高温后中空夹层钢管混凝土柱压弯机理分析

摘要：为了研究高温后中空夹层钢管混凝土压弯柱力学性能，该文设计24根压弯构件，选取合适的本构参数，利用ABAQUS有限元软件进行分析，并与相应的试验参数作对比，有限元结果与相应的试验结果对比吻合良好。该文中设置轴压比、温度、空心率等参数并研究其对跨中P-Δ曲线的影响。该文对高温后中空夹层钢管混凝土压弯柱工作机理和破坏模态进行分析，结果表明：随着温度的升高、轴压比的变大，构件横向承载能力变小。随着温度的升高，轴压比的变小，构件的位移延性变好。不超过500℃时，构件抗弯承载能力随着空心率的变大而变小，超过500℃，构件抗弯承载能力随着空心率的变大而变大，但空心率对构件抗弯能力的影响不大。

关键词：高温后；中空夹层混凝土；压弯构件；有限元；P-Δ曲线

中空夹层钢管混凝土结构是在钢管混凝土结构基础上发展演变而来，并且继承了钢管混凝土结构的优点，能适用于现代工程结构向大跨、高耸、重载的发展方向和承受恶劣条件的需要，且施工技术工业化[1]。中空夹层钢管混凝土(concrete filled double skin steel tubes)用同心放置的内钢管取代钢管混凝土内部的混凝土，并在内外钢管间填充混凝土，与钢管混凝土构件相比，减轻了自重，抗弯性能和耐火性能都有提高，适用于偏心率较大或者抗弯高度高的结构中，如高架桥的桥墩或高层建筑[2－6]。目前国内外学者对中空夹层钢管混凝土构件的性能进行了大量的研究，文献[7―8]对纯弯、纯扭方面的力学性能进行了研究，文献[9]对高温后的轴压机理进行了研究，文献[10―11]研究了压弯构件的滞回性能，但是高温后中空夹层钢管混凝土构件压弯力学性能方面的研究还未见报道，因此本文采用数值模拟的方法，对高温后中空夹层钢管混凝土压弯柱的跨中P-Δ曲线进行分析，进而分析轴压比、空心率、温度等因素对中空夹层钢管混凝土压弯柱力学性能的影响。

1 有限元模型的建立

1.1 模型参数

通过有限元软件ABAQUS，对圆套圆中空夹层钢管混凝土压弯柱在高温后的力学性能进行模拟，本次对压弯构件的模拟选取的基础参数为：L=1400 mm，截面尺寸为D0×t0=200 mm×2.74 mm，Di×ti=100 mm×2.74 mm，混凝土等级 C70，内外钢管为Q345钢材，构件参数见表1。

本文主要分析了受火温度T(300℃、500℃、700℃、900℃)，空心率χ(0.31、0.52、0.72)，轴压比n(0、0.2、0.4、0.6、0.8)对构件压弯承载力的影响。

表1 参数一览表
Table 1 Information of members

1.2 材料本构关系

钢材高温作用后的本构关系采取韩林海[1]的双折线模型，即弹性阶段和强化阶段，如下式：

1.3 模型建立

本次模拟中内外钢管采用四节点缩减积分格式(S4R)，在壳的厚度方向采取 7个积分点的Simpson积分；核心混凝土采用八节点减缩积分格式的三维实体单(C3D8R)。上下盖板设置成刚体。混凝土与盖板间为“硬”接触，内、外钢管与混凝土的界面接触分为沿法线方向的“硬”接触和沿切线方向的“罚”接触，摩擦系数为 0.5。内、外钢管与盖板之间采取壳-实体耦合的方式连接。加载方式如图1(a)，图1(b)分别是空心率为0.72构件的外钢管，混凝土，内钢管和组合而成的中空夹层钢管混凝土构件及其网格划分方式。

1.4 模型验证

为验证模型的正确性，对文献[12]中的火灾后中空夹层钢管混凝土构件的滞回性能进行模拟，将其试验的骨架曲线与有限元模拟试验的P-Δ曲线进行对比，试验值和模拟值比值的平均值的为0.988，方差为 0.068，由此可见误差在允许的范围内，由此可见本文所建立的模型是可行的。

2 参数分析

2.1 温度T

图3为各种空心率下的不同温度的P-Δ关系曲线。从图中可以看出：随着温度的增加，P-Δ关系曲线弹性段逐渐变短，塑性段逐渐变长；达到峰值荷载时，所对应的位移逐渐增加；组合柱承载力随着温度的升高而减小。但是当温度不超过500℃时，构件的承载能力变化不大，温度超过 500℃时，承载能力迅速下降，主要是因为中空夹层钢管混凝土压弯柱抗弯能力主要依靠钢材的抗弯能力，最外侧受压区和受拉区都是钢材，当温度不超过500℃时，钢材承载能力下降不大，且温度回复常温后，钢材可以恢复大部分力学性能，当温度超过 500℃时，钢材力学性能退化严重。随着温度升高，构件刚度略有减小，P-Δ关系曲线的下降幅度变小，甚至温度超多 500℃时，P-Δ曲线不出现下降段，表明高温后组合构件有较好的位移延性。

2.2 空心率

图4为各种温度下不同空心率构件P-Δ关系曲线。从图中可以看出不超过 500℃时，构件的跨中P-Δ曲线极限荷载随着空心率的的增大而变小，当温度超过 500℃时，荷载极限值随着空心率的增大而变大，这主要是因为，温度不超过 500℃时，混凝土和钢材共同承担横向荷载，当温度超过 500℃时，混凝土逐渐退出工作，而空心率大的构件，其截面含钢率α(α=Aso/Ac，Aso表示构件外钢管的截面面积，Ac表示构件内夹层混凝土的截面面积)较大，高温后，钢材恢复大部分承载能力，并且截面含钢率越大对混凝土约束越大，限制混凝土的裂隙开展，截面受压区混凝土面积变大，使得抗弯能力变强。

2.3 轴压比n

图5 给出不同轴压比情况下的P-Δ关系曲线。从图中可以看出，当轴压比超过0.2时，曲线出现下降段，轴压比小于0.2时曲线没有下降段。构件的水平承载能力随着轴压比的增大而减小。曲线有下降段时，下降段的斜率随着轴压比的变大而变陡，说明构件的位移延性随着轴压比的变大而变小。但是轴压比对曲线弹性段刚度影响很小。

3 典型曲线分析

图6为典型荷载曲线，在曲线上取O点，A点，B点和C点四个点，其中O点未施加侧向位移，A点为弹性阶段末端，B点为峰值点，C点为应变为0.2的点。图7给出各个点构件快中截面应力分布等高线图。

O点处，只施加纵向荷载，未施加侧向荷载，由跨中横截面应力云纹图中可以看出纵向截面应力从靠近内钢管的界面向靠近外钢管的界面逐渐较小，这是由于钢材的泊松比大于混凝土的泊松比，外钢管横向变形大于混凝土横向变形，内钢管的变形亦大于混凝土变形，所以内钢管限制混凝土向内的横向膨胀变形，外钢管未对混凝土产生有效的箍套效应，但是外钢管角部对混凝土约束效应优于中部，所以角部混凝土应力略有增加。A点为弹性末端点，此时横向荷载已经施加，所以截面上部为受压区，下部为受拉区，从钢管应力云纹图可以看出，夹具两侧的外刚管已经达到了屈服强度，发生了局部屈曲，单整个构件处于弹性阶段。B点为构件压弯过程中的峰值点，从截面应力云纹图可以看出，受压区压力逐渐增大，受拉区拉应力略有减小，说明此时受拉区混凝土已经开裂，外刚管应力云纹图可以看出夹具两侧发生多处局部屈曲。C点可以看到受拉区逐渐变大，受压区压应力变小，混凝土已经被压碎。

4 结论

(1) 本文所计算的高后文中空夹层钢管混凝土柱跨中P-Δ曲线和参考文献[12]的滞回试验的骨架曲线吻合良好。

(2) 随着中空夹层钢管混凝土构架经受温度的升高，弹性段缩短，塑性段逐渐增长，随着温度的升高，峰值应变逐渐增大，构件承载力逐渐降低，位移延性越来越好。

(3) 当温度不超过500℃时，构件的承载能力随着空心率的增大而降低，当温度超过 500℃时，含钢率成为影响构件承担横向荷载的主要因素。但总体来说压弯构件中空心率对抗弯性能影响较小。

[1]韩林海. 钢管混凝土结构[M]. 北京: 科学出版社,2004: 1―2.Han Linhai, Concrete filled steel tubular structures [M].Beijing: Beijing Science Press, 2004: 1―2. (in Chinese)

[2]Zhao X L, Grzebieta T, Elchalakani M. Tests of concrete-filled double skin circular hollow sections [C].First Inter. Confer. On Steel & Composite Structures.Pusan, Korea, June, 2001: 283―290.

[3]Zhao X L, Grzebieta R. Strength and ductility of concrete filled double skin (SHS Inner and SHS Outer) tubes [J].Thin-Walled Structures, 2002, 40: 199―233.

[4]Yacishita, Kitoh H, Sugimoto M, Tanihira T, Sonoda K.Double skin composite tubular c0 lumns subjected to cyclic horizontal force and constant axial force [C]. Proc.of 6th Inter. Confer. on Steel and Concrete Composite Structures. USA, Apr, 2000: 497―503.

[5]Zhao X L, Grzebieta R H, Ukur A, Elchalakani M. Tests of concrete-filled double skin (SHS outer and CHS inner)composite stub columns [J]. Advances in Steel Structures(ICASS′ 02), 2002, 1: 567―574.

[6]Wei Li, Lin-Hai Han, Xiao-Ling Zhao. Axial strength of concrete-filled double skin steel tubular columns with preload on steel tubes [J]. Thin-Walled Structures.March, 2012, 56: 9―20.

[7]黄宏. 中空夹层钢管混凝土压弯构件的力学性能研究[D]. 福州: 福州大学, 2006.Huang Hong. Behavior of concrete filled double skin steel tubular beam-columns [D]. Fuzhou: Fuzhou University, 2006. (in Chinese)

[8]余鑫, 陶忠. 中空夹层钢管混凝土轴压短柱火灾后剩余承载力的试验研究[J]. 工业建筑, 2009, 39(4): 9―13.Yu Xin, Tao Zhong. Residual strength of concrete-filled double-skin steel tubular stub columns after exposure to fire [J]. Industrial Construction, 2009, 39(4): 9―13. (in Chinese)

[9]刘晓, 麻路, 王兵. 高温后方中空夹层钢管混凝土柱轴压机理分析[J]. 工程力学, 2014, 31(增刊 I): 183―189.Liu Xiao, Ma Lu, Wang Bing. Mechanical properties analysis of concrete filled double skin steel tubular columns subjected to axial compression after high temperature [J]. Structure Engineering, 2014, 31(Suppl1): 183―189. (in Chinese)

[10]ACI-318-89, American Concrete Institute. Building code requirements for structural concrete and commentary [S].Detroit: Farmington Hill, 1999.

[11]姜绍飞, 刘明. 高温后不同截面钢管混凝土轴压构件的实验研究[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2002,23(9): 891―894.Jiang Shaofei, Liu Ming, Experimental investigation on different cross section members of concrete filled steel tube (CFST) after elevated temperature [J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2002, 23(9):891―894. (in Chinese)

[12]任攀. 火灾后中空夹层钢管混凝土构件滞回性能研究[D]. 沈阳: 沈阳大学, 2017.Ren Pan. Study on hysteretic behavior of concrete filled double skin steel tubular members after exposed to fire[D]. Shenyang: Shenyang University, 2017. (in Chinese)

MECHANICAL BEHAVIOR ANALYSIS OF CONCRETE FILLED DOUBLE SKIN STEEL TUBULAR COLUMNS AFTER HIGH TEMPERATURE

LIU Xiao , XU Jian-ye , WANG Bing
(School of Architectural and Civil Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:In order to analysis the mechanical behavior of concrete-filled double-skin steel tubular (CFDST)columns after high temperature, this authors design 24 CFDST columns, with appropriate constitutive parameters,and use ABAQUS finite element software for analysis. These parameters are compared with corresponding experimental parameters and good agreement is found. The influence of parameters such as axial pressure ratio,temperature and hollow rate on P-Δ curve is studied. In this paper, the working mechanism and the destruction mode of concrete pressure bending column of are analyzed. The results showed that when the temperature increases, the axial pressure ratio increases, and the transverse load capacity of the component decreases. As the temperature increases, the axial pressure ratio decreases, and the displacement ductility of the component becomes better. When the temperature is no more than 500℃, the flexural bearing capacity becomes larger with hollow components turning smaller. When temperature is over 500℃, the bearing capacity of bending members becomes larger with hollow rate turning larger. The hollow rate has little effect on the bending ability of the component.

Key words:after high temperature; CFDST; compression-flexure member; FEA; P-Δ curve

通讯作者：刘晓(1974―)，女，沈阳人，教授，博士，从事防灾减灾研究(E-mail: liuxiao19740701@sina.com).

作者简介：徐建烨(1992―)，男，吉林人，硕士生，从事防灾减灾研究(E-mail: 15502451836@163.com)

王兵(1974―)，男，沈阳人，教授，硕士，从事防灾减灾研究(E-mail: wangbing616@163.com)