摘要：提出用加筋圓鋼管代替一般的圓鋼管。主要對加筋圓鋼管混凝土短柱的承載力進行分析，同時對加筋和不加筋兩種圓鋼管混凝土構件的承載力及應力場的變化用有限元分析軟件進行對比。
　　關鍵詞：加筋圓鋼管混凝土；軸心受壓構件；有限元分析
　　
　　鋼管混凝土在土木工程中已被廣泛應用，它是在鋼管中填充混凝土而形成組合構件。鋼管混凝土的基本原理是借助圓形鋼管對核心混凝土的套箍約束作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態，從而使核心混凝土具有更高的抗壓強度和壓縮變形能力。鋼管混凝土除具有強度高，重量輕，延性好，耐疲勞，耐沖擊等優越力學性能外，還有省工省料，架設輕便，施工快速等優點。鋼管混凝土是在勁性鋼筋混凝土及螺旋配筋混凝土基礎上演變和發展起來的。
　　根據《鋼與混凝土組合結構設計與施工手冊》等資料以及實驗可以看出，鋼管混凝土的破壞過程是：鋼管屈服，核心混凝土失去側向約束力而破壞，最終導致組合構件喪失承載能力。本文根據普通圓鋼管混凝土的破壞特征，對鋼管進行了側向加筋。通過普通鋼管混凝土與加筋鋼管混凝土的承載能力的試驗比較以及有限元分析，提出了在工程是提高鋼管混凝土承載能力及變形能力的措施。
　　1、試驗及試驗結果
　　(1)試件及試件的制作：試驗采用普通鋼管混凝土及加筋鋼管混凝土兩組。A組為普通鋼管混凝土，B組為加筋鋼管混凝土，各一個試件。試件的基本特征系數見表1。
　　(2)試件加載設備及加載速度：試驗采用2000KN壓力機，對鋼管混凝土分級施加軸向壓力，每級100KN，至試件破壞。加載過程中間分級記錄鋼管混凝土的應變值及試件的軸向變形。
　　(3)試驗現象及破壞狀態：A組試件加載前期，試件無明顯變形，加載至600KN后，電阻應變片破壞，800KN后，試件豎向尺寸明顯減小。橫向向外膨脹，加至850KN后，試件首先在上下端鼓曲，850KN后，是間亦鼓曲。B組，加載前期與A組相似，明顯與A組不同這處是：加載至870后，試件才上下端鼓曲，試件的豎向尺寸變化明顯小于A組試件3)。
　　表1.試件基本特征參數
　　試件編號 D╳t╳L（mm） fy
　　(Mpa) fck
　　(Mpa) ξ 是否加筋 Ne
　　(KN) Nc
　　(KN) Δu
　　(mm)
　　A-1 112╳4╳250 235 20 1.86 否 616 600 61
　　B-1 112╳4╳250 235 20 2.01 是(Φ6) 656 700 18
　　(4)結果分析：根據試驗結果可知加筋的鋼管混凝土承載力有所增加，實現了較小的用鋼量帶來了承載力的提高的效果。加筋后的鋼管混凝土變形明顯減小，變形能力得到了增強。
　　2、由于鋼管混凝土是由鋼和混凝土兩種不同性質的材料組成，它的力學性質明顯地依賴于材料各自的特性，用傳統的解析方法分析構件，只能解決構件的最終承載力，而對于各個階段的承載力和受力過程的變形等情況卻無法了解。對于大量的構件的彈性分析，只能借助于有限元這類的數值分析方法。通過進行有限元分析(包括線性和非線性)有如下幾個意義：
　　(1)通過設置合理的本構關系，可以在計算模型中分別反映混凝土和鋼材的非線性特性；(2)可以考慮或模擬鋼與混凝土這間的粘點；(3)可以在一定程度上模擬節點的構造和邊界條件；(4)可以提供大量的結構反應信息，例如應力、應變、位移等，借助于先進的計算機圖像表現技術，還可以直觀地看到結構受荷載后從彈性變形到開裂破壞的全過程，為進行合理的設計提供形象的依據；(5)可以部分代替試驗，進行大量的參數分析，為制定設計規范和標準提供依據；
　　3．有限元的計算步驟：(1)鋼和混凝土之間無滑移；(2)不考慮混凝土的收縮、徐變的影響；(3)不考慮鋼管局部屈曲（此時鋼管處于彈性極限狀態附近）；(4)平截面假定。加筋鋼管混凝土與一般的鋼管混凝土的有限元法一樣，其計算步驟可以分如下：
　　本文采用四邊形截面整個圓環為單元每結點有兩個自由度，四個結點共有八個自由度，基本未未知量為結點位移：{δ}={}
　　單元內任一點的應力-應變和位移可表示為：{σ}={σσσ}{ε}={εε}
　　單元分析的任務是確定以下幾組關系：
　　(1)單元內任一點的位移{f}和單元結點位移{δ}的關系：{f}=[N]×{δ}，其中[N]為形函數矩陣，[N]=[NNN]
　　(2)用結點位移表示單元應變的關系式：{ε}=[B]×{δ}，其中[B]為單元應變矩陣，[B]=[BBB]
　　(3)用結點位移表示單元應力的關系式：{σ}=[S]×{δ}=[D]×[B]×{δ}，式中[D]，[S]，分別是單元材料有關的彈性矩陣，應力矩陣。
　　(4)單元結點為[F]和單元結點位移{δ}之間的關系為：{σ}=[S]×[S]{δ}
　　(5)利用虛功原理建立作用于單元上的結點位移之間的關系式，即單元的剛度方程。{R}=[K]×{δ}式中[K]為剛度矩陣；
　　(6)根據[k]組裝成總體剛度矩陣[K]；
　　(7)引入支承約束條件（邊界條件）；
　　(8)建立平衡方程[K]{δ}={R}式中{R}總體旬荷載列陣，由各單元外荷載組裝而成；{δ}總體結點位移列陣；[K]由各單元剛度矩陣組裝布成的總體剛度矩陣。
　　(9)求解總體平衡方程式。在不熟得基本未知量結點位移后，可根據式（a）式（d）求得各單元中任意一點的位移、應變和應力。
　　有限元分析步驟：本文主要應用ANSYS的彈塑性分析。
　　彈塑性分析步驟：①前處理建立模型；②加載并求解；③后處理，分析結果；
　　1、 處理、建模
　　按照構件的受力條件，形成圖2所示的模型：外壁為圓鋼管，內為混凝土，兩者均采用三角形單元，鋼與混凝土假定為無粘結滑移，用“Glue”命令粘合在一起，共同變形。為合理地模擬實際情況，鋼管的一端采用固定支座，另一端則施加壓力荷載。由于鋼管厚度與混凝土直徑相比相差較大，故對于鋼管采用殼單元，混凝土采用塊體單元；
　　2、 間處理、加載并求解
　　①計算的模式為材料的靜力分析，不考慮大變形和屈曲，不考慮構件的自重，塑性不可恢復；②對于第一級荷載迭代過程，考慮到材料處在彈性工作階段，材料模型采用VonMises各向同性強化材料分析，鋼材的彈性模量取為E=2.0610MPa，強化模量取為E=0.01E=2.0610MPa泊松比=0.283，混凝土的彈性模量為E=3.010MPa,泊松比=0.173；③當荷載較大時混凝土不可再視為各向同性體，采用Drucker-prager模型。當鋼管進入彈塑性階段，鋼材的應力-應變本構關系采用雙折線隨動強化，此選項適用VonMises屈服準則。④求解：程序的求解方法為增量-迭代法，在每個時間步內有用常剛度迭代。根據本次計算的特點，采用如下參數非線性迭代的方法為：全局牛頓-辛普森方法（FullN-R）作為對自適應下降段。采用弧長方法來使求解時間最小化，一個單一子步的最大平衡迭代數應當小于或等于15次，采用力收斂準則，力的收斂標準為110，每上個時間步迭代一次，每隔一個時間步修正一次剛度矩陣。
　　3、 后處理檢查結果
　　由于程序對于殼單元并未提供應變輸出，因此計算結果的判斷主要取決于位移和應力，所以可以通過分析各級荷載下的應力和位移來確定結果。
　　參考文獻：
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