朱浩 劉鋒

（宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院 江蘇宿遷 223800）

鋼管混凝土作為一種適應(yīng)建筑施工適應(yīng)發(fā)展要求而出現(xiàn)的新型建筑材料，較之其他建材而言擁有更為先進(jìn)、新穎的結(jié)構(gòu)模式和運(yùn)用形式，從其所具備的優(yōu)勢(shì)條件與適應(yīng)能力可以看出，這種新型材料有很大的發(fā)展前景。鋼管混凝土建材不僅可以應(yīng)用于高樓大廈、工業(yè)建筑等獨(dú)具時(shí)代特征的建筑物上，還可以運(yùn)用于橋梁隧道、地下建筑等對(duì)施工技術(shù)要求比較高的建筑物上，這種建筑材料的使用不會(huì)輕易受到局限，應(yīng)用廣泛。一般情況下，鋼管混凝土為了實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)是不會(huì)加入鋼筋材料的，只有在其承受的壓力超過(guò)了一個(gè)正常范圍的時(shí)候，才會(huì)在管內(nèi)使用到鋼筋或者箍筋。鋼管混凝土的廣泛應(yīng)用使得施工人員的技術(shù)水平達(dá)到了一個(gè)高度，可以充分把握好該建材的材質(zhì)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用模式，但是對(duì)鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況和基本數(shù)據(jù)還需要加大研究力度，以獲得最為優(yōu)化的施工效果。

1 鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)

1.1 材料關(guān)系模型

鋼管混凝土材料本身就是一種組合結(jié)構(gòu)，其具體發(fā)揮效用是靠鋼管和混凝土共同作用來(lái)完成的，二者在一般情況下都要承受較為復(fù)雜的受力情況。對(duì)鋼管和混凝土的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以通過(guò)研究多線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型來(lái)進(jìn)行，對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行計(jì)算分析，用以得到正確的鋼材荷載力數(shù)據(jù)情況。對(duì)本構(gòu)模型進(jìn)行研究有利于建筑人員制定出更專(zhuān)業(yè)科學(xué)的施工計(jì)劃，建立一個(gè)正確的材料模型。

1.2 單元類(lèi)型劃分

SOLID65實(shí)體單元可以幫助我們進(jìn)行相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)的模擬研究，探索其具備的一些功能，三維配筋和不配筋混凝土結(jié)構(gòu)就具有收縮、拉伸等功能，在后續(xù)研究中可以通過(guò)關(guān)閉某功能來(lái)進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算。這個(gè)實(shí)體單元分八個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中各個(gè)節(jié)點(diǎn)分別有八個(gè)自由度，可以將單元之間進(jìn)行合理的劃分，并且針對(duì)功能強(qiáng)度不一的單元節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)格加密工作，來(lái)保證計(jì)算結(jié)果的精確度。此外，對(duì)實(shí)體單元的方向尺寸還要做一個(gè)控制，將其最長(zhǎng)邊長(zhǎng)控制在一個(gè)具體數(shù)值之內(nèi)，這樣計(jì)算結(jié)果才會(huì)更準(zhǔn)確。

1.3 鋼管與混凝土模型

三維面與面接觸單元是比較常見(jiàn)的應(yīng)用單元，可以更好地呈現(xiàn)出鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的具體受力情況，將鋼管與混凝土之間的接觸面展現(xiàn)出來(lái)，幫助計(jì)算研究。在指定的接觸單元中，剛形體與柔性體分別表示鋼管與混凝土，而“目標(biāo)”面即為剛性面，“接觸”面就是柔性面。而“目標(biāo)”面和“接觸”面分別以不同的單元格式來(lái)進(jìn)行模擬操作，計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)值以及摩擦系數(shù)，那么我們可以得到鋼管與混凝土之間的摩擦系數(shù)是0.45，如圖所示的即為劃分網(wǎng)格后得到的接觸單元。

1.4 邊界條件及加載方案

圖1 基本試件實(shí)體模型圖

我們可以將鋼管混凝土與地面連接的情況假設(shè)一個(gè)模擬值，設(shè)定一個(gè)模型，將鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)柱底結(jié)點(diǎn)的自由度控制在一個(gè)數(shù)值范圍中，對(duì)鋼管混凝土在實(shí)際施工中的受力情況做一個(gè)模擬分析。在操作時(shí)對(duì)柱頂施加一定的軸向壓力，而且還要施加一個(gè)水平力到相關(guān)的結(jié)點(diǎn)上，操作步驟都要按照嚴(yán)密的規(guī)范進(jìn)行，這樣才可以得到較為精確的結(jié)果，制定出最優(yōu)的加載方案。

2 鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)受力性能分析

2.1 基本試件

在一般情況下鋼管混凝土的功能不會(huì)受到較大影響，但我們還需要研究在特殊情況中的建材實(shí)際效用，為此可以模擬在地震情形中的材料受力狀況。我們根據(jù)科學(xué)的資料文獻(xiàn)可以得知，鋼管混凝土材料中的格構(gòu)柱平面為正方形，而且其方向一致，可以保證平面的穩(wěn)定。平面的大小有一定的要求，邊長(zhǎng)和鋼管柱肢、柱高等都控制為具體的數(shù)值，柱肢和綴板等部分都要進(jìn)行嚴(yán)格的焊接。經(jīng)過(guò)一系列的工程步驟，選取Q3鋼材，而且保持混凝土的強(qiáng)度為C60。

圖2 基本試件網(wǎng)格劃分

2.2 受力性能

如圖3所示，圖中的各條曲線分別表示了含鋼率不同的基本配件在單位條件下荷載力與位移的關(guān)系，以此可以看出含鋼率在建材荷載力功能方面所發(fā)揮的作用。根據(jù)圖形我們可以看到，在一定的彈塑性范圍之內(nèi)，含鋼率數(shù)值越大，斜率也越大，曲線的坡度就越陡，那么建材的剛度也隨之增大，含鋼率對(duì)于鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)的剛度以及荷載力影響比較強(qiáng)。在圖形中，鋼材的位移數(shù)值和荷載力數(shù)值都會(huì)隨著其含鋼率的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，而且是呈正相關(guān)，約束效應(yīng)系數(shù)也是隨含鋼率的增加而增大。約束效應(yīng)系數(shù)的大小也會(huì)對(duì)鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)造成一定的影響，其與混凝土的延展性和荷載力呈正相關(guān)，反之亦然，如果約束效應(yīng)系數(shù)越來(lái)越小，那么鋼管在混凝土上的約束作用就隨之減弱，建材的延展性和荷載力水平就下降。含鋼率對(duì)鋼管混凝土材料的屬性和功效等都有很大的影響，從荷載力和位移的具體變化情況就可以看出，以不同含鋼率的建材來(lái)做分析對(duì)比可以比較直觀地得出結(jié)論，無(wú)論是處于彈性階段還是非線性彈性階段，含鋼率的增加都可以提升建材的剛度等。

圖3 基本試件位移荷載曲線

骨架曲線可以反映出建材配件在不同的荷載壓力下的荷載力變化情況，即在循環(huán)壓力中應(yīng)力相連區(qū)段的總和，在鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)的研究工作中有一定的分析價(jià)值。如果在含鋼率發(fā)生變化的情況下骨架曲線的形狀并沒(méi)有產(chǎn)生太大的不同，那就說(shuō)明含鋼率對(duì)于配件荷載力來(lái)說(shuō)影響不大。骨架曲線的特征隨著含鋼率的增大會(huì)漸漸凸顯出來(lái)，配件的荷載力與延展性等都會(huì)加強(qiáng)，表現(xiàn)出極佳的建筑功能。在荷載與位移因素單向表現(xiàn)出來(lái)時(shí)，骨架曲線的基本性能特征就得以展現(xiàn)出來(lái)。

2.3 應(yīng)受力分析

建材配件的應(yīng)力值會(huì)受到很多因素的影響而發(fā)生變化，在含鋼率不同的材料受到單向水平荷載力時(shí)，鋼管應(yīng)力較強(qiáng)的區(qū)域在其頂部、底部以及柱肢和綴板連接的地方，尤其是在綴板的頂部區(qū)域。而當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)了一定的范圍，材料就會(huì)到達(dá)塑性變形階段。應(yīng)力的區(qū)域范圍還會(huì)隨著鋼管壁的厚度變化而產(chǎn)生變化，應(yīng)力幅度到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)，鋼管的應(yīng)力集中現(xiàn)象也會(huì)發(fā)生得更加明顯，因此，鋼管壁的厚度要設(shè)計(jì)在一個(gè)合理的數(shù)值范圍內(nèi)，增強(qiáng)綴板的剛性，采用更優(yōu)質(zhì)的綴板形式，以解決應(yīng)力過(guò)于集中問(wèn)題。

圖4 不同含鋼率鋼管混凝土柱應(yīng)力圖

含鋼率對(duì)于鋼管混凝土材料的結(jié)構(gòu)影響比較顯著，在一定程度上，含鋼率的增加會(huì)提高建材的強(qiáng)度、延展性以及承載力等，給材料帶來(lái)一定的優(yōu)勢(shì)條件。但是當(dāng)含鋼率增加到了一定的程度，就會(huì)產(chǎn)生副作用，這時(shí)的含鋼率與材料的極限位移和荷載能力就呈負(fù)相關(guān)，含鋼率越大，建筑材料的優(yōu)勢(shì)性能作用就越小。根據(jù)相關(guān)的工程施工規(guī)范條例來(lái)看，鋼管混凝土材料的含鋼率應(yīng)該要控制在0.05～0.2之間，在這個(gè)科學(xué)的區(qū)間才有利于材料發(fā)揮出最大的利用效率。

隨著鋼含量的增加，柱底混凝土的應(yīng)力逐漸增大，柱底的高應(yīng)力范圍逐漸擴(kuò)大。這是因?yàn)殡S著鋼含量比的增加，環(huán)系數(shù)增大，鋼管對(duì)混凝土的約束能力增大，構(gòu)件的剛度和承載力得到提高。當(dāng)試樣含鋼量為α=0時(shí)，最大應(yīng)力變化較大。在α=0.095時(shí)，最大應(yīng)力大幅度增加，鋼管應(yīng)力集中更加嚴(yán)重。從經(jīng)濟(jì)應(yīng)用的角度看，鋼管鋼含量可以提高，但鋼含量不宜過(guò)大，鋼管底部應(yīng)力集中嚴(yán)重，鋼含量過(guò)高，給施工帶來(lái)不便。所有試件在循環(huán)荷載作用下的滯回曲線都是滿的，沒(méi)有夾點(diǎn)現(xiàn)象，表現(xiàn)出較好的耗能和延性。

3 結(jié)語(yǔ)

為了提高施工效率和建材功效，可以適當(dāng)?shù)卦黾愉摴芑炷林械暮撀剩@樣可以增強(qiáng)建筑物施工的安全性，加強(qiáng)材料的承載力等性能的優(yōu)勢(shì)。但是含鋼率的具體數(shù)值要經(jīng)過(guò)科學(xué)的計(jì)算分析后得出，否則不僅達(dá)不到預(yù)期效果，還有可能造成不良影響。鋼管材料的管壁厚度對(duì)應(yīng)力的影響也比較大，要合理控制好管壁的厚度，保持綴板連接等區(qū)域的應(yīng)力值在一個(gè)正常水平，減輕對(duì)鋼管混凝土材料結(jié)構(gòu)的破壞。對(duì)鋼管混凝土材料結(jié)構(gòu)的研究為建筑施工工作科學(xué)順利進(jìn)行提供了借鑒，做好這方面數(shù)據(jù)的計(jì)算分析，可以幫助提升建筑物施工的質(zhì)量，而且還可以有效應(yīng)用到地震的環(huán)境區(qū)域當(dāng)中。在具體的曲線圖形中，鋼管混凝土材料呈現(xiàn)出飽滿的線段，則表示材料的延展性和抗壓性良好，即使在條件惡劣的環(huán)境中也可以發(fā)揮出材料優(yōu)勢(shì)，從最大程度上保證大家的生命和財(cái)產(chǎn)安全，值得對(duì)其進(jìn)行廣泛的研究與運(yùn)用。