刘永超
(辽宁省交通规划设计院有限责任公司公路养护技术研发中心 沈阳市 110111)
摘 要： 建立外方内圆带肋中空夹层钢管混凝土在轴向压力及水平往复荷载共同作用下的有限元分析模型，研究构件的抗震性能，发现单调P-Δ曲线能够较好地反应出滞回曲线的骨架曲线的特点，进一步研究发现增设加劲肋提高了构件的抗震性能，其变形及耗能能力均优于普通中空夹层钢管混凝土。
关键词： 复式钢管混凝土；加劲肋；抗震性能；有限元分析
1 背景
在外钢管尺寸相同的情况下，中空夹层钢管混凝土与实心钢管混凝土相比，延性和抗震性能均得到了提高。其中，外方内圆中空夹层钢管混凝土，与圆形截面构件相比抗弯刚度大，稳定性能好；连接构造简单，方便施工。但其破坏时与对应的实心钢管混凝土的破坏形态类似，均表现为局部屈曲。为了改善构件破坏形态，增设加劲肋是有效措施，即用加劲肋将内外侧钢管进行连接，见图1，这是一种新型的复式钢管混凝土。采用有限元方法对这种新型的复式钢管混凝土的抗震性能展开研究。
非饱和土中水的流动性非常复杂。土体的性质、水的储存、蒸发以及瞬时渗透均与水的流动性有关。非饱和渗流参数如表3所示。
图1 复式钢管混凝土截面
2 钢材本构关系
钢材滞回曲线的骨架曲线用其单轴拉压双折线模型代替，共分为两部分，一是弹性阶段，二是强化阶段，其中弹性阶段斜率为钢材的弹性模量Es，强化阶段的斜率为0.01Es。钢材加卸载路径如图2所示，卸载时不考虑刚度退化。
图2 往复荷载作用下钢材本构模型
3 混凝土本构关系
混凝土滞回曲线的骨架曲线用其单轴拉压本构关系曲线代替。混凝土受压时的本构关系模型如下：
按照“小总部、大产业”的思路推动集团本部改革，明确省农垦集团-产业集团及区域集团-子公司（含农场基地公司）各级企业的定位、职能和管理权限，建立适应市场经济要求、精简高效的集团运作架构。完善各级企业法人治理机构，建立健全权责对等、运转协调、有效制衡的决策执行监督机制和灵活高效的市场化经营机制，党组织的领导核心和政治核心作用、董事会的决策作用、监事会的监督作用、经理层的经营管理作用的职责划分明确，实现规范的公司治理。推动农场进一步树立企业经营理念，精简机构人员，增强经营能力。
(2)圆上的任意一点到定点(圆心)的距离等于常数(半径)，而点M在椭圆上运动时，点F1、F2的位置不发生变化.请同学们用文字语言归纳,椭圆上任意一点应具有怎样的性质呢？
(1)
式中：
为钢材面积；Ac为核心混凝土的面积；fc为混凝土的圆柱体轴心抗压强度；fy为钢材的屈服强度。
弹性模量按式
计算，泊松比设为0.2。
前，我曾来过这个博物馆。这次再来，最大的感受，就是鲁迅还活着，活在跳动的文字里，活在人们的心目中。
混凝土单轴受拉的本构关系式如下：
(2)
式中：
为峰值拉应力，σp=
为与峰值拉应力对应的拉应变，εp=43.1σp(με)。
4 计算模型的建立
建立的复式钢管混凝土物理、力学参数为：B=200mm，L=1200mm，t=t0=ts=3mm，D=80mm，bs=57mm，fc=38.5MPa，fy=235MPa。同时建立具备同样物理、力学参数的普通中空夹层钢管混凝土计算模型，进行两者的力学性能对比研究。
混凝土和钢管均选取实体单元C3D8R。混凝土和钢管之间假设为共节点同步变形，计算快捷，计算精度能够得到保证。
因为计算模型同时承受轴向压力和水平荷载，其形状和边界都是对称的，可取关于YZ平面对称的1/2构件进行计算，可大大节省时间成本，如图3所示。
图3 模型边界条件及加载方式
分析时分两步进行。第一步，在构件顶部施加满足轴压比要求的恒定轴压力。第二步，在构件顶部施加往复的水平荷载。为便于收敛，采用位移控制方式施加水平往复荷载。
采用如图4所示的加载制度。设Δy为复式钢管混凝土的水平屈服位移，则加载时各级水平位移分别为1Δy、1.5Δy、2Δy、3Δy、5Δy、7Δy、8Δy。其中前3级荷载(1Δy、1.5Δy和2Δy)每一级均循环3次，其后各级均循环2次。
通过对建筑、结构、MEP等各专业模型的管线综合深化设计后，对设计中存在的“错、漏、碰、缺”等问题进行了处理。但要完成符合现场安装需求的预制加工图纸，对模型的细化修正工作不能只停留在模型及图纸层面上，必须要结合施工现场、施工工艺以及经济等相关因素综合考虑，对于纯理想主义的深化设计图纸，未考虑现场实际偏差等，工厂化预制很容易造成很大的损失。如果预制完成后，在安装时才发现预制的半成品与实际情况不符，那工程化预制就毫无意义可言。管线综合优化、合理化及现场核对工作对于工厂化预制非常重要。
图4 水平荷载加载制度
5 计算结果分析
5.1 破坏形态
图5 两种构件的破坏形态对比
图5给出了复式钢管混凝土及普通中空夹层钢管混凝土在往复荷载作用下的破坏形态。两种构件破坏部位均主要发生在端部，外钢管均向外局部鼓曲。改进构件变形最大位置在B/4或3B/4处，而普通构件变形最大位置是在B/2处，另外，改进构件最大变形减小，可见加劲肋的存在改善了构件的变形性能。这是因为构件在变形时，加劲肋与内钢管相连，为外钢管提供一个有力约束，所以有效减缓外钢管的变形。
5.2 荷载-变形曲线
以带肋构件顶端的水平反力P和水平位移Δ为变量，绘制出了带肋构件在往复水平荷载作用下的P-Δ曲线，同时给出构件在单调水平荷载作用下的P-Δ曲线，对两者进行对比分析，如图6所示。
图6 滞回曲线与单调P-Δ曲线对比
从图6可知，单调荷载作用下P-Δ曲线与滞回曲线的骨架线基本接近，可以用单调荷载作用下P-Δ曲线代表滞回曲线的骨架曲线，来研究构件的抗震性能，这样将大大简化计算过程，且可靠性能够得到保证。
图7给出了复式钢管混凝土与普通中空夹层钢管混凝土构件的单调P-Δ曲线。
图7 单调P-Δ曲线对比图
从图7可知，普通构件水平承载力为147.2kN，改进构件水平承载力为161.6kN，增加了9.8%。另外，普通构件水平承载力达到最大后下降速率较大，而改进构件水平承载力达到最大后下降速率较小，说明构件设置加劲肋以后延性有较大幅度的提升。
5.3 变形能力
表1中对比了改进构件与普通构件的变形能力。可知，设置加劲肋以后构件的位移延性系数μ及极限层间位移角θ均明显提高，说明加劲肋能够有效改善构件的变形能力。
表1 变形能力对比表
构件类型μθ不设肋构件2.8460.00925设肋构件4.2200.01442
5.4 耗能能力
图8给出了带肋的和不带肋两种构件在受力过程中吸收能量的情况。
图8 耗能能力对比图
由图8可知，在受力初期，两种构件都处在弹性阶段，构件吸收的能量较少；随着水平位移的增大，构件吸收的能量越来越多，而且构件的耗能能力没有减弱；另外，改进构件吸收的能量明显比普通构件多，说明加劲肋的存在提高了构件的耗能能力，更有利于抗震。
还应注意，约束优化下的EI准则描述的是新试验点x对现有最小可行响应值的改进，故式(4)中的最小响应值在式(5)和式(8)中须改为最小可行响应值另外，若初始试验设计中不包含可行试验点，本文先用如下准则添加一个可行试验点：
6 结论
(1)普通中空夹层钢管混凝土增设加劲肋后在水平往复荷载作用下破坏时的屈曲变形明显减小。
(2)改进后的复式钢管混凝土构件单调水平P-Δ曲线与滞回曲线的骨架曲线形状接近，因此可以采用单调P-Δ曲线代表骨架曲线来研究构件的抗震性能，有效简化了计算过程。
(3)带加劲肋的复式钢管混凝土的水平极限承载力、变形能力及耗能能力均好于普通中空夹层钢管混凝土。
