高强钢钢管混凝土柱轴压承载力计算方法.docx

高强钢钢管混凝土柱轴压承载力计算方法.docx

《高强钢钢管混凝土柱轴压承载力计算方法.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高强钢钢管混凝土柱轴压承载力计算方法.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高强钢钢管混凝土柱轴压承载力计算方法

高强钢钢管混凝土柱轴压承载力计算方法

摘要：

为研究高强钢材钢管混凝土轴压构件的承载力计算方法，采用ABAQUS数值模型，对182个高强钢材钢管混凝土轴压试件进行逐一计算模拟，验证了数值模型的有效性。

在补充112个构件算例的基础上，与已有试验数据一同组成样本，基于《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）中的设计方法，提出了适用于钢材屈服强度fy≥450MPa的钢管混凝土轴压短柱承载力与长柱稳定性的计算公式，并给出了计算公式适用的套箍指标θ和径厚比（宽厚比）D/t（B/t）限值，同时基于参数分析给出了钢材强度与混凝土强度等级匹配的设计建议。

关键词：

高强钢；钢管混凝土柱；数值模型；设计方法

钢管混凝土（concretefilledsteeltube，简称CFST）结构是绿色与工业化建筑结构体系的有效解决方案之一，LIEW等[1]、熊明祥等[2]、SKALOMENOS等[3]、UY等[4-5]国内外学者的一系列试验研究表明，应用高强钢材（屈服强度fy≥460MPa）有利于减小CFST构件截面面积、提高结构弹性变形能力，同时仍具有较好的延性，因而有进一步提高CFST结构性能的潜力。

国外亦已有工程案例可以参考[5-6]，而国内对于高强钢材CFST结构，无论是试验研究还是工程应用都鲜见报道。

特别是我国已经建成的一些超高层建筑，虽然广泛使用CFST巨柱作为主要竖向构件，但钢材强度等级一般未超过345MPa[7]。

我国现行《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）[8]、《组合结构设计规范》（JGJ138-2016）[9]等规范尚未包含Q460及以上等级钢材应用于CFST的设计条文，这又在一定程度上限制了高强度钢材在组合结构设计中更广泛的应用。

新版《钢结构设计标准》（GB50017-2017）[10]已开始推荐采用Q460等级的结构钢材，亟待研究和提出采用高强钢材的CFST结构计算方法。

本文作者曾调研过美国规范[11]、欧洲规范[12]以及我国现行《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）[8]中对于CFST轴压试件的设计方法，并收集建立了含有182个高强钢材CFST轴压试件的数据库，用于检验已有计算方法的可推广性[13]。

该研究表明我国现行《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014[8]在更高强度钢材（fy≥460MPa）的轴压短柱试件承载力N0的计算中误差较大，需要修正，而对高强钢材CFST长柱承载力Nu的计算偏差很可能大部分来自于短柱承载力N0的计算误差[13]。

基于以上研究，本文基于试件数据库与数值模型补充算例组成的大规模实例分析，对现有设计方法向高强钢材CFST推广给出了修正建议。

1高强钢材钢管混凝土构件数值模型

综合已有的钢管混凝土有限元模拟研究与大量试算，本文采用ABAQUS建立了针对高强钢材钢管混凝土（concrete-filledhigh-strengthsteeltube，简称CFHSST）构件的数值模型。

其中，采用壳单元S4R模拟钢管，采用实体单元C3D8R模拟核心混凝土。

本构关系上，对高强钢材结合班慧勇等[14-15]在对高强度结构钢材力学性能的研究成果，并考虑用简化模型来提高计算效率，采用双折线模型描述其单向应力-应变关系；对核心混凝土，考虑其受钢管被动约束下塑性性能的改变，采用刘威[16]提出的适用于ABAQUS混凝土塑性损伤模型的核心混凝土受压应力-应变关系。

为验证数值模型有效性，利用Python脚本驱动ABAQUS实现高效的参数化建模，用本文建立的数值模型对182个CFHSST轴压试件[13]进行了逐一的模拟计算，进而对数值模型进行了3个层次的验证：

1）所有试件承载力试验值与计算值进行对比；2）部分荷载-位移试验曲线与计算曲线进行对比[17-21]；3）失效模式对比。

如图1所示。

图1CFHSST数值模型的验证

Fig.1ValidationofCFHSSTnumericalmodel

承载力计算结果误差如表1所示。

表1CFHSST数值模型轴压承载力计算误差

Tab.1ComputationalerroroftheaxialbearingcapacityinCFHSSTnumericalmodel

从计算结果与试验结果的对比可以看出，本文建立的CFHSST数值模型对182个轴压短柱试件的轴压承载力计算预测较好，也可以较为准确地模拟得到荷载-位移全曲线。

图1c）从左至右分别为：

1）方钢管短柱钢管局部屈曲、混凝土压溃破坏；2）圆钢管短柱钢管屈服、混凝土压溃破坏；3）圆钢管长柱整体失稳破坏；4）方钢管长柱整体失稳破坏；5）方钢管中长柱钢管局部屈曲、整体失稳耦合破坏。

可见数值模型可以准确模拟出各种长细比CFHSST轴压试件的典型破坏模式。

2高强钢材钢管混凝土构件承载力计算公式

2.1算例补充

对于短柱，主要针对试件数据库中钢材屈服强度fy相对缺失的参数范围进行了算例补充。

对于方钢管截面与圆钢管截面，均补充了fy分别为620MPa、650MPa、670MPa、700MPa、720MPa，对应混凝土强度f′c分别为20MPa、40MPa、60MPa、80MPa的算例各20个。

同时为了探究钢材等级与混凝土等级的组合效率，对460MPa、550MPa与690MPa等级的钢材分别匹配20MPa、40MPa、60MPa、80MPa、100MPa的混凝土，设计了方、圆钢管截面各15个算例。

此外还设计了宽厚比29至67的不同钢材屈服强度的方钢管算例6个与D/t（B/t）在33~80之间的不同钢材屈服强度的圆钢管算例6个。

以上共补充短柱算例82个。

对于长柱，主要针对试件数据库中正则化长细比λn相对缺失的参数范围进行了算例补充。

对于方钢管截面，补充了λn在0.8~1.7之间的分别对应460MPa、550MPa、690MPa等级钢材的15个算例；对于圆钢管截面，补充了λn为0.8~1.8之间的分别对应460MPa、550MPa、690MPa等级钢材的15个算例。

共补充长柱算例30个。

以上共补充算例112个，与前述182个试件，共同组成推广修正设计公式的数据。

2.2短柱轴压承载力公式推广修正

将《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936—2014）[8]中钢管混凝土短柱截面组合材料强度fsc的公式展开可以写为：

表2CFHSST短柱承载力公式多变量回归显著性检验

Tab.2MultivariateregressionsignificancetestoncapacityequationsofCFHSSTshortcolumns

可以看出，含f′c、fy的项在统计上对fsc /f′c影响不显著。

fsc /f′c对θ的散点图与线性回归结果如图2所示。

图2CFHSST短柱承载力公式线性回归

Fig.2UnivariateregressionofcapacityequationsofCFHSSTshortcolumns

可以看出，CFHSST短柱组合材料强度与套箍系数θ存在线性关系。

线性回归后，拟合优度R2较表3、表4中考虑f′c、fy影响的多变量模型下降不多。

故对于CFHSST构件，本文建议用下面公式计算短柱轴压承载力：

这里的混凝土强度采用的是混凝土圆柱体抗压强度平均值f′c，因为是统计回归公式，若采用其他混凝土平均强度指标，需要在公式系数上乘以相应换算系数。

表3比较了现行规范计算公式与修正后公式对CFHSST短柱计算的准确率。

表3修正后设计公式与现行规范公式对比

Tab.3Comparisonofveracitybetweenthemodifiedandtheoriginaldesignformulas

2.3长柱轴压承载力稳定性公式推广修正

基于58个方钢管与圆钢管CFHSST长柱试验数据和30个方钢管与圆钢管CFHSST长柱补充算例数据，采用前面建议的公式计算其对应的短柱承载力N0，利用φ=Nu/N0得到88个长柱试件的稳定系数，与《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）[8]中采用的轴压整体稳定系数曲线进行对比，如图3所示。

其中正则化长细比按照《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）[8]中相关方法计算。

由图3可以看出，对于方钢管CFHSST长柱，《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）[8]现有CFST柱子曲线偏于安全，可以推广到CFHSST。

但对于圆钢管CFHSST长柱，《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）[8]现有柱子曲线用于设计可能得到不安全的结果，这可能是由于短柱承载力N0偏大，圆钢管混凝土短柱约束好、承载力高，但整体失稳行为决定于组合截面刚度，与这种约束作用关系不明显。

图3CFHSST长柱稳定性整体曲线修正

Fig.3ModificationofcolumncurveofCFHSSTslendercolumns

若仍用上一小节提出的短柱承载力公式计算N0，建议取下面修正的整体稳定系数曲线计算CFHSST长柱承载力：

式中：

正则化长细比λn定义见2.1；φ0为Perry-Robertson公式决定的整体稳定系数；φ为修正后整体稳定系数

2.4基本设计规定建议

基于CFHSST短柱的124个试验数据与82个补充算例数据，依次考察本文提出的短柱轴压承载力修正设计公式适用的钢材屈服强度fy、套箍系数θ、径厚比（宽厚比）D/t（B/t）的变化范围，如图4所示。

图4修正后CFHSST设计方法参数适用范围检查

Fig.4ExaminationonthescopeofthemodifiedCFHSSTdesignmethod

可以看出，算例的钢材屈服强度参数基本均匀覆盖450~850MPa的范围，且计算结果没有明显偏于高估或低估承载力的趋势。

修正后的CFHSST短柱轴压承载力计算公式可将允许的钢材屈服强度扩展至850MPa，这对采用450MPa等级及以上钢管的CFHSST短柱适用。

CFHSST通常会具有更高的套箍系数。

图4中的算例和试验结果的套箍系数θ参数基本均匀覆盖0~10的范围，且计算结果没有明显偏于高估或低估承载力的趋势，修正后的CFHSST短柱轴压承载力计算公式可将允许的套箍系数θ上限扩展至10，对采用450~850MPa等级钢管的CFHSST短柱适用。

《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）[8]中对于方钢管CFST正则化D/t（B/t）的限值为60，对圆钢管CFST正则化D/t（B/t）的限值为123。

从图4可以看出：

一方面，当正则化D/t（B/t）大于原限值后，计算结果都整体高估承载力；另一方面，试验和计算数据有效覆盖的正则化D/t（B/t）参数范围都未出现过大的计算误差。

因此，本文认为《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）[8]原有的正则化D/t（B/t）限值对采用450~850MPa等级钢管的CFHSST构件仍适用，而尚无可靠依据足以说明提高此限值对CFHSST构件仍能保证安全。

2.5钢与混凝土组合效应与材料强度等级匹配分析

基于20MPa、40MPa、60MPa、80MPa、100MPa的不同等级混凝土分别匹配460MPa、550MPa与690MPa等级钢材的方钢管短柱算例进行参数分析，进一步考察应用高强钢材给CFST带来的力学性质的改变。

《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）[8]中将钢管混凝土视为组合材料，其材料强度fsc=Nu/（As+Ac），fsc与材料强度按照面积加权平均得出的平均强度的比值，可以用来衡量钢管与混凝土组合的强度提高效果。

定义组合效应系数为：

将组合效应系数k作为材料强度参数分析中的因变量，以方钢管CFHSST短柱为例，参数分析结果如图5所示。

图5钢材强度对组合强度的影响

Fig.5Influenceofsteelstrengthoncompositestrength

可以看出：

一方面，对于高强混凝土（80MPa及以上），应用高强钢材会提高组合强度，而对普通混凝土（40MPa及以下）这种效应变得不明显。

而钢材与混凝土强度的高低是相对的，可以推断，对高强混凝土，进一步提高钢材屈服强度，组合强度提高的效应也会趋于不明显。

如果从两种材料协同工作的机理上分析，高强钢材的弹性极限应变较大，受钢管约束混凝土极限应变提高并不明显。

在混凝土压溃时，钢管刚开始发展塑性，甚至未发展塑性，而混凝土压溃后构件很快就会到达极限状态。

所以这时进一步提升钢管强度难以再提高组合强度，这种情况下钢管的强度并不能完全发挥。

对所有短柱数据，按式（6）计算其组合效应系数k，并对fy、f′c进行二次曲面拟合以观察变化趋势，进而归纳出材料强度等级匹配的建议。

散点与二次曲面趋势拟合如图6所示。

图6钢与混凝土组合效应与材料强度等级匹配的相关性

Fig.6Therelationshipbetweencombinedeffectandstrengthgradesofmaterials

可以看出，对具有一定强度的混凝土，采用高强钢材并不意味着组合效率的提高，对强度相对较低的混凝土应用高强钢材，反而会降低组合效率。

进一步给出钢材与混凝土的匹配建议：

对不超过120MPa等级的混凝土，所用钢材等级不宜超过800MPa。

本文提出的设计公式与设计建议汇总整理在表4中，表中参数的定义见文献[8]。

表4设计公式与设计建议汇总

Tab.4Summaryofdesignformulasanddesignrecommendations

3 结 论

本文采用ABAQUS数值模型，对182个高强钢材钢管混凝土轴压试验试件逐一进行计算模拟，验证了数值模型的有效性。

可以得出以下主要结论：

（1）CFHSST轴压短柱的组合材料强度与混凝土强度比值fsc/f′c与套箍系数θ的关系可用线性模型描述。

本研究提出适用于CFHSST轴压短柱承载力计算公式，对于已有试验数据，其平均误差较文献[8]中公式降低了21%，误差的标准值降低了14%。

（2）文献[8]中的轴压构件整体稳定φ0-λn曲线对于方钢管CFHSST长柱偏于安全可以应用，但对圆钢管CFHSST长柱偏于不安全。

本研究建议对圆钢管CFHSST长柱采用修正的φ0-λn曲线。

（3）在采用本文提出的设计公式时，文献[8]正则化宽厚比（径厚比）限值对采用450~850MPa等级钢管的CFHSST构件仍适用，但尚无可靠依据足以说明可以对CFHSST提高此限值。

（4）对低强混凝土使用高强钢材会降低组合效率，高效组合意味着应用高强钢管的同时需要搭配高强混凝土。

对不高于120MPa等级的混凝土，所用钢材等级不宜超800MPa。