本文是一篇土木工程论文，本文主要采用有限元分析方法，对中空夹层钢管混凝土柱内外钢管与混凝土界面的黏结性能进行研究，利用弹簧单元与接触单元建立接触界面的黏结滑移，可以准确模拟钢材和混凝土界面黏结性能的有限元模型，并在验证现有钢管混凝土试验的基础上，进一步对中空夹层钢管混凝土柱混凝土同内外层钢管黏结性能、工作机理及影响参数进行分析。
第1章绪论
1.1课题来源
1.1.1研究背景
十四五规划期间，我国建筑结构建设又一次进入了高速发展的时期，为满足建筑结构的功能需要，人们通过大量的理论知识推动现代建筑结构的不断创新和发展，因此不仅新型建筑材料受到越来越多的应用，各类大跨度、重载和高层建筑物的设计方案也在不断推进。
钢管混凝土结构由于其优越的受力性能和施工性能，不仅可以作为建筑物的主要承重构件，还因其特殊的组合构造满足现代工业化要求，因而在国内外获得推广[1-3]。钢管混凝土结构是一种将混凝土注入钢管内，使钢管与混凝土可共同受力的一种复合结构，钢管混凝土常用的截面形状如图1.1所示。
钢管混凝土是利用钢管约束混凝土，使内部混凝土处于三向受力状态，内部混凝土在三向应力状态下，极限抗压强度明显增大，同时钢管较好的受拉性能能得到充分的利用。因此在这样的组合结构下，可以将二者的力学优势实现互补从而弥补二者之间的缺陷，并最大限度地发挥复合材料的力学性能。
1.2相关课题研究现状
钢管与混凝土界面之间的黏结强度直接影响到两种材料间的协同工作性能，因此,钢管与混凝土之间的黏结滑移问题是工程界较为关心的问题，也是研究者近期关注的热点问题之一。目前国内外主要是对钢管混凝土构件和中空夹层钢管混凝土构件的轴压方面的研究，而对钢管与混凝土界面之间黏结性能的研究还很少。
1.2.1钢管混凝土界面黏结性能研究
钢管与混凝土之间的黏结性能常采用钢管与混凝土界面的推出实验与推离实验进行研究。推出试验的原理是在一端留出一根空心钢管，另一端将一根直径稍小于钢管的钢垫片置于混凝土中心顶部，在试验中，试件一端承受核心混凝土，另一端通过钢管的压力将核心混凝土从钢管中挤出来；推离实验是在钢管上、下端分别承受钢管、混凝土的压力，通过在钢管上粘贴应变片并与上、下端的钢管与混凝土的纵向应变进行比较，得出钢管的纵向和横向应变。由于推出实验可以测量钢管混凝土界面的黏结-滑移，从而测定其黏结强度，因此，现有的实验研究多以推出实验方法进行。
英国学者Virdi和Dowling[8-9]首先提出推出实验与推离实验，以不同浇筑方式、钢管粗糙程度及钢管的宏观偏差等参数对圆钢管混凝土界面黏结性能的影响，如图1.4所示。
第2章钢管与混凝土界面黏结性能有限元模型
2.1弹簧单元的介绍
2.1.1弹簧单元的介绍
在有限元软件ABAQUS中，弹簧可以分为线性弹簧单元和非线性弹簧单元，由于非线性COMBIN39弹簧单元是一种无重量、无热容的线性弹簧，它具有非线性的作用且弹簧刚度呈现非线性特征，因此可以对不同的骨架曲线进行模拟。由于混凝土与钢管界面的黏结力和对应的滑移量为非线性关系，所以布置在钢管与混凝土节点上的弹簧单元也应该呈现非线性关系，因此针对钢管混凝土界面黏结一般采用COMBIN39非线性弹簧单元。
COMBIN39单元包含在混凝土节点与钢管壁节点中，且可以通过F(力)-S(位移）确定弹簧的刚度曲线。在COMBIN39单元的刚度曲线中，第一象限是受拉力作用，而第三象限是压力作用，定义的曲线特征点不能出现在第二、第四象限。钢管壁结点和混凝土结点在空间上是三维的，因此可以在同一节点处设置纵切向(构件长度方向)、环切向(垂直钢管长度方向且与连接面相切)、法向(垂直于钢管—混凝土黏结平面方向)的弹簧单元来对钢管混凝土界面进行处理,从而测出界面黏结滑移。钢管壁节点与混凝土节点之间弹簧关系如图2.1所示。非线性弹性体的力学特性是由弹性体的两个结点F和伸缩量S曲线来确定的，因而不需要定义材料特性，也不需要确定弹簧体的长度。
为了充分考虑钢管混凝土界面的相互影响，ABAQUS将三个非线性弹性单元COMBIN39单元应用于钢管-混凝土界面的耦合-滑动问题，即沿连接面法向、纵向切向和环向切向的交互作用。每个弹簧长度都是0。每个弹簧的力学特性都是通过F-S曲线来决定的，而F-S曲线则是通过在各个方向上的相互作用来决定的。
2.2接触单元的介绍
在ABAQUS有限元分析中，接触单元是覆盖在钢管与混凝土单元接触面上的一层单元，它无重量且无热容，因此可用来模拟接触界面的黏结滑移。建立的接触面是由目标单元和接触单元组成，钢管节点壁与混凝土节点壁的界面黏结性能是通过接触面上定义“接触对”来进行黏结滑移分析，其特征是目标单元可以穿过接触单元，但接触单元不能穿过目标单元。在建立接触面时，对刚性目标面的定义：二维目标单元可以是一系列直线、弧线或抛物线，采用TARGE169单元进行仿真；对三维目标单元的定义可以是三角面、圆柱面、锥面和球面，采用TARGE170进行仿真。关于柔性体的接触：2D界面可以用CONTA171和CONTA172来进行仿真；3D界面可以通过CONTA173和CONTA174来进行仿真。
在确定接触面与目标面时，凸面被设定为接触表面，平面或凹面被设定为目标表面；网格密度越细的表面被称为为接触表面，网格密度越粗的表面被称为目标表面；柔软的表面被界定为接触表面，而更坚硬的表面被界定为目标表面；高阶单元是接触表面，而低级单元是目标表面；较小的表面被称为接触表面，而较大的表面被称为目标表面。因此在接触面上，一般以TARGE170单元定义内外钢管壁的接触表面，用CONTA173单元来确定夹层核心混凝土的目标表面。如图2.4所示，将混凝土与外钢管的推出面称为OC界面，混凝土与内钢管的推出面称为IC界面。
综上所述，在ABAQUS对以往关于钢管混凝土界面黏结进行模拟时，一般采用接触单元或COMBIN39非线性弹簧单元设立黏结属性。由于本文以圆套圆中空夹层钢管混凝土OC、IC界面黏结为主要研究对象，只采用非线性弹簧单元来确定中空夹层钢管混凝土的界面特性时，模拟结果的荷载位移曲线不收敛，无法精确地反映出随着滑移量的增大界面黏结力也随之增大的变化规律。这是由于在进行中空夹层钢管混凝土界面黏结性能的有限元分析时，切向和法向的接触一般都是由非线性弹簧单元来确定，但非线性弹性单元中只能沿着空间直角坐标系（Ux、Uy、Uz）进行平动约束，对于方钢管混凝土推出构件由于其各个平面之间均是垂直或平行的，在定义接触界面各个方向时均可以采用非线性弹簧单元进行黏结滑移模拟。
第3章外钢管与混凝土柱界面黏结性能研究.......................31
3.1参数分析............................31
3.1.1钢材强度.....................................33
3.1.2混凝土强度..............................36
第4章内钢管与混凝土柱界面黏结性能研究..............................48
4.1参数分析..............................48
4.1.1空心率.....................................49
4.1.2钢材强度.......................50
第5章结论和展望........................61
5.1结论....................................61
5.2展望..................................62
第4章内钢管与混凝土柱界面黏结性能研究
4.1参数分析
为了对内钢管与混凝土柱界面黏结进行有限元研究，通过ABAQUS建立中空夹层钢管混凝土IC界面推出构件有限元模型，外管外径均为200mm，构件高度以600mm、内钢管直径以100mm、混凝土强度以C40、钢材强度以Q355为主，主要研究了空心率χ(0.31、0.52、0.72)、内外钢管钢材强度（Q235、Q355、Q460），混凝土强度(C40、C50、C60)，内外钢材壁厚(3mm、5mm、7mm)，构件长度(400mm、600mm、800mm)对IC界面的影响，有限元模型构件参数如表4.1。
第5章结论和展望
5.1结论
本文主要采用有限元分析方法，对中空夹层钢管混凝土柱内外钢管与混凝土界面的黏结性能进行研究，利用弹簧单元与接触单元建立接触界面的黏结滑移，可以准确模拟钢材和混凝土界面黏结性能的有限元模型，并在验证现有钢管混凝土试验的基础上，进一步对中空夹层钢管混凝土柱混凝土同内外层钢管黏结性能、工作机理及影响参数进行分析，得到以下结论：
（1）利用有限元软件ABAQUS，将钢管及混凝土定义为实体单元，并对其接触界面采用弹簧单元与接触对相结合的建模方法，不仅可以准确的模拟钢管混凝土柱的黏结力学性能以及破坏形态，同时对于中空夹层钢管混凝土构件OC界面以及IC界面的性能也有良好的预测效果。
（2）钢管混凝土构件的极限黏结力随着混凝土强度等级的增大而增大，其上升的幅度不大；随着长细比的增大而降低；随着钢管屈服强度和钢管外壁厚度的增大而增大，外钢管的壁厚是钢管混凝土柱的主要影响因素；其他条件相同，仅改变单一参数的情况下，截面形状为圆形的钢管混凝土构件的界面黏结性能普遍优于方形钢管混凝土构件的界面黏结性能。
（3）中空夹层钢管混凝土推出OC界面构件的极限黏结力随着混凝土强度和构件长度的升高而升高，但提高的不明显；随着外钢管屈服强度和外钢管壁厚的提高而显著提高，钢管壁厚对OC界面黏结性能影响最大；空心率与内钢材屈服强度的提
