空腹箱形钢骨混凝土构件的抗扭性能研究

1. 前言

钢骨混凝土构件具有承载力高、延性好、刚度大、抗火性能好等诸多优点，在实际工程应用较为广阔。目前对于常规的工字型和十字型钢骨混凝土的研究报道已经比较多见，相应的计算理论也日趋完善[1]，但对于采用空腹箱形钢骨混凝土（典型截面如图1所示）的研究尚少见报道。与普通的钢骨混凝土梁相比，空腹箱形钢骨混凝土能够获得更高的强度和重量比，当用作逆作法水平支撑构件时，在混凝土未浇注之前，空腹钢箱具有比普通钢骨更大的平面外刚度，施工时减少支撑，加快施工速度，且钢箱内部中空，有利于管道和线路预埋。同时空腹箱形钢骨混凝土具有截面开展、抗弯刚度大、自重轻和防火性能好等特点, 也适用作海洋平台支架柱和桥墩，因此这类构件具有很好的工程应用前景。

以往，文献[2]进行了空腹箱形钢骨混凝土梁的试验研究，研究结果表明，这类构件具有较好的承载能力和延性。文献[3]进行了5个空腹箱形钢骨混凝土纯扭构件滞回性能的实验研究，实验考虑的主要参数为截面尺寸和钢管外混凝土厚度，研究了这类构件耗能能力和刚度退化规律。但这类构件抗扭性能的理论分析少见报道，研究其抗扭性能有助于对这类构件在压、弯、扭复合受力状态下工作性能的了解。

文献[2]的研究成果为本文研究提供了珍贵的实验数据，本文利用ABAQUS软件对空腹箱形钢骨混凝土构件在受扭矩作用下的荷载-变形关系曲进行计算，计算结果与实验结果基本吻合，在此基础上，对空腹箱形钢骨混凝土的纯扭构件工作性能进行了分析。本文研究方法和结论为为相关研究提供参考。

2. 有限元计算模型

钢管和钢筋采用ABAQUS软件[4]中提供等向弹塑性模型，满足Von Mises屈服准则，这种模型多用于模拟金属材料的弹塑性性能。钢材采用理想弹塑性模型，弹性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3。混凝土采用ABAQUS软件中的塑性损伤模型[4]，弹性模量按现行《混凝土结构设计规范》取值，弹性阶段泊松比取0.2。混凝土的单轴受压模型采用Attard（1996）[5]提出的模型，该模型经过了大量的实验验证，且形式较为简单、适用范围广等优点。Attard（1996）提出的混凝土模型的数学表达式如下：

上式中，Ec为混凝土弹性模量，fic和eic为曲线下降段的反弯点对应的应力和应变值，按下式确定：

钢管采用四节点减缩积分格式的壳单元(S4R)，为满足一定的计算精度，在壳单元厚度方向，采用9个积分点的Simpson积分（缺省值为5个积分点）。钢筋采用Truss单元，采用ABAQUS软件中的Embedded Region命令将其嵌入混凝土中，不考虑钢筋与混凝土之间的滑移。混凝土均采用了采用八节点减缩积分格式的三维实体单元（C3D8R），虽然这种单元与其它高次等参单元相比，计算精度稍低，但却可以减少很多自由度，从而可以大大节省计算时间，从计算的经济性出发，混凝土采用C3D8R单元。

单元网格采用细分网格的网格实验方法，确定合适的网格。图2给出了空腹箱形钢骨混凝土构件的有限元分析模型。在对纯扭构件荷载-变形关系曲线进行计算时，采用一端自由，一端固定的边界条件。计算时，采用在非固定边界施加位移方式，并采用增量迭代法进行非线性方程求解。

图2 有限元分析模型

3. 计算结果与实验结果的比较

采用以上有限元计算模型，可较为方便的对这类构件进行分析。图3给出了有限元计算的典型纯扭构件的变形云图。空腹箱形钢骨混凝土中钢管与空钢管二者的破坏模态有较大的区别，空钢管在纯扭状态下，在钢管内将产生沿钢管轴线成45o方向将产生主拉应力和主压应力，使得钢管管壁沿45o方向产生斜向凸曲，最终形成塑性铰而破坏，空腹箱形钢骨混凝土中钢管由于外部钢筋混凝土的存在，表现出更好的塑性和稳定性，没有明显屈曲现象。

为验证本文有限元模型的正确性，对文献[3]进行的空腹箱形钢骨混凝土纯扭构件的实验数据进行了验算，表1给出了试件的具体参数，更详细的参数详见文献[3]。纯扭构件计算曲线与实验曲线的对比如图4所示，可见，计算结果与实验结果基本吻合，在弹性阶段，计算结果与实验结果差别较大，可能的原因为：有限元分析模型没有考虑实验过程中的偶然偏心和试件的几何初始缺陷等。

图3 典型空腹箱形钢骨混凝土纯扭构件的变形云图

表1给出了试件抗扭极限承载力的实验值和计算值，所有计算值与实验值比值的平均值为1.045，可见计算值比实验值稍大，原因在于：有限元模型中的混凝土塑性损伤模型无法考虑混凝土压碎后开裂并退出工作。在以后的研究过程中，应进行不断修正和完善。

表 1 空腹箱形钢骨混凝土试件表 [3]

试件	箱形钢骨截面 b×h×t(mm)	试件截面 D×B(mm)	钢骨屈服强度(MPa)	试件长度L (mm)	承载力Tue (t.m)	承载力Tce (t.m)
T-15	150×150×6	450×450	294	1620	13.25	14.9
T-11	150×150×6	370×370	294	1620	9.12	10.05
T-07	150×150×6	290×290	294	1620	6.94	6.68
B-15	200×150×6	370×420	294	1620	12.18	12.39
B-10	200×100×6	320×420	294	1620	8.99	9.18

图 4 计算曲线和实验曲线比较

4. 纯扭构件荷载-变形关系全过程分析

图5为空腹箱形钢骨混凝土纯扭构件的典型T-q关系曲线，T为扭矩，q为构件总的扭转角。根据空腹箱形钢骨混凝土纯扭构件的工作性能，曲线大致可分为以下三个阶段：

（1）弹性阶段（OA）：在此阶段，扭矩与转角成线性关系，A点大致相当于钢材进入弹塑性阶段的起点。

（2）弹塑性阶段（AB）：在此阶段，B点处对应的钢管最大纤维压应力达屈服点，部分截面进入塑性发展区域。

（3）塑性阶段（BC）：此阶段，钢管屈服区不断向内发展，混凝土的裂缝也不断开展，截面进入塑性的区域不断增大，钢筋笼中箍筋的应力仍在不断增加。由于内部钢骨的存在和外部钢筋笼的约束作用，曲线仍觉有较好的延性。

以上，T-q关系曲线上A点、B点和C点对应构件应力分布云图如图6所示（图6的计算条件为表1中的T-15试件），从图6可见，外围混凝土的剪应力较大，钢筋笼中箍筋的应力比纵向钢筋要大。

图6受力各阶段截面的应力分布云图

5. 结论

在本文研究参数范围内，可得到如下初步结论为：

• 在采用合理的本构关系模型的基础上，利用有限元软件ABAQUS对空腹箱形钢骨混凝土纯扭构件荷载-变形关系曲线进行了计算，计算曲线与实验曲线进行了比较，基本吻合；
  
• 在此基础上，对空腹箱形钢骨混凝土纯扭构件的工作性能进行分析，分析了受力各阶段截面的应力状态。分析结果表明，这类构件具有较好的延性性能。
  

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