高温后方中空夹层钢管混凝土柱滞回性能研究.pdf

第 卷第 期 年 月 铁道科学与工程学报 高温后方中空夹层钢管混凝土柱 滞回性能研究 刘晓， 鲍俊涛， 王兵 （ 沈阳大学 建筑工程学院， 辽宁 沈阳 ） 摘要： 为研究高温后中空夹层钢管混凝土压弯构件的滞回性能， 采用合理的本构关系， 建立有限元模型， 分析参数主要有 轴压比、 温度、 内钢管屈服强度等， 与试验结果比较， 吻合较好。通过对高温后中空夹层钢管混凝土柱滞回性能的机理分 析， 结果表明： 构件的耗能能力和位移延性系数均随着轴压比和温度的增加而减小； 在加载的前期刚度退化较快， 到后期刚 度退化趋于平缓； 构件的侧向承载力随着轴压比和温度的增加而减小， 曾经历 高温后承载力下降 以上； 而内钢 管的屈服强度对构件的刚度、 延性、 承载力等无显著影响。 关键词： 高温后； 滞回性能； 中空夹层钢管混凝土； 耗能能力； 刚度； 延性 中图分类号： 文献标志码： 文章编号： （ ） ， ， （ ， ， ， ） ： ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ； ； ； 在 个同心放置的钢管之间填充混凝土的复 合构 件 称 之 为 中 空 夹 层 钢 管 混 凝 土 （ 简 称 ） ， 这种新型组合结构是在钢管混凝土的基 础上发展起来的， 它不但具有结构自重轻， 塑性及 韧性好、 截面开展形式灵活、 承载力高等优点 ， 而且中空夹层钢管混凝土在火灾作用下， 外钢管保 护夹层混凝土不会因为高温而发生严重的“ 爆裂” 现象， 内钢管温度的升高由于夹层混凝土的保护作 用会大为滞后； 大量的实验研究表明内管能够对混 凝土提供充分的支撑， 使得中空夹层钢管混凝土构 收稿日期： 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ ） ； 辽宁省百千万人才资助项目（ ） ； 沈阳市科技攻关项目（ ） 通讯作者： 刘晓（ ） ， 女， 辽宁沈阳人， 教授， 博士， 从事结构工程及防灾减灾工程方向的研究； ： 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 件不会因为截面中空而影响其变形能力， 因此中空 夹层钢管混凝土具有良好的耐火性能和抗震性能。 我国是地震和火灾多发国家， 平均每年发生火灾 万起， 平均每年发生 级以上地震 次， 级以 上地震每 年发生 次， 频发的火灾和地震都导致 建筑物严重受损。在中长柱范围内， 如高架桥桥 墩、 海洋平台结构的支架柱和高耸构筑物等对抗震 和抗火性要求较高， 此时实心钢管混凝土构件的力 学性能就不能得到充分发挥， 在该领域中使用中空 夹层钢管混凝土具有很大的优势 。国内外学 者对常温下方套圆的中空夹层钢管混凝土柱的滞回 性能进行了大量的试验研究和理论分析 ， 。但 是目前对于高温后中空夹层钢管混凝土滞回性能的 研究未见报道， 本文拟采用 有限元软件对 文献 中常温下的试验构件进行模拟， 以验证有限 元模型的正确性， 并引入温度对混凝土及钢材力学 性能的影响， 建立高温后混凝土和钢材的本构关系 模型， 分析温度 ， 轴压比 ， 内钢管屈服强度 等因 素对滞回性能的影响。 有限元模型 模型参数选取 方套圆中空夹层钢管混凝土柱滞回性能分析 的主要参数见表 。 表 滞回试件一览表 试件 编号 屈服位移 极限位移 位移延性 系数 注： 为文献 中实验值， 为本文模拟计算值 材料本构 高温后的钢材应力 应变关系采用考虑包兴 格效应的双线性随动强化模型 ， 即弹性段和强 化段； 核心混凝土采用林晓康 修正的本构关系。 混凝土在往复荷载作用下， 当荷载方向改变 时， 混 凝 土 的 弹 性 刚 度 会 有 一 定 的 恢 复，在 中通过恢复权系数 和 来 实现这个特性， 在往复荷载作用下， 混凝土受拉及 受压损伤分别用受压损伤因子 和受拉损伤因子 来描述， 通过 （ ） （ ） （ ）（ （ ） ） （ ） 来计算， 其中 ， ， 。 有限元模型建立 内、 外钢管定义为壳单元， 采用四节点线性减 缩积分格式（ ） ， 为满足网格的精度要求， 沿壳 第 期刘晓， 等： 高温后方中空夹层钢管混凝土柱滞回性能研究 单元的厚度方向采用 个 积分点； 核心混 凝土定义为三维实体单元， 采用八节点减缩积分格 式（ ） 。建模时对各个部件均采用结构化网 格来进行网格划分 。 本文中盖板和夹具设为刚体， 盖板与混凝土之 间的接触定义为“ 硬” 接触， 内、 外钢管与混凝土之 间的接触分为切线和法线 个方向， 切线方向采用 “ 罚” 接触， 法线方向为“ 硬” 接触， 摩擦因数 ； 盖板与混凝土之间采用“ ”的接触方式， 为保证夹具与外钢管之间无相 对运动， 采用“ ” 的约束方式。因为结构及受力 关于 面对称， 因此取半结构进行计算， 约束盖 板中心线 和 方向的位移， 如图 所示， 设置多 个分析步， 循环加载过程中， 各次正向和反向加载 各设置一个分析步， 对跨中加载线进行位移加载。 图 边界条件 模型验证 目前， 尚未见对高温后中空夹层钢管混凝土滞 回性能的试验研究的报道， 为了验证本文采用材料 本构关系的正确性， 结合文献 和 对中空夹 层钢管混凝土在常温下的滞回性能和火灾后（ 高 温后） 的静力性能进行验证。图 为文献 中的 试验得到的荷载 位移关系曲线和有限元计算曲 线的对比， 可以发现试验值和有限元计算值吻合良 好。图 为文献 中火灾后中空夹层钢管混凝 土柱试验测得的荷载 位移关系曲线和有限元曲 线的对比验证， 从图中可以看出， 有限元计算曲线 和试验曲线趋势一致， 试验 中火灾后方中空夹 层钢管混凝土出现下降段是因为经受高温后混凝 土破碎所致， 且试验值和有限元计算值误差仅为 。由此可见， 本文计算结果和试验吻合较 好， 采用的材料本构关系和有限元分析模型是合理 的。另外本课题组还对高温后中空夹层钢管混凝 土的轴压力学性能和纯弯力学性能进行了试验研 究和理论分析 ， 采用的本构关系和本文一致， 取得了较好的计算结果。 图 荷载位移（ ） 关系曲线 （ ） 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 （ ） 圆套圆组合柱； （ ） 方套圆组合柱 图 有限元结果和试验结果对比 中空夹层钢管混凝土滞回性能 耗能能力 图 和图 为本文模拟计算试件的荷载位 移（ ） 关系曲线图， 从中比较分析可以看出： ） 在经受不同恒高温后所有的试件的滞回曲 线都很饱满， 没有明显的捏拢现象， 说明高温后的 中空夹层钢管混凝土具有良好的耗能能力。 ） 当轴压比较小（ ） 时， 滞回曲线有明 显的强化现象， 这种强化现象随着温度的升高逐渐 趋于平缓； 比较同一轴压比的试件在经受不同恒高 温后的滞回曲线可以看出， 随着曾经受温度的升 高， 构件的滞回曲线所包围的面积减小， 即构件的 耗能能力随着温度的升高而呈现减小的趋势； 这是 因为混凝土在经受高温冷却后内部发生开裂， 力学 性能退化， 并且钢材的屈服强度也有所降低， 结果 导致试件的耗能能力降低。在相同温度下， 随着轴 压比增大， 滞回曲线所包围的面积减小， 构件的耗 能能力也有所降低。 ） 随着轴压比的增加， 滞回曲线出现了下降 段， 并且下降的幅度随着温度的升高而加剧， 构件 的位移延性总体上呈现下降。 （ ） ； （ ） ； （ ） ； （ ） 图 不同轴压比下的荷载位移关系曲线（ ） 第 期刘晓， 等： 高温后方中空夹层钢管混凝土柱滞回性能研究 （ ） ； （ ） ； （ ） ； （ ） 图 不同温度下的荷载位移关系曲线（ ） 刚度退化 在往复荷载作用下构件水平承载力的变化主 要是由构件的刚度变化引起的， 因此需要对构件在 初始阶段和使用阶段的刚度变化进行具体分析， 图 和图 为高温后中空夹层钢管混凝土柱在往复 荷载作用下的刚度变化规律， 其中 ， 为初始刚度， 为每级荷载或变形所对应的刚度， 跨中受集中荷载的压弯构件， 在考虑二阶效应的基 础上满足式（ ） 和（ ） ： （ ） （ ） 槡 （ ） 其中 和 表示跨中的荷载和对应的位移； 为 轴力； 为构件的长度， 经过反复迭代可以计算出 初始刚度和每级荷载或变形所对应的刚度。 （ ） ； （ ） ； （ ） ； （ ） 图 各温度下刚度退化关系曲线 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 从图 可以看出， 构件经受恒高温后， 在往复 荷载作用下， 在加载的初期（ ） ， 刚度退化 很显著， 退化幅度较大， 到了加载的后期刚度退化 逐渐趋于平缓。在经受相同高温后， 刚度退化随轴 压比的增大而减缓， 主要原因是随着轴压比的增 大， 截面的混凝土受压区面积增大， 在往复荷载作 用下的绝对拉压循环区的面积减小。 由图 可以看出， 相同轴压比下随着温度的升 高， 刚度退化的趋势在加载的前期加快， 到加载后 期时也趋于平缓， 当曾经受温度不超过 时， 构件在往复荷载作用下的刚度退化曲线基本重合， 刚度退化的程度基本相同， 此时温度对刚度的影响 不显著。 （ ） ； （ ） ； （ ） 图 不同轴压比下刚度退化关系曲线 位移延性系数 本文采用位移延性系数来研究构件的延性。 其表达如下所示： （ ） 其中， 和 分别为构件的极限位移和屈服位移， 由于中空夹层钢管混凝土构件的荷载位移关系 曲线没有明显的屈服点， 所以 取骨架线弹性阶 段延线与峰值点的切线交点处的位移， 而 则取 峰值承载力下降到 时所对应的位移 ， 表 中列出了上述方法确定的构件的屈服位移 ， 极 限位移 位移延性系数 。图 为本文模拟的构 件在高温后得到的延性系数（ 正向） 的变化关系。 从图中可以看出， 位移延性系数随着轴压比的增 大， 总体上呈现减小的趋势； 当轴压比较大和较小 （ 和 ） 时， 构件的位移延性系数随着 温度的增加下降的幅度较常温时较小， 时 平均下降 ， 当 时， 下降幅度较大； 比 较图中各温度下的位移延性系数的变化规律可以 看出， 温度对构件的位移延性系数影响比较显著， 随着温度的升高， 位移延性系数总体上呈现降低的 趋势。 图 不同温度下的位移延性系数变化关系 荷载 位移（ ） 骨架曲线特点 骨架曲线是荷载 位移曲线每级循环加载时 第 次循环的峰值点连成的曲线， 可以大体上反映 构件在整个加载过程中的延性变化和强度变化的 情况， 在本文中引入温度 （ ， ， ， 和 ） ， 轴压比 （ ， ， 和 ） ， 内钢管强 度（ 和 ） 作为主要的 变化参数， 分析这些参数对 骨架线的影响。 图 为高温后中空夹层钢管混凝土构件 的荷载位移骨架线。 第 期刘晓， 等： 高温后方中空夹层钢管混凝土柱滞回性能研究 温度 从图 中可以看出， 在相同的轴压比的情况 下， 随着温度的升高， 构件的承载力总体上呈现下 降的趋势， 在曾经历温度不超过 时， 承载力 下将的幅度较小， 当温度达到 时， 承载力明显 下降， 较常温时下降幅度达到 以上， 且后期没 有出现明显的下降段， 原因是： 温度达到 ， 核 心混凝土由于高温作用， 强度基本丧失， 此时混凝土 几乎不能再承受荷载， 荷载绝大部分转由钢材承担， 因而构件达到峰值荷载时下降段变缓或者几乎不下 降； 构件在弹性阶段和强化阶段的刚度呈现下降的 趋势， 构件的延性位移也越来越小， 但是同一轴压比 下构件的延性却随着温度的升高有所增加。 轴压比 由图 可以知道， 同一温度作用下， 在弹性阶 段时构件的刚度变化不大， 但随着轴压比的增大， 构 件在强化阶段的刚度越来越小， 延性也越来越小， 承 载力随着轴压比增加而减小； 但是在曾经历温度为 时， 构件的延性随着轴压比增大下降并不显 著， 其原因是经受 高温后核心混凝土和钢管 对承载力的“ 贡献” 发生了变化， 钢管对承载力的 “ 贡献” 增大， 而核心混凝土几乎不再承受荷载。 （ ） ； （ ） ； （ ） ； （ ） 图 不同轴压比下的 滞回骨架线 （ ） ； （ ） ； （ ） ； （ ） 图 不同温度下的 滞回骨架线 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 内钢管屈服强度 图 中的构件空心率为 ， 轴压比为 ， 从 图 可以看出， 在各个温度下， 变化内钢管的强度 时， 构件的骨架曲线基本重合， 说明内钢管的屈服 强度的变化对构件的延性、 承载力、 弹性阶段和强 化阶段的刚度及延性位移没有明显的影响。 （ ） ； （ ） 图 不同内钢管屈服强度下的 关系曲线 结论 ） 中空夹层钢管混凝土柱的耗能能力， 随着 轴压比或温度的升高而减小； 刚度退化也随着轴压 比的增加而趋于平缓， 在加载的前期刚度退化较为 显著， 到了加载后期刚度退化趋于平缓。 ） 高温后的中空夹层钢管混凝土柱的位移延 性系数， 随着轴压比的增大而降低， 当 和 时，曾经历温度不超过 时下降幅度较 小， 当 时， 高温后位移延性系数下降幅度较 大。 ） 中空夹层钢管混凝土柱的侧向承载力， 随 着轴压比和温度的增大均显著降低， 当曾经历温度 为 时， 承载力较常温下降 以上； 内钢管 的屈服强度对构件的延性、 刚度和位移延性系数均 没有明显影响。 参考文献： 陈学嘉， 陈梦成， 黄诚圆中空夹层钢管混凝土压弯构 件滞回模型研究 铁道建筑， （ ） ： ， ， （ ） ， （ ） ： 黄宏， 韩林海， 陶忠 方中空夹层钢管混凝土柱滞回性 能研究 建筑结构学报， ， （ ） ： ， ， （ ） ， ， （ ） ： 黄宏， 黄诚， 陈梦成方中空夹层钢管混凝土压弯构件 滞回性能的有限元分析 建筑结构学报， （ ） ： ， ， （ ） ， （ ） ： 韩林海钢管混凝土结构理论与实践 北京： 科 学出版社， ： ， 林晓康 火灾后钢管混凝土压弯构件的滞回性能研究 福州： 福州大学， ： ， 刘威 钢管混凝土局部受压时的工作机理研究 福 州： 福州大学， ： ， 黄宏中空夹层钢管混凝土压弯构件的力学性能研究 福州： 福州大学， 第 期刘晓， 等： 高温后方中空夹层钢管混凝土柱滞回性能研究 ： ， 栾波， 刘明， 尹晓明 钢管混凝土在火灾作用下（ 后） 的 性能 理论与发展 混凝土， ， （ ） ： ， ， （ ） ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： 雷拓， 钱江， 刘成清 混凝土损伤塑性模型应用研究 结构工程师， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： 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 工业建筑， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： 刘晓， 麻路， 王兵 高温后中空夹层钢管混凝土柱轴压 性能研究 铁道科学与工程学报， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： 麻路 高温后中空夹层钢管混凝土构件力学性能研究 沈阳： 沈阳大学， ： ， （ 编辑阳丽霞）