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分析循环荷载作用下钢骨钢管混凝土柱（SRCFST）
许昌，⇑，魏有仪B，燕春云B

摘要
一种新的复合柱形，钢筋钢管混凝土柱钢（SRCFST）已经提出了更高的负载进行。本文提出了一种循环数值研究轴SRCFST列的基于ABAQUS标准求解。通过与实验结果的比较，验证了数值计算方法的可行性和准确性。这个横向位移，载荷曲线和截面应力分布进行了分析。结果表明，在SRCFST列有更高的试件刚度、横向载荷峰值和变形能力比普通钢管混凝土钢管混凝土柱由于截面钢的存在。一个参数研究，包括轴向载荷水平，截面钢的比例，屈服强度的影响建筑钢材，峰值荷载混凝土强度、钢管厚度进行了。

1. 简介

在过去的几十年中，钢管混凝土（钢管混凝土）结构被广泛应用于现代建筑和桥梁建设1–[ 3 ]，即使在高地震危险区。这个C复合结构的理想结合了钢管和混凝土的优点，即建设和高强度的速度。此外，它们具有更轻的重量，更高的抗弯刚度，和良好的循环性能比钢筋混凝土施工。近年来，一个大的结构或一组结构出现在中国和其他一些地方。随着跨度的增加一列的横截面和高度，往往设计更大，以提供更高的承载能力。例如，钢管混凝土柱在深圳赛博广场直径达到第一的故事1600毫米。这样一个大面积的列结果在减少有用的室内面积。
钢骨混凝土（SRC）结构的成员是由混凝土、型钢、纵向钢筋和横向钢筋组成。他们被广泛使用，由于他们的优势，在长期高截面强度。然而，这是一个非常复杂的过程。
一种新的复合柱形，钢筋钢管混凝土柱钢（SRCFST），最近已经提出[4,5]。新的列由一个钢筋混凝土内和一个圣鳗鱼管外，如图1所示。本组合柱和外钢管均采用无钢筋的使用，使混凝土和节钢共同作用。这个新的列是一个结合的型钢混凝土柱、钢管混凝土柱的优点，从而实现一个高性能的结构件。
现有的研究主要集中在力学性能SRCFST列在轴向荷载作用下或是在理论分析和试验–[ 4 ] 7弯。与田人的研究比较上述，较少的实验研究已经进行了在SRCFST列行为循环加载[ 8 ]下。
为了给这些新列的进一步认识，在这方面的贡献，ABAQUS/Standard求解器来了解和预测在循环LO SRCFST列电阻增加。通过比较五个测试样本的实验观察的计算结果进行验证的数值方法。参数化研究，包括厚度钢管、型钢钢比、型钢和混凝土强度，屈服强度，也进行了。

2. 数值模拟

2.1. 材料的性能
钢是假定为弹性应变硬化后屈服强度的弹塑性材料。米塞斯屈服面是用来定义各向同性屈服的钢材料和模型假定相关的塑性流动。为了描述钢在循环荷载作用下的行为，采用线性运动硬化模型对组合柱进行建模。钢性能的SP指定在ABAQUS包括钢的杨氏模量（ES），泊松比LS和屈服强度。采用1%种屈服后的硬化刚度。
用于分析[ 9 ]定义标准ABAQUS损伤塑性模型。通过采用有限元法，在三轴加载的状态下的强度改善，可以实现由的屈服面和塑性行为的定义，描述来自核心混凝土的等效应力应变关系–。许多应力-应变模型已经提出了[ 13 - 10]。广泛接受的等效应力-应变模型，提出的韩等。[ 14 ]是在本文中使用的，这是基于大量的测试结果。由于该模型已被完全记录的韩等。[ 14 ]，所以我们只简要介绍如下：

泊松比LC在混凝土单轴压缩应力下的弹性部分，范围从0.15到0.22，与0.19的代表值，根据ASCE [ 15 ]。在这个数值模拟，泊松比的混凝土是0.19。的其它参数，如膨胀角，偏心率，双轴压缩强度的混凝土的单轴抗压强度，类风湿关节炎TiO第二应力不变量对拉伸经络，经络和压缩粘度参数通过ABAQUS [ 9 ]默认。
对于混凝土在循环荷载作用下，对混凝土塑性模型中的拉伸行为进行了定义。混凝土核心的等效应力-应变关系用过[ 16 ]提出的张力：

2.2. 有限元网格和边界条件

三维八节点线性砖和沙漏控制实体单元缩减积分（C3D8R）已被证明可用于混凝土混凝土[ 17–1最有效的元素类型9】钢管、壳单元和实体单元在前人研究工作[ 14、17 ]采用。在本文中，元素的C3D8R还用于钢管和型钢对EAS模型设置。建立了一系列不同尺寸的有限元模型，选择合理的网格，提供准确的结果，较小的计算时间。它被发现，一个网格尺寸为20毫米的混凝土芯合适。钢管和截面钢的网格尺寸为18毫米。图8给出了试验装置示意图[ 2 ]。图3显示核心混凝土的单元划分示意图（图3A），型钢（图3b）钢管（图3C），和组合柱（图3d），只有半个柱模型由于复合柱的对称性。

表面的相互作用是用来表示的钢管和混凝土之间的接触。2表面的法线方向是硬接触，并且接触面是模拟的库仑摩擦模型。混凝土和钢管之间的硬接触可以防止表面之间的分离。选择的摩擦系数是困难的，因为没有标准测试程序，以确定它。根据现有的研究[ 19 - 14 ]，在轴向压缩下的钢管混凝土柱的摩擦系数为0.5至0.3。在本文中，不同从0.1到0.7不等的摩擦系数进行了选择，以探讨其对柱的行为的影响。结果表明，摩擦系数在柱行为中起着不小的作用。一个有限收敛问题诱导时的摩擦系数大于0.8。因此，摩擦系数为0.6，建议实现快速收敛。
“嵌入”约束中定义的区域用ABAQUS有限元软件描述接触之间的混凝土和钢。
图3所示的边界条件，第一应用于弹性模量为1010兆帕的弹性模量和泊松比为0.0001和保持恒定在整个计算过程的中间线。水平位移中线的弹性端板也固定。在指定的位移，使用边界条件下，在一个指定的位移在柱中高度的对称平面的水平荷载施加的应用不同的增量步。

2.3. 模型的验证

为了验证数值模型的准确性，在前面的章节中所描述的复合材料列，五先前公布的测试样本[ 8 ]用于比较的目的。这些五的种类可分为两组（12和hc14）根据型钢截面面积。在每个试样组，轴向载荷水平范围从0.5到0.66。几何与配偶所有试样材料参数列于表1。在这张桌子上，再生率和FY2为钢管的屈服强度和型钢，分别。风机盘管是有限的立方体强度混凝土。
应该注意的是，“+”钢是由2个'I'钢在测试中。在测试中使用了2种类型的“I”钢。图4给出了计算循环荷载的比较（P）与侧梁检验曲线与试验曲线。可以发现，一般良好的协议之间的预测和测试结果。这证实了目前的数值模型，可以使用TH的信心来模拟循环荷载作用下在SRCFST列的行为。

3.分析和讨论

3.1. 完整的曲线分析

复合材料柱的计算循环荷载（P）与侧向挠度（δ）曲线大致可以表现为四个不同的过程、加载、卸载、反向加载和反向加载卸载过程，如图5所示。计算条件在表2中列出。典型的磷的包络曲线图6。可以看出，包络线由三天组成不同阶段、弹性阶段、弹塑性阶段和峰后阶段。

(1) 弹性阶段：（从0点到1点）。在这个阶段中，对后来的位移曲线的负载显示线性行为。钢管和节钢是在弹性阶段。作为结束的增加位移，钢管屈服点1。
(2) 弹塑性阶段：（从1点到2点）。试样的刚度偏离其初始值，响应变为非线性。图7显示了纵向的分布应力（S33中图）在截面曲线在达到点1和点2。发现在受压区的钢管开始屈服首先后来位移反应对1点。压缩区混凝土的应力超过了钢管的约束强度。截面应力和截面的受压区钢低于钢管。对于节钢，没有发生在点1。随着侧向位移的增加，钢管的屈服区域和拉伸强度都有混凝土芯的增加和曲线刚度逐渐减小。截面钢的应力也增大。当曲线达到2点时，钢的屈服发生。点3指的是复合柱的峰值侧向荷载。
(3) 峰后阶段：曲线下降3点。

3.2. 型钢分析

型钢的存在是一个特殊字符SRCFST柱和显着的差异，相对于普通钢管混凝土（钢管混凝土）柱。因此，钢的作用是在本节中详细讨论。还模拟了钢管混凝土柱的目的。它的材料和几何参数是相同SRCFST列。
图8显示的纵向应力分布（S33中图）在截面的混凝土芯的两方钢管混凝土柱与SRCFST列当钢管压区达到屈服强度（指图6所示的点1）。从这些数字可以发现，一般来说，在钢管混凝土柱的混凝土截面受拉区大致等于SRCFST柱。然而，在SRCFST柱混凝土截面受拉区低于钢管混凝土柱时，曲线达到3点。这是因为该节钢可以容纳外部负载防止拉伸带的进一步扩大。
它也可以发现最高的纵向应力（S33中图）在混凝土芯的截面为SRCFST列中心附近。对于钢管混凝土柱，最长在混凝土芯的截面纵向应力接近柱的受压翼缘，如图8所示。这有助于该节钢的法兰可以提供一些围压效应。因此，在SRCFST列具有明显较高的比刚度和屈服强度的钢管混凝土柱，如图9所示。

3.3. 参数的研究

影响在SRCFST列行为的可能的参数是轴向负荷水平（N），型钢比（A）、型钢的屈服强度（FY2），钢管的厚度（t）和混凝土等强度（FCK）。在实验中，只有五个样本进行测试。为了进一步理解这样的复合柱的力学性能，这些参数的影响进行了分析。

3.3.1. 截面钢的影响

在本文中，节钢的比例（甲）被定义为如下：

计算P–δ包络曲线在SRCFST列有不同比例的钢呈现在图9。的值范围从0.03到0.13，根据可用的测试数据。超视距与表2中所列的参数相同。在数值模型中，值的范围从0到0.2。当钢的比例是零，试样是常见的CFST柱。可以看出，增加的值的一个线索，在峰值横向载荷和试样刚度的增加。在峰值负载的相应的横向位移也增加增加一个，如图10所示。
双组试样的不同比例的钢（α= 0.1和α= 0.01）为蓝本，在每个组中，屈服强度的节钢范围从235兆帕至450兆帕。其他参数和表2所列的相同。图11节钢的屈服强度对峰值荷载的影响。可以发现，较高的型钢屈服强度增加的结果根据高峰负荷。我们可以从图11，当FY2 235 MPa，峰值荷载为40 kN的差异。不同的是119千牛FY2当MPa。这有助于使截面的屈服强度对钢有较高的价值，可为试样的峰值载荷贡献更多。

3.3.2. 轴向载荷水平的影响

为了研究轴向载荷水平的影响，我们选择了0个不同的轴向载荷水平，0.3，0.8，0.5，0.6和五，设置模型，同时保持在表2中列出的其他参数常数。计算P–D包络曲线的不同轴向负荷水平SRCFST列如图12所示。可以发现，这些试样的行为类似于线性阶段。然而，这些曲线在非线性阶段有明显的刚度差异。较高的轴向负荷水平会导致较低的刚度。当斧子产生后，横向载荷逐渐减小特殊荷载水平超过0.3的价值。在峰值侧向荷载作用下的相应的横向位移分别n = 0, 0.3, 0.5, 0.6 and 0.8 are 20.1, 18.4, 15.7 and 10.3 mm,。这有助于更高的轴向负荷水平也降低了试样的变形。

3.3.3. 混凝土强度的影响

图13中所示的混凝土强度对峰值侧向荷载的影响。混凝土强度范围从30兆帕至70兆帕。从图13可以看出，峰值荷载随混凝土强度的增加而增加。

3.3.4. 钢管厚度的影响

在这一节中，钢管的厚度是可变的，其他的参数与表2中所列的相同。计算峰值负荷与管壁厚度增加了图14。表明较高的钢管壁厚会导致较高的峰值荷载。

4. 结论

在循环加载SRCFST列的力学性能是通过ABAQUS求解器研究。通过对比验证了数值计算方法的可行性和准确性计算结果与实验结果。在本研究工作的基础上，得出以下结论。
（1） 本节钢的存在可进行横向荷载，减少混凝土截面的拉伸带。因此，在SRCFST列有比较高的刚度和横向载荷峰值即使有相同的几何和材料参数，他共同的钢管混凝土柱。型钢也可以提升一个SRCFST柱的变形能力。
(2) 本节钢的法兰也可以提供一些围压作用于混凝土内部。最高的纵向应力混凝土截面SRCFST列在本节法兰钢。
(3) 该参数也进行了研究，分析型钢比的影响，型钢的屈服强度，轴向负荷水平，钢管和混凝土强度对峰顶厚度对L加载SRCFST列。

致谢

本文的研究报告是由河南省重点学科基金资助（编号：504906）和河南理工大学博士基金（b2009-2）。金融支持高度赞赏。我们也很感谢审稿人提供的建议和意见，为稿件修订。

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