鋼骨形式對鋼管混凝土短柱軸壓承載力的影響

張 磊，杜木子

(1.西安石油大學 實驗室管理處(實驗中心)，陜西 西安 710065；2.陜西市政建筑設計研究院有限公司，陜西 西安 710021)

0 前 言

鋼管混凝土柱由于其承載力高、塑性好、施工方便等特性廣泛應用在建筑、橋梁、地下建筑等結構中。目前已有研究表明，鋼管混凝土柱中配置鋼骨不僅可以有效提高承載力，相比普通鋼管混凝土柱還具有更好的抗彎剛度、延性、耐火性能等優點[1]，但是鋼管混凝土內鋼骨形式對承載力影響的研究還比較少。因此，本文采用ABAQUS有限元軟件對6個內配不同鋼骨的構件進行非線性分析，研究鋼骨形式對承載力的影響，進而發掘出最具經濟性與安全性的鋼骨配置形式。

1 有限元模型的建立

1.1 單元選取與網格劃分

ABAQUS中擁有多種單元類型可供選擇，本文為了更好地體現出鋼管、鋼骨與混凝土之間相互作用的關系，故混凝土、鋼管與鋼骨均采用減縮積分形式的八節點線性六面體單元(C3D8R)。

網格采用自適應結構劃分方法進行劃分，保證每個單元的三項尺寸相差不大。

1.2 本構關系

本文所建立模型的本構關系主要有鋼材和混凝土。鋼材的本構關系采用三折線模型模擬鋼材的應力應變關系。

鋼管內混凝土的塑性應力應變模型采用ABAQUS所提供的混凝土塑性損傷模型，塑性損傷模型可以很好地反映出混凝土在軸壓過程中的剛度退化和承載力退化現象。

混凝土抗壓應力應變關系采用韓林海[2]的混凝土單軸抗壓應力應變表達式，抗拉本構模型采用《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)[3]中的應力應變關系表達式。

1.3 接 觸

本文所建立模型接觸主要有混凝土與鋼骨、混凝土與外鋼管之間的接觸。混凝土與鋼骨、混凝土與外鋼管的接觸法向為硬接觸、切向為“罰”接觸，采用此接觸可以很好地模擬鋼管混凝土中鋼管對混凝土的約束作用。

1.4 邊界條件與加載方式

本文分別在柱頂與柱底設置參考點耦合其加載截面，并設置邊界條件及作用力。在柱底約束X、Y、Z方向的位移以及X、Z方向的轉角位移，在柱頂約束X、Y方向位移以及Z方向的轉角位移防止柱在加載過程中發生扭轉。加載方式采用位移加載。

2 分析結果

2.1 鋼骨-鋼管混凝土短柱軸壓承載力

內配不同鋼骨的鋼管混凝土極限軸壓如表1所示，其中鋼管和鋼骨均為Q235鋼材，混凝土采用C60混凝土鋼骨。

表1 模型計算結果

由表1可知，當鋼管厚度相同時，內配鋼骨可以顯著提高短柱軸壓承載力，內配圓鋼管、方鋼管、工字鋼、十字型鋼的構件相比沒有配置鋼骨的構件承載力分別提高了27.39%、24.82%、25.18%、25.40%，這主要是因為內配鋼骨不僅可以提高了構件的截面含鋼率、而且鋼骨和鋼管會對混凝土產生雙重約束力，其中內配圓鋼管產生的雙重約束效果最好，內配方鋼管的約束效果最差，內配工字鋼和十字型鋼的約束效果相差不大，且好于內配方鋼管的構件。當截面含鋼率相同時，內配圓鋼管、方鋼管、工字鋼、十字型鋼相比沒有配置鋼骨的鋼管混凝土承載力分別降低了0.3%、2.4%、2.0%、2.0%，這主要是因為當截面含鋼率相同時，未配置鋼骨的構件鋼管厚度明顯大于內配鋼骨的構件，從而使約束效應系數顯著增大，有研究表明[4]，約束效應系數的增加會增大鋼管混凝土的軸壓承載力，因此，當含鋼率相同時，約束效應系數較大的SC1構件承載力會略大于其他試件。

2.2 鋼骨-鋼管混凝土軸力應變關系

內配不同鋼骨的鋼管混凝土軸力應變關系如圖1所示。

圖1 鋼骨-鋼管混凝土軸力應變曲線

由圖1可知，6個構件在加載時均有明顯的彈性階段-彈塑階段-下降段。配骨指標相同時，內配圓鋼管的鋼骨-鋼管混凝土不僅極限承載力高，而且殘余承載力也高于其他構件，這主要是由于內外圓鋼管的雙重約束不僅使混凝土承載力得到加強，而且鋼管在內外混凝土的雙重約束下，可以延緩鼓曲，從而使殘余承載力得到有效提高。內配方鋼管的構件殘余承載力最差，這主要是因為方鋼管對混凝土的約束力主要作用在四角，從而使其對混凝土的約束不能得到充分發揮，因此，造成了承載力和殘余承載力較低。內配工字鋼和十字型鋼的構件，極限承載力以及殘余承載力幾乎相同，且都高于內配方鋼管的構件而低于內配圓鋼管的構件，這說明工字鋼和十字型鋼雖然鋼骨形式不同，但是對混凝土在鋼管中的約束效果幾乎相同的。

因此，工程中在鋼管混凝土柱內配置圓鋼管會取得較好的安全性與經濟性。

3 結 論

1)基于ABAQUS有限元軟件合理考慮單元選擇、本構關系、接觸關系，以及邊界條件建立了6個鋼骨-鋼管混凝土模型，并進行了非線性分析。

2)當鋼管厚度相同時，在鋼管混凝土柱內配置任何形式鋼骨均可以有效提高短柱的軸壓承載力。

3)當柱截面含鋼率相同時，未配置鋼骨的鋼管混凝土極限承載力最高，內配圓鋼管的鋼管混凝土承載力略低于未配置鋼骨的鋼管混凝土；內配工字鋼和十字型鋼的鋼管混凝土極限承載力接近；內配方鋼管的鋼管混凝土極限承載力最差。

4)當配骨指標相同時，內配圓鋼管的鋼管混凝土殘余承載力最高，未配置鋼骨的鋼管混凝土以及內配工字鋼和十字型鋼的鋼管混凝土殘余承載力接近，而內配方鋼管的鋼管混凝土殘余承載力最差。因此，在工程中使用內配圓鋼管的鋼管混凝土最有經濟性。

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