圆钢管套箍混凝土轴压短柱受力机理分析

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1、http://www.paper.edu.cn1圆钢管套箍混凝土轴压短柱受力机理分析丁发兴*，余志武(中南大学土木建筑学院，湖南长沙410075)*E-mail:dinfaxin@mail.csu.edu.cn摘要：应用连续介质力学，确立圆钢管套箍混凝土同心圆柱体混凝土受压时的计算模型，建立了圆钢管套箍混凝土组合弹性模量理论计算公式和组合应力-应变关系全曲线的理论表达式。编制了相应的计算程序，并对圆钢管套箍混凝土受力机理进行弹塑性全过程分析，得到试验结果的验证。通过对圆钢管套箍混凝土轴压短柱受力机理进行数值仿真，分析了圆钢管套

2、箍混凝土加载过程的钢管环向应力-应变关系以及核心混凝土的轴向应力-应变关系、径向应力-应变关系的变化情况的变化情况，探讨了圆钢管套箍混凝土和圆钢管混凝土力学性能的之间的差别。分析结果表明：与钢管混凝土力学性能相比，钢管套箍混凝土的核心混凝土的径向压应力、纵向强度和钢管环向拉应力增加；圆钢管套箍混凝土将套箍约束作用发挥至最大，极限承载力和剩余承载力高、延性好，但组合弹性模量偏小。关键词：钢管套箍混凝土柱，套箍作用，应力-应变关系，弹塑性分析，受力机理1.引言圆钢管套箍混凝土(STCC)柱在轴向仅核心混凝土受荷，钢管只起横向套箍作

3、用，因此从受力开始就存在钢管对混凝土的约束套箍作用，有学者认为圆钢管套箍混凝土比圆钢管混凝土(CFST)更有优势，国内外学者对圆钢管套箍混凝土的试验研究有不少的报道。目前，对圆钢管套箍混凝土轴压短柱受力性能的试验研究有两者形式：一是加载时荷载[1-3]一直施加在混凝土上，钢管内表面不涂油；二是灌注混凝土前将钢管内部涂上润滑油，[2][2]加载时荷载施加在混凝土上。试验结果表明：两种加载方式的钢管中都有轴向应力存在；加载方式二的极限承载力最大，但轴压刚度最低。也有学者采用介于圆钢管套箍混凝土和圆[3,4]钢管混凝土之间的加载路径

4、，即荷载先施加在混凝土上，压平之后与钢管共同受荷，试验结果也处于两者之间。对于圆钢管套箍混凝土轴压短柱的理论分析方法，文献[4,5]分别采用大型商业软件有限元分析程序ABAQUS和DIANA进行三维建模对其进行全过程分析，并进一步给出试件受荷过程中的内力变化情况，初步揭示圆钢管套箍混凝土受力机理，但计算工作量大。本文在文献[6,7]研究成果的基础上，基于连续介质力学，采用弹塑性全过程分析方法，进一步建立圆钢管套箍混凝土轴压短柱力学模型，并编制非线性全过程分析程序，该方法模型简单，计算简便；在试验验证的基础上，对圆钢管套箍混凝土

5、轴压短柱进行受力机理分析，1本课题得到国家自然科学基金项目(50438020；50578162)资助。注：本文已被《中国铁道科学》录用。-1-http://www.paper.edu.cn结合文献[6]提出的计算理论，探讨圆钢管套箍混凝土和圆钢管混凝土(CFTS)对套箍约束作用、轴压刚度、极限承载力和剩余承载力的影响，揭示钢管对核心混凝土套箍约束作用的本质。2.理论模型2.1基本假定1）采用文献[5]提供的核心混凝土的轴对称三轴本构模型和强度准则；2）采用文献[5]提供的钢材本构模型和强度准则；3）变形协调假定：钢管与混凝土之

6、间在横截图1圆钢管套箍混凝土受力和计算模型面上共同工作性能良好，变形协调，界面连续；4）不考虑钢管和混凝土轴向滑移产生的摩擦力。2.2弹性阶段应力分析如图1所示，可建立圆钢管套箍混凝土轴压短柱同心圆柱体计算模型。在小变形条件下，圆钢管套箍混凝土轴压短柱仍为弹性力学轴对称广义平面应变问题。22引入Airy应力函数Γ=C1lnr＋C2rlnr＋C3r＋C4，可求得弹性解的通式：（a）混凝土区，0

7、(1－νc－2νc)/Ec－νcεL,c(3)位移分量2ur,c＝r[2C3(1－νc－2νc)/Ec－νcεL,c](4)uL,c＝LεL,c(5)（b）钢管区，(D/2-t)≤r≤D/2：应力分量2σr,s＝A/r＋2B(6)2σθ,s＝－A/r＋2B(7)σL,s＝EsεL,s＋4νsB＝0(8)应变分量2⎧12+−vBA(1)v−vsss⎪εε=+−vrL,s2s,s⎪ErssE(9)⎨2⎪12+−vBA(1)v−vsssε=−+−vε⎪θ,s2sL,sErE⎩ss位移分量-2-http://www.paper.edu

8、.cn2⎧2(1B−−vv)1+vAsss⎪ur=−[]vε−rL,ss,s⎨EEssr(10)⎪uL=ε⎩LL,s,s式中：σL,c、σL,s分别为混凝土和钢材的轴向应力；σr,s、σθ,s分别为钢材径向和环向应力；σr,c、σθ,c分别为混凝土径向和环向应力；εL,c、ε