內配圓鋼管鋼骨混凝土軸心受壓柱受力特性分析

李莉斯

(西藏大學，西藏拉薩 850000)

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內配圓鋼管鋼骨混凝土軸心受壓柱受力特性分析

李莉斯

(西藏大學，西藏拉薩 850000)

為了研究內配圓鋼管鋼骨混凝土軸心受壓柱受力特性，文章采用大型有限元軟件ANSYS建立了圓鋼管的鋼骨混凝土柱的有限元分析模型，對其在軸心受壓時的內力分布情況、變形性能進行分析，研究了影響內配圓鋼管鋼骨混凝土受力特性的因素，得出了提升其受壓性能的建議，以期對今后類似工程的提供一定的設計參考。

內配圓鋼管； 鋼骨混凝土柱； 有限元； 軸心受壓

隨著國內建筑業的快速發展，建筑結構向超高層、重載方向發展，導致建筑物中主要承載構件——柱子的結構設計在現有的結構理論體系下面臨嚴峻挑戰[1]。內配圓鋼管鋼骨混凝土以受力性能好、性價比高、應用價值高等優點逐漸被應用于工程實際中[2]。

因為配圓鋼管鋼骨混凝土柱的諸多優勢，國內外學者們開展了一定的試驗及理論研究。張德娟[3]從組合柱的破壞產生機理入手，利用38根核心方柱分析研究了其周期反復水平荷載的受力特性，指出了影響組合構件延性的關鍵原因；陳周熠[4]對比研究了8根鋼管高強混凝土核心軸壓短柱的受力性能和破壞特點；林擁軍等[5]依托工程實踐，采用9根核心方柱對軸壓試驗展開了研究，之后又在這些構件的三種類型的節點上完成了低周反復荷載試驗。

雖然國內學者對這種新型混凝土柱結構開展了大量研究，但國內學者們對其軸心受壓承載力的研究不多且不系統，而且其應用歷史也不長。基于此，本文著重針對軸心受壓這一力學性能對配有圓鋼管的鋼骨混凝土柱展開研究，通過對比普通混凝土柱研究其承載能力及延性，并研究鋼骨含鋼率、箍筋配筋率等對其性能的影響，以期可以促進其理論研究的發展以及在實際工程中的應用。

1 計算模型建立

1.1 模型選擇

鋼筋混凝土結構一般采取的有限元模型的主要類型有三種：分離式、整體式和組合式[9]。本文考慮內配圓鋼管鋼骨混凝土單構件計算的精確性，采用分離式有限元模型，確保計算結果接近真實情況。

1.2 本構關系選擇

由于混凝土材料的特性，混凝土受力時，應力和變形關系尚且不能用一種本構模型能夠完全合理地描述。本文在參考相關資料和規范的基礎上，考慮本研究構件的結構特征及受力特點，采用以下本構關系進行模擬見式(1)。

(1)上升段采用GB 50010 《混凝土結構設計規范》建議表達式模擬。

(2)下降段采用Hognestad的表達式模擬。

(1)

1.3 模型建立

基于研究目的，本次混凝土取的模型為Solid65單元，鋼管采取的模型為Solid45單元，箍筋和縱筋采取的模型為Link8單元，模型如圖1所示。

2 軸壓荷載-位移分析

2.1 與普通鋼筋混凝土柱比較

同尺寸、材料性能參數情況下將內配圓鋼管鋼骨混凝土柱與普通鋼筋混凝土柱進行同條件受力分析，通過數值模擬得到這兩種柱的柱頂荷載-位移曲線(圖2)。

從圖2可以看出：

(1)配有圓鋼管的鋼骨混凝土柱的屈服荷載和極限荷載都高于普通鋼筋混凝土柱，說明混凝土柱以圓鋼管為鋼骨的承載力是高于普通鋼筋混凝土柱的；

(2)配有圓鋼管的鋼骨混凝土柱的柱頂極限位移與普通鋼筋混凝土柱相較之下，前者提高較大，且具有更好的延性。因此混凝土柱內配有圓鋼管的鋼骨時比普通鋼筋混凝土柱在受力性能和變形性能方面均有很大的提高。

2.2 鋼骨含鋼率影響分析

內配有圓鋼管的鋼骨混凝土柱軸心受壓時，在相同截面尺寸、鋼筋配置和混凝土強度等級下，研究不同鋼骨含鋼率的影響。對上述構件進行數值模擬，得到荷載-位移曲線如圖3所示。

(a)模型整體

(b)模型細部圖1 配有圓鋼管的鋼骨混凝土柱有限元模型

圖2 兩種柱的柱頂荷載-位移曲線

圖3 不同含鋼率柱頂荷載-位移曲線

從圖3可以看出：

(1)內配圓鋼管的鋼骨混凝土柱的屈服荷載的提高只能通過在一定范圍內增大鋼骨含鋼率來實現，試件的極限荷載隨著鋼骨含鋼率的增加而增大；

(2)含鋼率為1.5 %的模擬試件的柱頂位移最大，其次是含鋼率為3.5 %、9.5 %和7.5 %，因此考慮其變形性能的提高，鋼骨含鋼率的增加不超過3.5 %為宜。

綜上所述，要同時提高內配圓鋼管的鋼骨混凝土柱的屈服強度和變形能力，鋼骨含鋼率的范圍最好不超過7.5 %。

2.3 配筋率影響分析

考慮配筋率對混凝土柱配有圓鋼管鋼骨影響，在其他條件相同的情況下僅配箍率不一樣時的數值模擬試件的柱頂荷載-位移曲線如圖4所示。

圖4 不同配筋率柱頂荷載-位移曲線

從圖4可以看出：

(1)盡管配箍率不一樣，但曲線發育情況近似。配箍率越大，極限荷載也隨之變大，但是這個變化不是太明顯；

(2)隨著配箍率的增大，其柱頂的位移是增加的，因此可以說明當混凝土柱配有圓鋼管的鋼骨時增加其配箍率可以有效地提高延性，也能增加一定的承載力。

2.4 縱向鋼筋配筋率影響分析

研究縱向鋼筋配筋率對其影響，在其他條件相同的情況下僅配箍率不一樣時的數值模擬試件的柱頂荷載-位移曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：

(1)柱的極限荷載隨縱筋鋼筋配筋率的增大而增大，所以縱筋配筋量的增加會有效提高混凝土柱配有圓鋼管為鋼骨時的承載力；(2)隨著縱筋鋼筋配筋率的增加，柱的最大位移的改變卻沒有多大變化。因此縱筋配筋率的增加對內配圓鋼管的鋼骨混凝土柱的承載力的提高是有意義的，但對其延性的影響不大。

3 結論與建議

本文通過ANSYS數值模擬，對內配圓鋼管鋼骨混凝土軸心受壓受力特性進行相關研究，得到了以下結論：

(1)相比普通鋼筋混凝土柱而言，以圓鋼管為鋼骨的混凝土柱有更好的承載能力和延性。

(2)配以圓鋼管為鋼骨的混凝土柱的極限荷載和屈服荷載隨鋼骨含鋼率、箍筋配筋率和縱筋配筋率的增加而增大，但強度增長率有所不同。

[1] 鄧俊.淺談輕鋼-混凝土組合結構的應用[J]. 住宅科技，2010(8)：49-51.

[2] 劉潔.鋼管混凝土核心柱的最新研究進展[J].山西建筑，2008(30)：80-81.

[3] 劉潔，王正中. 鋼管混凝土核心短軸壓承載力計算公式研究[J]. 山西建筑，2008(21)：10-12.

[4] 江一鳴. 鋼骨-鋼管高性能混凝土組合柱受力性能分析[J]. 城市建設理論研究，2013(9).

[5] 林擁軍，李潔等. 配有圓鋼管的鋼骨混凝土短柱軸心受壓正截面受壓承載力的試驗研究[J] .四川建筑科學研究，2003(4)：11-13.

西藏大學學科(學位)培育點項目“建筑與土木工程”

李莉斯(1982～)，女，工學碩士，研究方向為結構工程。

TU311.1

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[定稿日期]2017-04-26