方形鋼管高強混凝土疊合短柱軸壓力學性能研究

程志敏

（中鐵建設集團有限公司，北京 100040）

0 引言

鋼管混凝土疊合柱是由外圍鋼筋混凝土與內部鋼管混凝土疊合而成的一種新型組合構件，具有承載力高、抗震性能好和變形性能好等優點［1］，目前已逐漸在建筑工程中得到應用。實際結構中，鋼管混凝土疊合柱常被用于軸壓比較大的豎向承重構件，如超高層建筑的核心筒中［2］，因此要求此類構件具備較高承載力和較好的變形性能。將高強混凝土應用于鋼管混凝土疊合柱中，在滿足承載能力要求的同時，受到鋼管約束的高強混凝土又具有較好的變形性能［3］。

目前，已有相關學者對方形鋼管普通強度混凝土疊合柱進行了一系列研究。2013—2019 年，劉麗英［4］、堯國皇等［5］、劉陽等［6］和Hong 等［7］針對核心混凝土立方體抗壓強度fcu為39.1～55.5 MPa范圍內的方形鋼管混凝土疊合短柱進行了軸壓力學性能試驗與有限元分析，主要得出以下結論：相同用鋼量情況下，與鋼筋混凝土柱相比，鋼管混凝土疊合柱具有更高的承載力和更好的變形性能；鋼管混凝土疊合柱的承載力隨著鋼管混凝土含鋼率的增加而增大；鋼管與混凝土的相互作用隨著加載歷程不斷變化，當疊合柱達到極限承載力時，鋼管與核心混凝土之間存在壓應力。

基于上述研究基礎，本文對方形鋼管高強混凝土疊合短柱軸壓力學性能進行了試驗與有限元計算研究，重點研究了試件的破壞形態、材料強度與鋼管混凝土含鋼率變化時對構件承載力、剛度和延性影響規律。基于試驗及有限元計算結果，與相關設計規范進行對比，建議了方形鋼管高強混凝土疊合短柱軸壓承載力計算公式。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本文共進行4 個方形鋼管高強混凝土疊合短柱軸心受壓試驗，變化參數為鋼管厚度，試件設計截面及參數分別見圖1 及表1。試件高度H均為900 mm，截面寬度B0設計為高度H的1/3。縱筋與箍筋的直徑分別為15.6 mm 和7.7 mm，箍筋間距為100 mm，縱筋配筋率α1與箍筋體積配箍率ρs分別為2.2% 和1.0%；混凝土保護層厚度為20 mm。試驗時，參考《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）［8］測得同等養護條件下外圍混凝土與核心混凝土立方體抗壓強度fcu，test分別為62.6 MPa 和71.5 MPa，彈性模量Ec分別為37.2 GPa 和36.2 GPa。鋼管與鋼筋材性指標參考規范《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）［9］測得，如表2 所示。

圖1 試件橫截面Fig.1 Cross section of specimen

表1 試件參數Table 1 Parameters of specimens

表2 鋼管與鋼筋材性指標Table 2 Properties of steel tube and steel bar

1.2 試驗裝置及加載制度

試驗在太原理工大學1 000 t 電液伺服壓力機上進行，加載裝置如圖2 所示。在試件中部高度處每間隔90°布置縱向應變片用于測量柱中部位置處的縱向變形。通過試件上下端布置的位移傳感器測量試件軸向位移。為防止軸壓過程中混凝土壓潰飛濺，在試件外圍布置防護網。正式加載前對試件進行預加載，加載范圍為預估極限荷載的30%。正式加載時，采用分級加載制度，前期采用力加載進行控制，加載速率為1 kN/s；當接近極限荷載時轉為位移加載控制，加載速率為0.05 mm/min；當承載力下降到極限承載力的65%左右時停止加載。

圖2 試驗裝置Fig.2 Experiment device

2 試驗結果

2.1 試件破壞形態

圖3（a）—（d）分別給出了4 個試件的軸壓破壞形態。當鋼管厚度由3.68 mm 增加到5.80 mm時，試件的破壞形態基本一致，破壞形態均表現為外圍混凝土壓潰剝落、縱筋受壓屈服與箍筋受拉屈服。方形鋼管高強混凝土疊合短柱軸壓全過程可總結如下：加載初期，試件表面無裂縫；當荷載達到極限荷載的80%左右時，試件中部高度處及上下端出現細小的豎向裂縫，并伴隨混凝土壓潰響聲；隨著荷載繼續增加，試件中部高度處的豎向裂縫逐漸向兩端發展；當荷載達到極限荷載時，試件表面出現貫通的豎向裂縫，部分混凝土保護層壓潰剝落，縱筋與箍筋發生了明顯的外鼓。

圖3 試件破壞形態Fig.3 Failure modes of specimens

2.2 荷載-應變曲線

圖4 與表3 分別給出了不同鋼管厚度的方形鋼管高強混凝土疊合短柱軸壓荷載—縱向應變曲線和軸壓力學性能指標，其中曲線前半段通過貼在試件中部的縱向應變片獲得；混凝土開裂應變片失效，曲線后半段通過試件上下端布置位移計換算得到。由圖4 可得，鋼管厚度的變化對試件荷載—應變曲線的發展無影響。試件的荷載—縱向應變曲線可大致劃分為4 個階段，分別為彈性階段、彈塑性階段、下降段和平緩段。結合圖4 與表3 可知，當鋼管厚度由3.68 mm 增加到5.80 mm時，試件平均承載力增加約7.7%，剛度與延性無明顯變化。

圖4 試驗與有限元荷載-縱向應變曲線Fig.4 Load-longitudinal strain curves of experimental and FE models

表3 試驗與有限元力學性能指標對比Table 3 Comparison of mechanical indexes obtained from experimental and FE models

3 有限元分析

3.1 有限元模型建立與驗證

本文采用ABAQUS 軟件建立方形鋼管高強混凝土疊合短柱軸壓力學精細化模型，并合理定義各部分材料的本構關系。混凝土采用混凝土損傷塑性（CDP）模型進行模擬，其中外圍混凝土受壓應力-應變關系與鋼筋應力-應變關系采用GB 50010—2010［11］建議的模型；核心混凝土單軸受壓與鋼管應力-應變關系分別采用韓林海［12］建議的考慮鋼管約束的核心混凝土本構模型與五段式應力-應變曲線進行模擬。

混凝土與端板設置為三維實體單元（C3D8 R），鋼管采用殼單元（S4R）進行模擬，并沿殼厚度方向采用9 個積分點的“辛普森積分”；鋼筋定義為桁架單元（T2）。

混凝土與鋼管切線方向與法線方向力的傳遞分別采用“庫侖摩擦模型”和“硬接觸”進行模擬，摩擦系數μ設置為0.6；端板與鋼管和混凝土的接觸分別設置為“殼-實體耦合”和“硬接觸”；鋼筋與外圍混凝土接觸定義為“嵌入”。

如圖4 與表3 所示，可以發現，本文所建方形鋼管混凝土疊合短柱軸壓力學有限元模型能夠較好預測試件荷載-應變曲線的發展。

3.2 參數分析

根據工程常用材料強度與鋼管混凝土含鋼率，對方形鋼管高強混凝土疊合短柱在混凝土強度、鋼材強度和鋼管混凝土含鋼率指標進行擴大參數分析。設計構件截面尺寸B0=600 mm，高度H=1 800 mm，縱筋和箍筋直徑分別為20 mm 和8 mm，箍筋間距為100 mm。設計參數如表4 所示，其中鋼管混凝土含鋼率通過改變鋼管厚度來實現，取值依據《鋼管混凝土結構技術規范》（GB 50936—2014）［13］確定。

表4 參數設計Table 4 Parameter design

3.3 結果分析

3.3.1 混凝土強度

由圖5 可以看出，當混凝土強度fcu由30 MPa增加到70 MPa，構件承載力與彈性階段剛度逐漸增加，延性逐漸降低，這是由于混凝土在構件承載力分配中占比較大，構件延性與混凝土本身延性有密切關系。隨著混凝土強度的增加，材料呈現脆性破壞的特征。

圖5 混凝土強度Fig.5 Concrete strengths

3.3.2 縱筋強度

由圖6可以看出，當縱筋強度fyl由235 MPa增加到400 MPa 時，構件承載力、彈性階段剛度和延性無明顯變化，原因在于縱筋強度占構件截面強度較小，提高縱筋強度對截面承載力影響不明顯。

圖6 縱筋強度Fig.6 Longitudinal bar strengths

3.3.3 鋼管強度

如圖7所示，當鋼管強度fys由235 MPa增加到420 MPa 時，構件承載力和延性逐漸增加，彈性階段剛度無變化，分析主要原因認為當鋼管強度fys增加后，鋼管對核心混凝土的約束作用增加，鋼管混凝土部件承載力提高，使得構件承載力和剩余承載力增大，構件延性增加。

圖7 鋼管強度Fig.7 Steel tube strengths

3.3.4 鋼管混凝土含鋼率

如圖8所示，當鋼管混凝土含鋼率αs由8%增加到20%時。構件承載力、彈性階段剛度和延性逐漸增加，原因在于隨著鋼管混凝土含鋼率αs增大，鋼管對核心混凝土的約束作用逐漸增強，鋼管混凝土部件承載力增大，導致構件承載力和剩余承載力增加，構件延性提高。

圖8 鋼管混凝土含鋼率Fig.8 Steel ratios of CFST

4 軸壓承載力計算方法

4.1 方法介紹

文獻［14-15］指出，鋼管混凝土疊合柱軸壓

極限承載力可采用疊加原理進行計算，如式（1）所示：

式中：NCFST為鋼管混凝土部件承載力；NRC為鋼筋混凝土部件承載力。

4.1.1 中國規范

參考規范T/CECS 663—2020［16］，鋼管混凝土部件承載力NCFST和鋼筋混凝土部件承載力NRC分別按式（2）和式（3）進行計算。

鋼管混凝土部件NCFST：

鋼筋混凝土部件NRC：

式中：Aco與Asl分別為外圍混凝土面積和縱筋面積；fck，o與fyl分別為外圍混凝土抗壓強度標準值和縱筋屈服強度。

4.1.2 歐洲規范

參考規范BS EN 1994-1-1：2004［17］與BS EN 1992-1-1：2004［18］分別確定鋼管混凝土部件承載力NCFST與鋼筋混凝土部件承載力NRC計算公式見式（4）與式（5）。

鋼管混凝土部件NCFST：

式 中：ηa=0.75+0.5，ηc=4.9-18.5+17，為 相對長細比，參考Guler［19］確定λˉ取值為0；f'cc為核心混凝土圓柱體抗壓強度。

鋼筋混凝土部件NRC：

4.2 結果對比

本文利用試驗及有限元結果與中國規范和歐洲規范計算結果進行對比，對比結果如圖9與表5所示，其中Nu，e為試驗與有限元結果，Nu，c為規范計算結果。可以看出，中國規范和歐洲規范計算結果與試驗及有限元結果吻合較好，且計算偏于安全。因此，可采用中國規范與歐洲規范建議的承載力計算公式對方形高強鋼管混凝土疊合短柱軸壓承載力進行計算。

表5 對比結果匯總Table 5 Summary of comparative results

圖9 Nu，e與Nu，c對比Fig.9 Comparison between Nu，e and Nu，c

5 結論

通過對方形鋼管高強混凝土疊合短柱軸壓力學性能研究，可得出以下主要結論：

（1）試件破壞形態主要表現為混凝土保護層壓潰剝落、中部高度位置縱筋受壓屈服與箍筋受拉屈服。

（2）在本文研究參數范圍內，混凝土強度對構件承載力和彈性階段剛度影響最為顯著，隨著混凝土強度提高，延性明顯降低；提高鋼管混凝土含鋼率，構件承載力、剛度與延性增加。

（3）基于鋼管混凝土疊合柱承載力計算疊加原理，中國規范和歐洲規范建議的承載力計算公式可較好地預測方形鋼管高強混凝土疊合短柱極限承載力，且計算結果偏于安全。