圆钢管混凝土轴压短柱受力机理影响因素分析

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发布时间：2021-09-05

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圆钢管混凝土轴压短柱受力机理影响因素分析
丁发兴。余志武
(中南大学土木建筑学院，湖南长沙410075)
摘要：根据钢管混凝土轴压短柱弹塑性全过程分析理论，在试验验证的基础上，对钢管混凝土轴压短柱受力机理进行数
值仿真，分析了钢管混凝土加载过程中各内力随纵向应变的变化情况，探讨了舍钢率、钢材屈服强度和混凝土强度对钢管
混凝土力学性能的影响。研究结果表明：钢管混凝土在受荷过程中。核心混凝土由于受到钢管的约束其纵向应力有较大提
高。延性得到显著提高，钢管为混凝土提供径向约束，但其纵向应力大幅度降低；在其他条件相同的情况下。舍钢率和钢材
屈服强度越高，则钢管混凝土轴压短柱套箍作用越强，承载力越高，延性越好；而混凝土强度越高，则试件套箍作用越弱，延
性越差，但承载力越高。
关键词：钢管混凝土柱；受力机理；套箍约束
中图分类号：TU398 文献标识码：A 文章编号：1672—7029(2006)01—0006—06
Parameters analysis of the behavior of
concrete filled circular steel tubular stub columns
DING Fa—xing，YU Zhi—WU
(School of Civil and Architectural Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)
Abstract：According to the elasto—plastic analysis theory for concrete filled tubular steel(CFTrS)stub columns with
circular section。which was verified by the test results。the behavior of the columns Was simulated when loaded to fail．
ure，the axial stress—axial stain relations of steel tube．the perimeter stress—strain relations of steel tube and the axi．
al stress—axial stain relations of concrete core were analyzed and the influences of the significant parameters，such as
stel ratio，yield strength of steel and strength of concrete on the mechanical behavior of the coh．1mlls were discussed ．
The results indicate that the axial stress of concrete core increases greatly and the ductility iS improved when stel tube
iS confined．At the same time．the axial stress of stel tube decreases rapidly for confinement effect． en other pa．
rameters ale the same，with the stel ratio an d the yield strength of steel increasing，the confinement effect of colmmas
is strengthened，an d the ultimate strength and the ductility of columns grow．As the strength of concrete increases，
confinement effect and the ductility of column are weakened but the ultima te strength of colmmas grows．
Key words：concrete filled tubular steel columns；behavior；confinement effect
钢管混凝土柱因其结构特征同时具备了钢管
和混凝土2种材料的性质，充分发挥了钢材和混凝
土各自材料的优点。钢管混凝土的特征为Ⅲ：
1)借助钢管对混凝土的套箍约束作用，使混
凝土处于三向受压状态，从而使混凝土具有更高的
抗压强度和压缩变形能力；
2)借助内填混凝土的支撑作用，增强钢管壁
的几何稳定性，改变空钢管的失稳模态，从而提高
其承载能力。
所谓钢管混凝土受力机理，是指在外荷载作用
收稿日期：2O05—07—28
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50438020；50578162)；湖南省自然科学基金资助项目(O3JJY3O89)
作者简介：丁发必(1979一)，男，浙江瑞安人，博士研究生，从事结构工程研究
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第1期丁发兴，等：圆钢管混凝土轴压短柱受力机理影响因素分析 7
下钢管和昆凝土内力变化情况，也就是钢管对混凝
土的套箍约束作用的定量描述。由于在钢管昆凝
土轴压短柱试验研究中测试核心混凝土应变较困
难，加之核心混凝土多轴本构模型复杂，现有的研
究多是将钢管与核心混凝土作为一个整体进行分
析，仅对试件轴力(或组合应力)一纵向应变关系曲
线进行全过程分析，分析方法包括纵向纤维模型
法 2、合成法l3j和有限元法【 J，但没有给出钢材
和核心混凝土内力变化情况，因而没有对钢管和混
凝土的相互依赖关系进行深入认识，不能揭示钢管
对7昆凝土的约束套箍作用。为揭示钢管混凝土轴
压短柱的受力机理，王玉银采用剥离分析法_9 J，根
据测定逐级荷载下钢管外表面的纵向应变和环向
应变，利用数值方法，计算出钢管的内力，再由平衡
条件确定核心混凝土的内力变化，以此来确定钢管
和核心混凝土内力的变化；并采用大型商业软件有
限元分析程序DIANA[ j较合理地解释了加载过程
中钢管和核心混凝土受力变化情况，揭示了钢管混
凝土受力机理，将钢管混凝土轴压短柱整体分析法
和剥离分析法有机结合起来。由于王玉银 9 J在有
限元分析中采用三维建模，计算工作量大，不利于
对钢管混凝土长柱和钢管混凝土拱等进行进一步
分析。
丁发兴等_1 o_建立了弹塑性全过程分析理论，
实现了钢管混凝土轴压短柱受力性能整体分析。
此外，该理论也可用于合理解释加载过程中钢管和
核心混凝土受力变化情况，且模型简单，计算简便。
这里采用文献[10]中的弹塑性全过程分析理论，在
试验验证的基础上，进一步对钢管混凝土轴压短柱
受力机理进行数值仿真，分析钢管混凝土破坏过程
中各内力和纵向应变的变化情况，以揭示钢管对核
心混凝土套箍约束作用的本质，探讨不同混凝土强
度等级、钢管屈服强度和含钢率对钢管混凝土受力
性能和受力机理的影响。
1 钢管混凝土受力机理试验验证
通过文献[9]和[11]提供的钢管混凝土轴压短
柱荷载(Ⅳ)一纵向应变(￡L)全曲线和荷载(Ⅳ)一
环向应变(E ． )全曲线试验结果，利用文献[10]的
计算方法对其进行分析。计算结果与试验结果的对
比曲线如图1所示。可见，采用该计算方法能较好
地反映钢管混凝土轴压短柱整体的受力性能。
本文计算得到的钢管纵向应力( )、钢管环
向应力( ． )和混凝土纵向应力( )一纵向应变
(e，)关系与文献[9]中采用剥离分析法计算结果
如图2所示。可见，两者较相符，采用剥离分析法验
证了弹塑性全过程分析理论的正确性。图3所示为
实测的轴力(』v)一纵向应变( )关系曲线以及文
献[9]中按剥离分析法计算得到的钢管和混凝土
之间轴力分配的N 一￡L和N 一￡关系曲线，可见，
与本文的弹塑性全过程分析结果符合较好。可见，
由于钢管对核心}昆凝土的约束作用，混凝土的抗压
强度提高，而钢管的纵向应力降低，出现内力由钢
管向核心混凝土转移的现象。