钢管高强混凝土轴压力学性能的理论分析与试验研究_韩林海

第36卷第4期土 木 工 程 学 报Vol.36 No.4 2003年4月CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL Apr. 2003钢管初应力对钢管混凝土压弯构件承载力的影响研究韩林海 尧国皇(福州大学)摘 要 钢管初应力对钢管混凝土力学性能影响一直是众所关注的问题之一。

首先进行了钢管初应力对方钢管混凝土压弯构件力学性能影响的试验研究,然后对考虑钢管初应力影响时,圆形和方形钢管混凝土压弯构件的荷载-变形关系曲线进行了理论分析,计算结果得到试验结果的验证。

在此基础上,分析了初应力系数、构件长细比、截面含钢率,荷载偏心率、钢材和混凝土的强度等因素的影响规律,最终提出考虑初应力影响时,圆形和方形钢管混凝土压弯构件承载力的实用验算方法。

关键词 钢管混凝土 初应力 压弯构件 承载力中图分类号:TU528159 文献标识码:A 文章编号:1000-131X (2003)04-0009-10EFFEC T OF INITIAL STRESS ON BEARING C APACITY OF CONC RETE -FILLED STEELTUBULAR BEA M -C OLUMNSHan Linhai Yao Guohuang(Fuzhou University)AbstractThe effect of initial stress on the bearing capacity of concrete -filled steel tubular (CFST)beam -columns are studied in the paper.It is found that these me mbers are susceptible to the effect of initial stress during construction.The load -deforma -tion curve of a C FST beam -column is proposed.The computing results are sho wn in good agreement with that of the test.Based on the theoretical model,influence of the initial stress ratio,slenderness ratio,strength of the materials,and sectional steel ratio are discussed.At last,formulas for the ultimate strength of a CFST beam -column considered the effect of initial stress are developed.Keywords:concrete -filled steel tube,initial stress,beam -column,ultimate strength收稿日期:2001-09-15本项目得到福建省科技计划重大项目(2002H007)的资助1 概 述多、高层建筑中采用钢管混凝土柱时,往往是先安装空钢管,然后安装梁,并进行楼板的施工。

钢管混凝土中长柱轴压力学性能试验研究发布时间：2022-07-14T07:19:30.747Z 来源：《城镇建设》2022年5卷第3月第5期作者：纪建军[导读] 本文对一组钢管混凝土(CFST)中长柱的轴压力学性能开展试验研究，得到试件的加载过程、破坏形态纪建军广州大学土木工程学院，广东省广州市 510006摘要：本文对一组钢管混凝土(CFST)中长柱的轴压力学性能开展试验研究，得到试件的加载过程、破坏形态、应变发展过程和轴力-柱中纵向应变曲线。

研究结果表明：钢管混凝土中长柱在轴压荷载作用下发生整体弯曲破坏，试件中部出现明显的受压区和受拉区，且由于钢材和核心混凝土的相互作用，钢材和混凝土的力学性能得到充分发挥。

关键词：钢管混凝土；中长柱；轴压性能；试验研究 Abstract: This paper presented an experimental study of medium-long concrete-filled steel tube (CFST) columns under axial compressive loading. The loading process, failure mode, strain development process and axial force-longitudinal strain curve in the middle height of column were obtained and analyzed. The results show that the CFST column presents global bending failure. A compression zone and a tension zone are observed at the middle of the specimen. Due to the interaction between steel and core concrete, the mechanical properties of steel and concrete are fully utilized. Key words: Concrete-filled steel tube; Medium long column; Axial compressive performance; Experimental study 钢管混凝土(Concrete-Filled Steel Tubular CFST)柱因具有良好的抗震性能、抗火性能和方便施工等特点，已被广泛应用于高层建筑和大跨桥梁结构中。

钢管（高强）混凝土轴压稳定承载力研究
韩林海
【期刊名称】《哈尔滨建筑大学学报》
【年(卷),期】1998(031)003
【摘要】采用考虑构件具有千分之一杆长的初挠度，利用对偏压构件承载力的计算方法分析钢管（高强）混凝土轴心受压构件的稳定承载力，推导了稳定系数的计算公式，理论分析结果与试验结果吻合良好。

【总页数】6页(P23-28)
【作者】韩林海
【作者单位】哈尔滨建筑大学金属结构研究室
【正文语种】中文
【中图分类】TU370.2
【相关文献】
1.单肢钢管混凝土轴压中长柱的稳定承载力分析 [J], 黄加平;全国兴;黄雪开
2.内置CFRP圆管的方钢管高强混凝土轴压中长柱极限承载力研究 [J], 葛清蕴;厉彩梅;杨富莲
3.徐变对空心钢管混凝土轴压稳定承载力的影响 [J], 王洪欣;查晓雄
4.预制钢管超高强石渣混凝土叠合柱的轴压特性研究 [J], 陈国灿;赖庆先;田跃平;杨智硕
5.钢骨-方钢管混凝土轴压柱稳定承载力分析 [J], 朱美春;潘进芬;王清湘
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钢管混凝土柱受力性能分析李海锋河海大学土木工程学院，南京（210098）E-mail：lihai_feng@摘要：本文分析了钢管混凝土结构的基本力学性能找出了此结构形式承载力高的原因，并用算例比较了钢管混凝土结构与普通混凝土结构的差异，得出了一些结论并对工程建设提出了几点建议。

关键词：钢管混凝土结构；承载力；受压中图分类号：TU171. 前言近年来由于钢管混凝土结构承载力高，塑性和韧性好，经济效果显著和施工快速方便等优点而越来越受到工程界的重视[1]。

在我国钢管混凝土结构主要应用于单层和多层工业厂房柱，高炉和锅炉构造柱，各种设备支架柱以及送变电杆塔结构等，近年来随着工程技术水平提高已被广泛应用于桥梁和多，高层建筑中，取得了很好的经济效益。

钢管混凝土结构与钢结构相比在不增加或少许增加结构自重条件下，可大幅节省钢材；与混凝土结构相比，可大幅减轻结构自重，空钢管骨架的吊装重量大为减轻，不需模板和钢筋，施工大为简化。

在高层建筑中采用钢管混凝土结构可发挥它的抗压和抗剪性能好，承载力高，抗震性能优越，延性好，控制构件长细比后可以不限制轴压比，并能充分发挥高强混凝土的承载力防止其脆性破坏等一系列优点[2]。

多年来的研究表明，钢管混凝土结构中的钢管具有套箍，支架，模板三打作用，使钢管混凝土结构表现出用钢量小，刚度大，安装重量轻，承载力高，施工快速方便，经济效益明显等一系列突出优点。

由于以上钢管混凝土结构各种优点，应该大力推广这种结构形式，使其为我国社会主义现代化工程建设做出更突出的贡献。

2. 钢管混凝土柱力学性能钢管混凝土柱为钢管混凝土结构中主要结构形式，在这种结构中可以充分发挥钢材和混凝土这两种材料的性能。

下面主要分析钢管混凝土柱力学性能，找出其力学上受力合理的原因。

2.1组成材料的力学性能[3]钢管混凝土柱是有钢管和混凝土两种材料组成，而钢管混凝土柱的承载力并不是钢管和混凝土两种构件承载力简单的加和，从后面的算例可以看出钢管混凝土柱的承载力是钢管和混凝土两种构件承载力加和的1.61倍左右。

前言高流态自密实混凝土（本文称之为高性能混凝土）在自重或少振捣的情况下就能自密实成型。

在钢管中灌自密实高性能混凝土，不仅可更好地保证混凝土的密实度，且可简化混凝土振捣工序，降低混凝土施工强度和费用，还可减少城市噪声污染。

１９９９年建成的深圳赛格广场大厦顶层部分钢管混凝土柱采用了自密实混凝土，取得了较好的效果。

Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ（１９９８）［１］对钢管普通混凝土轴压力学性能的研究现状进行了较深入的综述和分析；Ｈａｎ（２００２）［２］在参考和引用Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ（１９９８）［１］综述结果的基础上，进一步综述和列出了其他一些相关研究成果；韩林海（２００４）［３］、Ｓｈａｎｍｕｇａｍ和Ｌａｋｓｈｍｉ（２００１）［４］对钢管普通混凝土结构方面的研究成果进行了更为全面的回顾和总结，本文不再赘述。

Ｈａｎ和Ｙａｏ（２００４）［５］近期的研究结果表明，钢管高性能混凝土压弯构件的力学性能和钢管普通混凝土基本类似，其承载力的计算基本可按照钢管普通混凝土构件的方法进行。

本文拟研究在钢管中填充自密实混凝土而形成的钢管高性能混凝土的水化热和收缩性能研究韩林海１，２杨有福２李永进２冯斌２（１．清华大学土木工程系，结构工程与振动教育部重点实验室，北京１０００８４；２．福州大学，土木工程学院，福建福州３５０００２）摘要：以构件截面尺寸和截面形式为基本参数，进行了钢管高性能混凝土柱水泥水化阶段构件截面温度场和核心混凝土收缩性能的实验研究，考察了水泥水化阶段钢管混凝土构件温度场及其核心混凝土的收缩特性。

研究结果表明，钢管高性能混凝土构件截面温度场的变化规律与普通混凝土类似，但钢管混凝土中核心混凝土的收缩变形远小于素混凝土的收缩变形。

在实验研究结果的基础上，通过对ＡＣＩ２０９（１９９２）提供的普通混凝土收缩模型的修正，提出了适合钢管混凝土中核心混凝土收缩变形的计算公式。

关键词：钢管混凝土；高性能混凝土；水化热；收缩；模型中图分类号：ＴＵ３９２．３文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１３１Ｘ（２００６）０３－０００１－０９Ｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔａｎｄｓｈｒｉｎｋａｇｅｏｆｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅｓＨａｎＬｉｎｈａｉ１，２ＹａｎｇＹｏｕｆｕ２ＬｉＹｏｎｇｊｉｎ２ＦｅｎｇＢｉｎ２（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＦｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ３５０００２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｄｕｒｉｎｇｃｅｍｅｎｔｈｙｄｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｓｈｒｉｎｋａｇｅｏｆｔｈｅｃｏｒｅｃｏｎｃｒｅｔｅｉｎｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅｓａｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｍａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｔｕｄｉｅｄａｒｅｓｅｃｔｉｏｎａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓａｎｄｓｅｃｔｉｏｎａｌｔｙｐｅｓ．Ｔｈｅｏｂｓｅｒｖｅｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｉｎｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅｓｉｓｓｉｍｉｌａｒｔｏｔｈａｔｏｆｏｒｄｉｎａｒｙｃｏｎｃｒｅｔｅｍｅｍｂｅｒｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｓｈｒｉｎｋａｇｅｖａｌｕｅｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｉｎｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅｓｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｐｌａｉｎｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓ，ｃｏｎｃｒｅｔｅｓｈｒｉｎｋａｇｅｍｏｄｅｌｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙＡＣＩ２０９（１９９２）ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｗａｓｍｏｄｉｆｉｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ａｆｏｒｍｕｌａｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｓｈｒｉｎｋａｇｅｏｆｃｏｒｅｃｏｎｃｒｅｔｅｉｎｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅｓｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅ；ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｈｙｄｒａｔｉｏｎｈｅａｔ；ｓｈｒｉｎｋａｇｅ；ｍｏｄｅｌＥ－ｍａｉｌ：ｌｈｈａｎ＠ｍａｉｌ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ基金项目：国家杰出青年科学基金（Ｎｏ．５０４２５８２３）、清华大学“百人引进计划”专项经费资助课题作者简介：韩林海，博士，教授收稿日期：２００５－１１－０１土木工程学报ＣＨＩＮＡＣＩＶＩＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＪＯＵＲＮＡＬ第３９卷第３期２００６年３月Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．３Ｍａｒ．２００６・・土木工程学报２００６年表１水化热和收缩试件一览表Ｔａｂｌｅ１Ｓｕｍｍａｒｙｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｈｒｉｎｋａｇｅｔｅｓｔｓｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ试件类型截面形式序号编号Ｄ（Ｂ）（ｍｍ）９５０天时的纵向收缩值（με）钢管混凝土圆形１ＣＣＦＴ－１２００１６２．９２ＣＣＦＴ－２１０００７０．３钢管混凝土方形３ＳＣＦＴ－１２００１７５．８４ＳＣＦＴ－２１０００８５．８素混凝土圆形５ＣＰＣ－１２００３６０．６６ＣＰＣ－２１０００２７４．６钢管混凝土（以下简称钢管高性能混凝土）的核心混凝土的水化热和收缩特性，这些也是目前有关工程界所关注的热点问题。

收稿日期:20221230基金项目:国家自然科学基金资助项目(52078306);辽宁省教育厅基本科研项目(青年项目)(L J K Q Z 2021165);沈阳市科学技术计划(21-108-9-21)㊂作者简介:王晓初(1967),男,辽宁沈阳人,教授,博士;刘 晓(1974),女,辽宁沈阳人,教授,博士㊂第36卷第1期2024年 2月沈阳大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f S h e n y a n g U n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e )V o l .36,N o .1F e b.2024文章编号:2095-5456(2024)01-0061-08火灾后高强钢管混凝土柱轴压的参数化分析王晓初,杨玉琪,刘 晓,回彦川,崔洧瑄,袁立灏,朱 俊,侯东序(沈阳大学建筑工程学院,辽宁沈阳 110044)摘 要:为研究不同参数对火灾后高强钢管混凝土柱受轴压时的性能影响,利用A B A Q U S 有限元软件模拟火灾后高强钢管混凝土柱轴压模型,对该构件以钢管屈服强度㊁受火时间㊁混凝土强度为主要参数进行承载力位移曲线分析,并剖析火灾后高强钢管混凝土柱典型曲线㊂结果表明:随着钢管屈服强度和混凝土强度增大,构件极限承载力增大;随着受火时间增加构件极限承载力出现下降趋势;从整体上看,受火时间分别为60㊁90㊁120m i n 时,构件中的混凝土承担主要载荷㊂关 键 词:高强钢管混凝土;火灾后;参数化分析;轴压;极限承载力中图分类号:T U 398 文献标志码:AP a r a m e t r i c A n a l y s i s o f H i g h -S t r e n gt h C o n c r e t e F i l l e d S t e e l T u b u l a rC o l u m n sU n d e rA x i a l C o m pr e s s i o nA f t e rF i r e WA N G X i a o c h u ,Y A N G Y u q i ,L I U X i a o ,HU IY a n c h u a n ,C U I W e i x u a n ,Y U A N L i h a o ,Z HUJ u n ,H O UD o n gx u (S c h o o l o fA r c h i t e c t u r a l a n dC i v i l E n g i n e e r i n g ,S h e n y a n g U n i v e r s i t y ,S h e n y a n g 110044,C h i n a )A b s t r a c t :T o s t u d y t h ee f f e c t so fd i f f e r e n t p a r a m e t e r so nt h e p e r f o r m a n c eo fh i g h -s t r e n g t h s t e e l t u b ec o n c r e t ec o l u m n su n d e ra x i a l c o m p r e s s i o na f t e raf i r e ,A B A Q U Sf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t et h ea x i a lc o m p r e s s i o n m o d e lo fh i g h -s t r e n g t h s t e e lt u b e c o n c r e t e c o l u m n s a f t e r f i r e .T h eb e a r i n g c a p a c i t y -d i s p l a c e m e n t c u r v eo f t h e c o m p o n e n tw a s a n a l y z e d w i t ht h e m a i n p a r a m e t e r so fs t e e l p i p e y i e l ds t r e n g t h ,f i r et i m ea n dc o n c r e t e s t r e n g t h ,a n dt h e t y p i c a l c u r v eo fh i g h -s t r e n g t hc o n c r e t e -f i l l e ds t e e l t u b ec o l u m na f t e r f i r e w a s a n a l y z e d .T h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h e i n c r e a s eo f t h e y i e l ds t r e n gt ho f t h es t e e l p i p ea n dt h es t r e n g t h o ft h ec o n c r e t e ,t h e u l t i m a t e b e a r i n g c a p a c i t y o ft h ec o m po n e n t i n c r e a s e d ,a n d t h e u l t i m a t e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e c o m po n e n t d e c r e a s e dw i t h t h e i n c r e a s e o f t h e f i r e t i m e ,a n do n t h ew h o l e ,t h e c o n c r e t e i n t h e c o m p o n e n t b o r e t h em a i n l o a dw h e n t h e f i r e t i m ew a s 60,90a n d 120m i n ,r e s p e c t i v e l y .K e y w o r d s :h i g hs t r e n g t hc o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b e ;a f t e rf i r e ;p a r a m e t r i ca n a l y s i s ;a x i a l c o m p r e s s i o n ;u l t i m a t e l o a d -b e a r i n gc a p a c i t y 高强钢管混凝土柱是在高强钢管(钢材屈服强度大于460M P a)中填入高强混凝土(混凝土强度等级为C 60及以上)形成的组合构件㊂对组合柱施加轴向压力时,钢管对混凝土起约束作用,延缓混凝土的纵向开裂,从而提高混凝土的抗压强度,同时由于混凝土的作用可延缓钢管出现局部屈曲㊂高强钢管混凝土柱在高层及超高层建筑中使用可以减轻结构自重,增强耐火性能,经历火灾后的高强钢管混凝土柱依然具有比较好的承载力㊂目前,已有学者对高强钢管混凝土进行了研究:韩林海[1]通过研究矩形钢管混凝土柱在火灾后的力学性能和剩余承载力,确定了构件在高温作用后的应力应变模型,同时简化了火灾后圆钢管和方钢管混凝土构件承载力的计算方法;刘晓等[2]利用有限元建立高强C F D S T 柱的计算模型,剖析了不同受火时间㊁外钢管屈服强度和混凝土抗压强度等因素对火灾后高强C F D S T 柱受轴压时的影响规律,结果表明外钢管屈服强度对火灾后高强C F D S T 柱的极限承载力影响较大;林晓康[3]利用A B A Q U S 建立火灾后普通钢管混凝土构件的数值模型,并对其载荷变形关系曲线分析,深入了解构件在火灾后的受力特性;X i o n g 等[4]为了扩大设计规范应用范围,研究使用了高强和超高强材料的钢管混凝土在环境温度下的性能,对56组钢管混凝土短柱轴向性能进行试验,将试验结果与各国规范预测结果相对比,提出设计建议;T a o 等[5]为评估火灾后结构的损伤,通过广泛收集文献测试数据,建立可用于加热和冷却后钢结构和钢筋的应力应变模型;王彦博等[6]对13组高强圆钢管混凝土短柱进行轴压试验,分析了钢管强度㊁混凝土强度及径厚比对构件轴压性能的影响,并将高强圆钢管混凝土短柱试验结果与现有试验数据对比,修正了其受压截面承载力计算公式;刘晓等[7]利用A B A Q U S 建立火灾后圆套圆C F D S T 柱模型,剖析了火灾后C F D S T 柱轴压工作机理并对其典型的承载力位移曲线进行分析;刘晓等[8]考虑火灾受火时间㊁偏心距和空心率等因素,建立火灾后方截面C F D S T 柱数值模型,分析构件载荷跨中挠度关系曲线,揭示方截面C F D S T 偏压工作机理;幸坤涛等[9]采用数值分析方法对高强钢管混凝土核心短柱受轴压时的载荷变形关系曲线进行分析,简化了高强钢管混凝土核心柱轴压短柱承载力计算公式;王晓初等[10]使用A B A Q U S 有限元软件对高强方钢管混凝土短柱在高温后的轴压机制进行研究,发现构件在经历高温后各部件材料性能损失严重,构件极限承载力随所经历温度的升高而降低,构件承载力主要由高强钢材承担;王灿灿等[11]对6个圆形高强中空夹层钢管混凝土构件进行试验研究,利用A B A Q U S 分析了空心率㊁混凝土强度及内外钢管径厚比对该构件轴压性能的影响规律,并提出圆形高强中空夹层钢管混凝土构件轴压承载力和刚度的计算公式㊂目前研究多集中在普通钢材㊁高强钢材在常温或高温条件下的力学性能,对在火灾后高强钢管混凝土的力学性能研究较少,本文利用A B A Q U S 有限元软件,创建火灾后高强钢管混凝土轴压模型,将有限元模型数据与文献试验数据对比验证,并对火灾后高强钢管混凝土进行参数化分析㊂1 有限元模型1.1 混凝土和钢材的本构模型采用文献[3]提出的火灾后混凝土本构模型㊂火灾后高强钢材采用文献[1]提出的双折线模型,数学表达式为f y (θ)=f y,θɤ400ħ;f y [1+2.33ˑ10-4(θ-20)-5.88ˑ10-7(θ-20)2],θ>400ħ{㊂式中:θ为钢材最高温度;f y 为钢材屈服强度;f y (θ)为火灾后钢材屈服强度㊂1.2 热工参数本文选用文献[12]提出的热工参数:综合辐射系数即发射率取0.56;膜层散热系数取25W ㊃(m 2㊃K )-1;混凝土容重ρc 取2400k g ㊃m -3;钢材容重ρs 取7850k g ㊃m -3㊂1.3 建立模型组合构件由钢管㊁核心混凝土和上下盖板3部分组成,组合构件边界条件如图1所示㊂1)建立温度场模型㊂钢管选用四结点传热四边形壳单元(D S 4),核心混凝土和上下盖板采用八结点线性传热六面体单元(D C 3D 8);钢管与混凝土采用绑定(T i e )接触方式,可防止钢管与混凝土之间出现相对滑动或分离现象,也保障两者之间的热接触能力㊂2)建立力场模型㊂核心混凝土与盖板采用八结点线性六面体单元(C 3D 8R ),钢管采用四结点曲面薄壳或厚壳单元(S R 4);钢管内表面与核心混凝土之间㊁上下盖板与核心混凝土之间的接触类型均为表面与表面接触;钢管内表面与核心混凝土之间在切向上摩擦系数为0.6,法向上为硬摩擦;上下盖板与核心混凝土之间的切向行为和法向行为分别为无摩擦和硬摩擦㊂26沈阳大学学报(自然科学版) 第36卷各部件装配后,构件采用全局种子布种方式划分网格,网格划分精度为0.02,构件划分网格结果如图2所示㊂由于位移加载相较于力加载更加精确,本文选用位移加载,构件负载方式如图3所示,将柱底端盖板完全锚固,在柱底端X ㊁Y ㊁Z 方向上限制柱底端的位移和转角,柱顶端施加位移载荷㊂图1 组合结构边界条件F i g .1 B o u n d a r y c o n d i t i o n s o f c o m b i n e d s t r u c t u r e 图2 构件网格划分F i g .2 C o m p o n e n tm e s h i n g 图3 构件负载方式F i g .3 L o a dm o d eo f c o m po n e nt 图4 本文与文献[13]的承载力位移曲线对比F i g .4 C o m p a r i s o no f b e a r i n g c a p a c i t y d i s pl a c e m e n t c u r v e sb e t w e e n t h i s a r t i c l ea n d r e f e r e n c e [13]1.4 模型验证为验证本文采用本构模型及建模方法是否合理准确,将文献[13]㊁文献[4]及文献[6]中试件承载力试验数据与本文有限元承载力模拟数据进行对比验证,试件模型参数见表1㊂表1 各文献中试件具体参数T a b l e1 S p e c i f i c p a r a m e t e r s o f t e s t pi e c e s i n l i t e r a t u r e s 数据来源试件编号D 0(B 0)/mm L /mm t i /mm f y /M P a F N u e /k N F N 1/k N F N 1/F N u e 文献[13]文献[4]文献[6]c c 2a2006002.74358.51986.41968.30.9909c c 3a 2006002.74358.51491.21542.61.0345s c 2a 1006002.74358.52309.52143.50.9281s c 3a 1006002.74358.51662.11592.60.9582s 31504508.0077966166568.930.9929s 1015045012.0075689128384.960.9409s 1315045012.5044660395580.980.9242c 1114.53425.50658.23006.93615.711.2024c 2219.56578.22906.010851.710665.200.9828注:D 0(B 0)为钢管边长(直径);t i 钢管壁厚;L 为构件长度;f y 为钢管屈服强度;F Nu e 为文献的试件承载力试验值;F N 1为本文的试件承载力模拟值㊂利用表1中数据计算可得承载力的有限元模拟值与承载力的试验值之比的平均值和标准差分别为0.9950和0.0806㊂承载力(F N )位移(Δ)曲线如图4㊁图5和图6所示,由图可见有限元模拟值曲线与文献试验值曲线趋势大致相同,说明本文所采用的本构模型和建模方法是合理的㊂因此可利用A B A Q U S 有限元软件对火灾后高强钢管混凝土柱受轴压时进行参数化分析㊂36第1期 王晓初等:火灾后高强钢管混凝土柱轴压的参数化分析图5本文与文献[4]的承载力位移曲线对比F i g.5C o m p a r i s o no f b e a r i n g c a p a c i t y d i s p l a c e m e n tc u r v e sb e t w e e n t h i s a r t i c l ea nd ref e r e n c e[4]图6本文与文献[6]的承载力位移曲线对比F i g.6C o m p a r i s o no f b e a r i n g c a p a c i t y d i s p l a c e m e n tc u r v e sb e t w e e n t h i s a r t i c l ea nd ref e r e n c e[6]2有限元分析有限元模拟中,选用圆截面高强钢管混凝土柱模型,模型上下端均采用300mmˑ300mm的方形盖板,构件中钢管长度均为600mm,钢管直径均为200mm,钢管壁厚均为3mm㊂以受火时间t,钢材屈服强度f y,混凝土强度等级f c u为主要参数,建立10组高强钢管混凝土柱轴压模型构件,构件具体参数见表2㊂分析主要参数变化得出承载力位移曲线以及对构件极限承载力产生的影响,同时与普通钢材进行对比㊂表2模拟构件参数T a b l e2P a r a m e t e r s o f f i n i t ee l e m e n tm o d e l构件编号t/m i n f y/M P a f c u/M P a C C-13046070 C C-26046070 C C-39046070 C C-412046070 C C-59059070构件编号t/m i n f y/M P a f c u/M P a C C-69069070 C C-79046080 C C-89046060 C C-99034570 C C-1090235702.1温度场分析图7为构件在不同受火时间的核心混凝土温度场分布状况,取核心混凝土中截面1/4处作为研究对象㊂分析图7可知,核心混凝土在不同受火时间的内外温度差变化情况:随着受火时间增加,核心混凝土中截面1/4处的温度场以圆形波纹状从中间向外扩散,构件外边缘温度也逐渐增大;在受火时间60m i n时混凝土的内部和表面存在较大温差,超过60m i n后温差逐渐降低㊂(a)30m i n(b)60m i n(c)90m i n(d)120m i n图7不同受火时间构件中截面1/4处温度场分布F i g.7T h e t e m p e r a t u r e f i e l dd i s t r i b u t i o na t1/4o f t h ec r o s s-s e c t i o no f t h ec o m p o n e n tw i t hd i f f e r e n t f i r e t i m e s2.2主要参数分析2.2.1钢管屈服强度表2中的构件C C-10㊁C C-9㊁C C-6㊁C C-5㊁C C-4,受火时间均为90m i n,对应钢材屈服强度分别为Q235㊁Q345㊁Q460㊁Q590㊁Q690,根据有限元模拟得到的数据绘制构件在轴向负载下不同钢管屈服强度的承载力位移曲线如图8所示㊂分析图8可知构件的极限承载力逐渐提高:钢材屈服强度为Q690构46沈阳大学学报(自然科学版)第36卷图8 不同钢材强度承载力位移曲线F i g .8 S t r e n g t h -b e a r i n g c a p a c i t y -d i s pl a c e m e n t c u r v e s o f d i f f e r e n t s t e e l s件的极限承载力比钢材屈服强度为Q 590构件的极限承载力提升了10.27%;钢材屈服强度为Q 590构件的极限承载力比钢材屈服强度为Q 460构件的极限承载力提升了16.75%;钢材屈服强度为Q 460构件的极限承载力比钢材屈服强度为Q 345构件的极限承载力提升了14.57%;钢材屈服强度为Q 345构件的极限承载力比钢材屈服强度为Q 235构件的极限承载力提升了19.45%㊂5组构件在达到极限承载力后均呈现下降趋势,从曲线下降幅度来看,钢材屈服强度为Q 460㊁Q 590㊁Q 690构件的极限承载力的下降趋势比钢材屈服强度为Q 235㊁Q 345的更平缓㊂以C C -4构件的承载力位移曲线为例,位移每增加2mm 选取一个点,取A ㊁B ㊁C ㊁D ㊁E 五个点,B 点承载力比A 点增加253.11k N ,提升了15%;C 点承载力比B 点增加37.22k N ,提升了2%;D 点承载力比C 点减少22.56k N ,降低了1.1%;E 点承载力比D 点减少38.48k N ,降低了2%;构件承载力自C 点以后下降3.7%,但降幅不大㊂因此,提升构件钢材屈服强度,极限承载力均增大,承载力在达到顶峰后,曲线下降平缓,说明使用高强钢材构件的极限承载力优于使用普通钢材,且构件在火灾后的延性较好㊂2.2.2 受火时间表2中的C C -1㊁C C -2㊁C C -3㊁C C -4构件的钢管强度和混凝土强度均相同,对应受火时间分别为30㊁60㊁90㊁120m i n,根据有限元模拟得到的数据绘制构件经历不同受火时间后的承载力位移曲线如图9所示㊂分析图9可知构件极限承载力逐步降低:受火时间从30m i n 到60m i n 时,构件极限承载力从2716.62k N 下降到2246.26k N ,下降了17.31%;受火时间从60m i n 到90m i n 时,构件极限承载力从图9 不同受火时间的承载力位移曲线F i g .9 C a p a c i t y -d i s pl a c e m e n t c u r v e s f o r d i f f e r e n t f i r e t i m e s 2246.26k N 下降到2001.24k N ,下降了10.91%;受火时间从90m i n 到120m i n 时,构件极限承载力从2001.24k N 下降到1833.28k N ,下降了8.39%㊂以C C -3构件的承载力位移曲线为例,位移每增加2mm 选取一点,取A ㊁B ㊁C ㊁D ㊁E 五点,B 点承载力比A 点增加293.28k N ,提升了17.6%;C 点承载力比B 点增加45.49k N ,提升了2.3%;D 点承载力比C 点减少44.67k N ,降低了2.2%;E 点承载力比D 点减少21.83k N ,降低了1.1%;构件承载力上升至C 点以后,承载力下降4.5%,自C 点后曲线逐渐平缓㊂在构件均达到极限承载力后,受火时间30m i n 时,从B ᵡ至E ᵡ承载力下降了11.6%,受火时间60m i n 时,从B ᶄ至E ᶄ承载力下降了6.8%,曲线均出现明显下降;受火时间90m i n 时,构件承载力到达顶峰后曲线下降趋势变缓;受火时间120m i n 时,在达到构件极限承载力后,曲线无下降趋势㊂总的来说,随着受火时间增加,构件极限承载力呈明显下降到逐渐变缓趋势㊂这表明经历火灾后混凝土体积膨胀,产生很大的内应力,导致混凝土结构的破坏,水泥石产生较大收缩而骨料却膨胀,这种差异造成混凝土的破坏[14],此种破坏无法恢复,从而导致构件承载能力下降;而承载力无明显下降趋势则由于高强钢材在经历火灾,温度下降冷却后,钢材的材料性能可以大部分恢复,在火灾后构件展现出较好的延性㊂2.2.3 混凝土强度表2中的C C -8,C C -3,C C -7构件的受火时间和钢管强度均相同,对应混凝土强度分别为C 60㊁C 70㊁56第1期 王晓初等:火灾后高强钢管混凝土柱轴压的参数化分析图10 不同混凝土强度的承载力位移曲线F i g .10 C a p a c i t y -d i s pl a c e m e n t c u r v e s f o r d i f f e r e n t c o n c r e t es t r e n gt h s C 80,根据有限元模拟得到的数据绘制构件在轴向负载下不同混凝土强度时的承载力位移曲线(图10)㊂比较图10中的曲线可知:构件极限承载力提升较小,混凝土强度等级从C 60提升至C 70,构件极限承载力提升5.42%;混凝土强度等级从C 70提升至C 80,构件极限承载力提升6.75%㊂随混凝土强度等级的提升,构件极限承载力均略有提升,但在到达极限承载力后曲线渐渐下降㊂以C C -8构件的承载力位移曲线为例,取A ㊁B ㊁C ㊁D ㊁E 五点进行比较,B 点承载力比A 点增加249.92k N ,提升了14.9%;C 点承载力比B 点增加76.25k N ,提升了4%;D 点承载力比C 点减少67.92k N ,降低了3.4%;E 点承载力比D 点减少16.65k N ,降低了0.9%;随位移的增加构件承载力缓慢增加,在C 点后构件承载力下降3.2%㊂由于混凝土是一种热惰性材料,传热较慢,根据温度场分析可知混凝土表层与内部存在较大温差,与传热快的材料相比,经历火灾后混凝土材料性能损伤程度较小,混凝土强度等级提升对构件承载力的提升较小㊂3 典型曲线分析图11为构件在受火时间为60㊁90㊁120m i n 的载荷纵向应变曲线㊂分析图11可知:受火时间60m i n 时,钢管和核心混凝土分别占总承载力的29.61%和70.39%,受火时间90m i n 时,钢管和核心(a )t =60m i n (b )t =90m i n(c )t =120m i n图11 典型载荷纵向应变曲线F i g .11 T y p i c a l l o a d -l o n gi t u d i n a l s t r a i n c u r v e 66沈阳大学学报(自然科学版) 第36卷混凝土分别占总承载力的35.01%和64.99%,受火时间120m i n 时,钢管和核心混凝土分别占总承载力的37.46%和62.54%㊂随着受火时间增加,钢管所占总承载力的比例逐渐提升,混凝土所占总承载力的比例出现小幅度下降,但主要承担载荷的仍为混凝土㊂对火灾后高强钢管混凝土柱的轴压受力性能进行轴压工作机理分析,选取C C -8构件作为算例,其载荷纵向应变曲线为图11(b )所示,O ㊁A ㊁B ㊁C 四点绘制对应的应力分布情况如图12所示㊂分析图11(b )与图12:O 点对应构件施加轴力的起点㊁A 点为弹性阶段结束点㊁B 点为构件极限承载力点㊁C 点对应构件纵向应变为0.02;O A 段为弹性工作阶段,此时的O A 段呈线性关系,由于混凝土的泊松比小于钢管,钢管与混凝土单独受力,混凝土未被压碎,钢管处于未变形状态但钢管两端出现些许应力集中现象;A B 段为弹塑性阶段,随着轴力的增加混凝土加速膨胀,混凝土两端出现裂缝,钢管为混凝土提供约束作用;在B 点以后,构件承载力开始下降,构件两端混凝土被压碎后逐渐退出工作,钢管对混凝土的约束降低,同时钢管中部开始出现应力集中㊂(a )O 点(b )A 点(c )B 点(d )C 点图12 O ㊁A ㊁B ㊁C 点应力分布F i g .12 S t r e s s d i s t r i b u t i o nd i a g r a mo f po i n t s O ,A ,B ,C 4 结 论1)随着钢材屈服强度的提高,构件极限承载力增大,高强钢材极限承载力明显大于普通钢材;随着受火时间的增加,构件承载力减小,构件在达到极限承载力后曲线变得逐渐平缓,说明使用高强钢材的构件在受火后展现出较好延性;增加混凝土强度等级对构件极限承载力提升较小㊂2)受火时间为60㊁90㊁120m i n 时,构件中的混凝土承担主要载荷㊂参考文献:[1]韩林海.钢管混凝土结构:理论与实践[M ].2版.北京:科学出版社,2007.H A NL H.C o n c r e t e -f i l l e d s t e e l t u b u l a r s t r u c t u r e :t h e o r y a n d p r a c t i c e [M ].2n de d .B e i j i ng :S c i e n c eP r e s s ,2007.[2]刘晓,王伊,王兵.火灾后中空夹层高强钢管混凝土柱轴压机理分析[J ].工业建筑,2019,49(5):146153.L I U X ,WA N G Y ,WA N GB .A n a l y s i s o na x i a l c o m p r e s s i o nm e c h a n i s mo f c o n c r e t e f i l l e dd o u b l e -s k i nh i g h -s t r e n g t hs t e e l t u b u l a r c o l u m na f t e r f i r e [J ].I n d u s t r i a l C o n s t r u c t i o n ,2019,49(5):146153.[3]林晓康.火灾后钢管混凝土压弯构件的滞回性能研究[D ].福州:福州大学,2006.L I N XK.S t u d y o nh y s t e r e t i c b e h a v i o r o f c o n c r e t e -f i l l e d s t e e l t u b u l a rm e m b e r s a f t e r f i r e [D ].F u z h o u :F u z h o uU n i v e r s i t y ,2006.[4]X I O N G M X ,X I O N G DX ,L I E WJY R.A x i a l p e r f o r m a n c e o f s h o r t c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b e sw i t hh igh -a n du l t r a -hi g h -s t r e n g t h m a t e r i a l s [J ].E n g i n e e r i n g St r u c t u r e s ,2017,136:494510.(下转第76页)76第1期 王晓初等:火灾后高强钢管混凝土柱轴压的参数化分析[18]涂园,王奎华,周建,等.有效应力法和有效固结压力法在预压地基强度计算中的应用[J ].岩土力学,2020,41(2):645654.T U Y ,WA N G K H ,Z H O UJ ,e t a l .A p p l i c a t i o no f e f f e c t i v e s t r e s sm e t h o d a n de f f e c t i v e c o n s o l i d a t i o ns t r e s sm e t h o d f o r s t r e n gt h c a l c u l a t i o n i n p r e l o a d i n ggr o u n d [J ].R o c ka n 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y,2007,40(3):5356.ʌ责任编辑:赵 炬췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍ɔ(上接第67页)[5]T A OZ ,WA N G X Q ,U YB .S t r e s s -s t r a i nc u r v e s o f s t r u c t u r a l a n d r e i n f o r c i n g s t e e l s a f t e r e x p o s u r e t o e l e v a t e d t e m p e r a t u r e s [J ].J o u r n a l o fM a t e r i a l s i nC i v i l E n g i n e e r i n g,2013,25:13061316.[6]王彦博,宋辞,赵星源,等.高强圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究[J ].建筑结构学报,2022,43(11):221234.WA N G Y B ,S O N G C ,Z HA O X Y ,e t a l .E x p e r i m e n t a l s t u d y o nb e h a v i o ro f c i r c u l a r c o n c r e t e -f i l l e dh i g h -s t r e n g t hs t e e l t u b u l a r s t u b c o l u m n s u n d e r c o m p r e s s i o n [J ].J o u r n a l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s ,2022,43(11):221234.[7]刘晓,王杰,王兵,等.火灾后圆套圆C F D S T 柱轴压力学性能[J ].沈阳大学学报(自然科学版),2022,34(5):383388.L I U X ,WA N GJ ,WA N G B ,e t a l .A x i a l c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e so f c i r c u l a rC F D S Tc o l u m n sa f t e r f i r e [J ].J o u r n 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钢管混凝土结构的若干方面探讨近30年来，钢管混凝土结构逐渐被应用于建筑结构尤其是在高层建筑结构中，随着建筑物高度的增加，钢管高强混凝土和钢管超高强混凝土结构的应用也将会得到快速的发展。

混凝土的抗压强度高，但抗弯能力很弱，而钢材，特别是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。

而钢管混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，可使混凝土处于侧向受压状态，其抗压强度可成倍提高.同时由于混凝土的存在，提高了钢管的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力。

钢管混凝土作为一种新兴的组合结构，主要以轴心受压和作用力偏心较小的受压构件为主，被广泛使用于框架结构中，如厂房和高层。

钢管混凝土结构与传统结构进行经济对比分析，在造价、耗材、施工等各方面的综合经济效益显著。

特别是钢管高强和超高强混凝土结构在高层或超高层建筑中有广阔的应用前景。

1 钢管混凝土结构的特点及与传统结构的对比分析1. 1 结构面积减小，有效使用面积增加在建筑工程中钢管混凝土通常用做柱子，由于钢管混凝土是延性材料，在地震区可以做到不受轴压比的限制，只控制其长细比，因此，柱截面面积可减少很多，有效使用面积增大，结构自重减轻在50%以上，因此，地震作用和地基荷载均可减小，从而经济有效地解决了我国建筑工程领域长期存在而未能解决的“胖柱”问题。

1. 2 施工简便，可大大缩短工期钢管混凝土柱和普通混凝土柱相比，免除了支模、拆模、绑扎钢筋或焊接钢筋骨架等工序，省工省时；和普通钢柱相比，不用节点板，焊缝少，构造简单。

缩短工期，提前投产，其综合经济效益较好。

1. 3 同等承载力条件下有更大的经济效益钢管超高强混凝土柱的造价比普通混凝土柱的造价降低30%左右；钢管高强混凝土柱的造价比普通混凝土柱的造价偏高或大略相等。

可见，采用钢管超高强混凝土柱有更大的经济效益。

1. 4 耐火性能好钢管混凝土柱（空心钢柱用混凝土填实）有较高的耐火能力，因为钢柱吸热后有若干热量会传递到混凝土部分，减慢钢柱的升温速度，并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结构倒塌。