哑铃型钢管混凝土轴压短柱力学性能分析

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发布时间：2021-09-03

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哑铃型钢管混凝土轴压短柱力学性能分析
丁发兴，李大稳，余志武，欧进萍
(1．中南大学土木建筑学院，湖南长沙410075；2．哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150090)
摘要：采用混凝土单轴受力应力一应变关系统一计算公式，应用ABAQUS有限元软件建立哑铃型钢管混凝土轴压短柱三
维有限元实体模型。将哑铃型钢管混凝土轴压短柱的荷载一变形曲线简化为2圆钢管混凝土轴压短枉、钢腹板和腹腔内
混凝土的荷载一变形曲线简单叠加，建立弹塑性法。对比了有限元法和弹塑性法计算结果与试验结果，2种方法与试验结
果较吻合，且弹塑性法计算结果略低于有限元法计算结果。采用2种方法对哑铃型钢管混凝土轴压短柱的钢管的轴向应
力与环向应力、钢腹板纵向应力与横向应力、核心混凝土的轴向应力与径向应力以及腹腔内混凝土的纵向应力进行数值分
析，指出2种方法对上述各种应力的计算基本接近，且有限元法可合理反映腹腔内混凝土受约束而使得纵向承载力提高的
规律。基于极限平衡理论建立了哑铃型管混凝土轴压短柱承载力计算公式，由该公式所得计算结果与有限元计算结果相
近且与试验结果相比都偏于安全。
关键词：哑铃型钢管混凝土柱；极限承栽力；有限元法；弹塑性法
中图分类号：TU398 文献标志码：A 文章编号：1672—7029(2011)02—0001—06
Behavior of axially loaded concrete——filled steel tubular dumbbell shaped stub columns
DING Fa。xing ’ ，LI Da—wen ，YU Zhi．wu ，OU Jin—ping
(1．School of Civil Engineering and Architecture，Central South University，Changsha 410075，China
2．School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China)
Abstract：Applying unified formula for stress—strain relations of concrete under unixial load，ABAQUS was used
to establish the 3 D finite element model and to analyze the behavior of concrete—filled cir。cular steel tubular
(CFST)dumbbell shaped stub columns under axial compression．The elasto—plastic method was also used to
analyze the load—deformation curve of CFST dumbbell shaped stub columns when the CFST dumbbell shaped
stub column was simplified as superposition with the two CFST stub columns，the two steel webs and the concrete
inside the steel web space．The load—axial strain behavior of CFST dumbbell shaped stub columns was analyzed
by both finite element method and elasto— plastic method．The analysis results are in good agreement with the
experiment results from references．Analytical results by elasto—plastic method are slightly lower than that by fi—
nite element method．Then based on the two methods，the axial stress and perimeter stress of s~teel tube，the lon—
gitudinal and perimeter stress of steel web，the axial stress and radial stress of concrete core，and the longitudinal
stress of concrete inside the steel web space in CFST dumbbell shaped stub columns were discussed． At yield
state，the axial stress of section steel was slightly lower than its yield stress because of the confinement effect for
concrete．The analytical stresses in CFST dumbbell shaped stub columns by the two methods were almost the
same，and the finite element model could reflect that the longitudinal stress of the concrete inside the steel web
space increases lightly for the concrete confined by steel webs．Based on the limit equilibrium method，simplified
form ula for the axially loaded CFST dumbbell shaped stub columns was proposed．The analysis；results by limit e一
收稿日期：2010—03—24
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50808180)；教育部博士点基金资助项目(200805331064)；湖南省自然科学基金资助项目
(07JJ4014)
作者简介：丁发兴(1979一)，男，浙江瑞安人，博士，副教授，在读博士后，从事钢一混凝土组合结构研究
2 铁道科学与工程学报 2011年4月
quilibrium method are close to those by finite element method，and both are in safe range compared with the ex．
periment results from references．
Key words：concrete filled steel tubular dumbbell shaped columns；ultimate load capacity；finite element meth—
od；elasto—plastic method
钢管混凝土在压应力作用下，存在约束套箍作
用，这种作用使得其承载力提高，延性提高；此外，
钢管混凝土还具有施工方便以及造价经济合理等
优点，在我国高层超高层建筑结构、城市桥梁和大
跨度建筑中得到广泛应用⋯。如图1所示的哑铃
型截面形式的钢管混凝土拱桥在我国应用广泛。
在文献[2]所统计的109座钢管混凝土拱桥中，采
用竖哑铃形截面的有39座，采用横哑铃形截面
(桁式)的有15座，两者相加约占总数的一半。
哑铃型钢管混凝土轴压短柱受力性能的研究
是哑铃型钢管混凝土拱桥受力性能研究的基础工
作，文献[3]中对图1中截面形式A的哑铃型钢管
混凝土短柱轴压进行了试验研究，研究表明钢管混
凝土哑铃型轴压短柱具有良好的弹塑性性能，哑铃
形轴压短柱中的圆钢管混凝土与圆钢管混凝土的
受力性能相近。文献[4]对比了图1中截面形式A
和截面形式B(腹腔内不灌混凝土而以H型钢加
劲)的哑铃型钢管混凝土受力性能，结果表明，当
腹腔内混凝土面积不大时，两者的承载力几乎相
当。文献[5]进行了有初应力的哑铃型钢管混凝
土轴压短柱试验研究，结果表明：初应力使弹塑性
阶段提前，弹性极限荷载降低，极限荷载推迟出现，
但初应力对哑铃型钢管混凝土轴压短柱极限荷载
影响很／J、。
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(a)截面A；(b)截面B(单位：mm)
图1 哑铃型钢管混凝土轴压短柱截面形式
Fig．1 Section types of CFST dumbbell shaped stub columns
文献[6]采用ANSYS有限元软件对哑铃型钢
管混凝土轴压短柱进行分析，有限元建模中，钢管
与腹板采用壳单元，混凝土采用实体单元；圆管内
混凝土的采用考虑套箍作用的等效单轴应力一应
变关系 J。腹腔内混凝土同时采用了文献[1]提
出的考虑矩形钢管套箍作用的等效单轴应力一应
变关系和不考虑套箍作用的普通混凝土本构关系。
对于哑铃型钢管混凝土轴压短柱极限承载力
的研究，文献[3]提出了极限承载力计算的简单迭
加简化方法，即考虑两钢管混凝土圆管、钢腹板和
腹腔内混凝土的承载能力的简单迭加，不考虑腹腔
内混凝土受紧箍力作用承载力提高的部分；文献
[7]则提出了等效单圆管法，即考虑腹腔内混凝土
受紧箍力作用承载力提高的部分，将哑铃型整个截
面等效成单根圆钢管混凝土轴压构件进行计算。
目前，国内学者对哑铃型钢管混凝土轴压短柱
的各内力变化情况的分析还不足以说明结果的合
理性。笔者在建立可用于ABAQUS 有限元软件
分析的混凝土单轴应力一应变关系统一计算公
式的基础上，进一步对哑铃型钢管混凝土轴压
短柱进行分析，主要工作为：(1)建立钢管、腹板和
混凝土的实体有限元模型，采用ABAQUS有限元
软件对哑铃型钢管混凝土轴压短柱进行更精确的
分析；(2)采用弹塑性法对哑铃型钢管混凝土轴压
短柱进行全过程分析，对比弹塑性法和有限元法计
算结果与试验结果的差别，探讨受力过程中哑铃型
钢管混凝土轴压短柱中各内力变化情况；(3)在理
论分析的基础上，结合圆钢管混凝土轴压短柱的极
限平衡理论，提出哑铃型钢管混凝土轴压短柱极限
承载力实用计算公式。
1 理论分析
1．1 非线性有限元法
以ABAQUS／Standard6．4 为工具进行建模，
钢管、混凝土、钢腹板以及整个加载板都采用8节
点减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R)，其中
加载板采用刚性面。网格划分采用结构化网格划
分技术。
钢管与混凝土的界面模型由法线方向的接触和
切线方向的黏结滑移2部分构成。切线方向的