曲线

由图7可见，由于钢管处于三向应力状态下，在构件未达到极限承载力前，方钢管承担的轴向荷载已经超过极限，其曲线进入了下降阶段。混凝土承担的轴向荷载继续增加，随着荷载的进一步加大，混凝土达到极限承载力同时，

N-u m 关系曲线也达到峰值状态。构件达到极限承载力前，钢骨承担的荷载处于上升趋势，

超过极限承载力以后，短柱钢骨承担的荷载并没有减小，而是继续缓慢增长，中长柱钢骨承担的荷载缓慢下降。可见，钢骨在双偏压受力状态下能很好承担轴向荷载的作用，

且随着变形的增大，其承担的轴向荷载占整个构件承担的轴向荷载的比例逐渐增大。因此，钢骨的存在不但提高了构件的承载力，而且延缓了构件的后期承载力的下降速度。

2.4加载角对荷载-跨中挠度关系曲线的影响

图8（a ）为采用有限元软件计算试件SPY10I-40-3在不同加载角条件下的N-u m 关系曲线。可以

看出，加载角变化对N-u m 关系曲线的影响不明显。考虑到上述分析的试验试件的配骨指标较小（ρ=0.3），且钢骨为I10，其截面不够开展，图8（b ）给出了计算参数B =200mm ，

t =5mm ，e /r =0.4，λ=3，C40混凝土，f ty =f sy =250MPa ，钢骨为I14的方钢管钢骨混凝土柱，在不同加载角条件下的N-u m 关系曲线

。

图8

α对N-u m 关系曲线的影响

图8（b ）与图8（a ）比较可见，随着配骨指标的增加，加载角对N-u m 关系曲线的弹性阶段影响很小，

但对弹塑性、塑性产生了一定影响，对曲线的极值也产生3%左右的差值。

图8（b ），（c ），（d ）为不同长细比λ条件下，加载角对N-u m 关系曲线的影响。可见，长细比变化对曲线的弹性阶段影响很小，

但随着长细比的增大，加载角对弹塑性及塑性产生了较大的影响，

90?加载角构件的后期承载力明显高于0?加载角构件的后期承载力。同时，加载角对构件极限承载力产生的影响也越来越大，加载角变化对λ=12的构件极限承载力影响达10%左右。原因是，

当构件长细比不断增大，二阶弯矩的影响也越来越大，构件的破坏形态逐渐由强度破坏过渡为稳定破坏。构件抗弯刚度越大，则破坏时构件的侧向挠曲变形越小，二阶弯矩的影响相对就小，则承载力高，而构件在90?加载角方向的抗弯刚度明显大于0?加载角方向的抗弯刚度，因此其承载力更高。

图8（b ），（e ），（f ）为不同偏心率e /r 条件下，加载角对N-u m 关系曲线的影响。可见，随着偏心率的增加，

加载角对N-u m 关系曲线的影响越来越明显，偏心率为0.2的构件，加载角对极限承载力几乎没

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第41卷第8期赵同峰，等．方钢管钢骨混凝土双偏压柱试验研究与有限元分析

有影响，偏心率为0.6的构件，90?加载角方向的构件比0?加载角方向构件的承载力高约6%。

3结论

（1）试验结果表明，由于双向偏压构件的受拉纤维与受压纤维之间的距离较远（为方钢管的对角线），因此，方钢管钢骨混凝土试件在双偏压条件下的弹性阶段较少。当荷载达到极限荷载的50% 70%，钢管便开始屈服。

（2）钢骨的存在提高了构件承载力的同时，更延缓了构件的后期承载力的下降速度。

（3）随着配骨指标、偏心距、长细比的增大，加载角度的变化对构件的力学性能的影响越来越大。

（4）由于试件数量有限，不同参数条件的双偏压柱的力学性能有必要进行进一步的试验研究。

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（上接第128页）

（3）再生混凝土小型空心砌块砌体的轴心抗压强度平均值可以参照砌体规范推荐的公式进行计算。

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