带约束拉杆方形钢管混凝土轴压短柱的工作机理

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1、文章编号:1000-565X(2013)10-0117-09带约束拉杆方形钢管混凝土轴压短柱的工作机理*刘鸿亮1蔡健1，2(1．华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640;2．华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州510640)摘要:提出了适用于带约束拉杆方形钢管混凝土短柱有限元分析的核心混凝土单轴应力－应变关系模型;基于ABAQUS大型通用有限元平台，考虑试件受力过程中多种材料泊松比变化及本构关系非线性等因素，编写了USDFLD子程序，并建立了带约束拉杆方形钢管混凝土短柱的有限元模型;从应力－应变关系，钢管、核心混凝土及约束拉杆三者之间的

2、约束作用、核心混凝土纵向应力分布等方面讨论了带约束拉杆方形钢管混凝土短柱的工作机理．结果表明:采用文中提出的有限元模型模拟得到的结果与试验结果吻合较好;设置约束拉杆能够减缓并延迟钢管的向外局部屈曲，使钢管屈服发生在极限承载力之前，增强钢管角部和中部对核心混凝土的约束作用，提高核心混凝土的纵向应力，从而提高试件的承载力和延性;随着约束拉杆间距的减小，钢管角部和中部对核心混凝土的约束作用明显增大．关键词:约束拉杆;方形钢管混凝土;混凝土单轴应力－应变关系模型;泊松比;约束作用中图分类号:TU398doi:10．3969/j．issn．1000-565X．2013．

3、10．019凝土柱，并进行了抗震性能试验，结果表明设置栓钉对提高试件的抗震性能无明显作用;Cai等［6］提出了在方形钢管四边的中部设置水平约束拉杆的截面加强措施，并对带约束拉杆方形钢管混凝土柱的轴压性能进行了基础性试验研究，研究成果已成功应用于广州新中国大厦［7］、广州名汇商业大厦［8］、广州名盛广场［9］等超高层建筑，并取得了良好的经济效益．文献［10］进行了14个带约束拉杆方形钢管混凝土单向偏压柱试件的试验研究，且采用带约束拉杆方形钢管混凝土的本构关系，利用条带法对试件承载力进行了数值计算，计算结果与试验结果吻合良好，由此提出了带约束拉杆方形钢管混凝土偏方

4、形钢管混凝土柱具有制作方便、节点构造简单、与梁连接容易处理、施工方便、易于符合建筑平面要求、截面相对开展而惯性矩大等优点．一般截面形式的方形钢管对核心混凝土的约束作用主要集中在4个角部，在4条边的中部几乎为零，整体约束效应小，承载力及延性远低于圆形钢管混凝土柱，其潜在的材料性能没能得到充分发挥．针对一般截面形式的方形钢管混凝土柱的上述缺点，一些学者提出了改进的方法．如Tao、黄宏等［1-4］提出了带肋方形钢管混凝土柱，并进行了试验研究和数值仿真，结果表明该方法能提高试件的承载力，但对延性的影响不明显;梁江浩等［5］提出了设置栓钉的方形钢管混收稿日期:2013-

5、01-25*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50878087);亚热带建筑科学国家重点实验室项目(X2TJ-C709025z);亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究课题(2011ZC28，2011ZC25);华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2012ZB0025)作者简介:刘鸿亮(1981-)，男，博士生，主要从事结构工程研究．E-mail:hongliang0608@163．com通信作者:蔡健(1959-)，男，博士，教授，主要从事结构工程研究．E-mail:cvjcai@scut．edu．cn118华南理工大学学报(自然科学版)第

6、41卷压柱承载力的简化计算公式．文献［11-12］基于约束混凝土的原理提出带约束拉杆方形钢管混凝土的本构关系，采用纤维模型法自编程序对文献［6］中的轴压试件进行了荷载－变形全过程分析．文献［13］采用带约束拉杆方形钢管混凝土的本构关系，基于纤维模型法对带约束拉杆方形钢管混凝土柱单向和双向偏压延性进行了系统分析，提出了计算单向和双向偏压延性的简化公式．从上述研究可见，现有的研究主要集中在构件承载力计算及相关计算公式的推导、荷载－变形曲线、延性计算公式等方面，对构件中涉及材料的应力－应变关系，钢管、核心混凝土及约束拉杆的相互约束作用，截面应力分布等研究较少，而这些

7、问题的解决关系到能否深入分析带约束拉杆方形钢管混凝土柱的受力性能及破坏机理．文中考虑约束拉杆的约束作用，修正了文献［14］中的核心混凝土单轴应力－应变关系模型，提出了适用于带约束拉杆方形钢管混凝土柱有限元分析的核心混凝土单轴应力－应变关系模型．基于ABAQUS大型通用有限元平台进行二次开发，引入应力场变量，编写了USDFLD子程序，考虑构件受力过程中多种材料泊松比变化及本构关系的非线性等关键因素，建立了带约束拉杆方形钢管混凝土柱的有限元模型．从应力－应变关系，钢管、核心混凝土及约束拉杆三者之间的约束作用，核心混凝土纵向应力分布等方面讨论其工作机理;为该新型带约

8、束拉杆方形钢管混凝土柱在工程结构中的应