異形鋼管混凝土組合柱力學性能分析

劉瀟睿

（新疆北新建材工業集團有限公司， 新疆 烏魯木齊 830000）

異形鋼管混凝土組合柱是由鋼管混凝土柱和異形鋼筋混凝土柱發展而來， 在提高異形鋼筋混凝土柱承載力的同時， 可以滿足人們對現代建筑審美要求， 在中、 高層建筑中具有廣泛應用。

1 異形鋼管混凝土組合柱類型及其應用優勢

常見的異形鋼管混凝土組合柱類型有三種， 分別是T形、 十字形和L型。 異形鋼管混凝土組合柱應用時可以以輕質砌體作為填充墻， 不僅可以增大房間使用面積， 還布置靈活、 美觀、 方便。 而且墻體薄， 可以節約使用面積和降低基礎造價， 具有良好的社會效益。

2 T形鋼管混凝土組合柱力學性能分析

2.1 建立有限元模型

首先， 建立T形鋼管混凝土組合柱試件模形。試件核心鋼管直徑分別為133mm（試件A）、 108mm（試件 B） 和 89mm （試件 C）， 壁厚為 4mm， 截面尺寸為300mm×300mm。 肢長和肢寬分別為75mm和150mm， 水平箍筋和縱向鋼筋直徑分別為8mm和10mm， 柱高度為900mm。 其次， 建立上述三種T形鋼管混凝土組合柱力學模形。

2.2 鋼管、 鋼筋破壞特征

以試件C為例進行應力分析， 圍繞試件鋼管截面進行受力分析發現， 其中在受到軸心荷載作用時，試件會率先產生縱向變形。 而結合試件C中鋼管應力云圖可知， 鋼管柱身中部的應力都明顯大于鋼管兩端處的應力， 簡單來說， 鋼管柱身中部位置的應力分布最大， 超過300MPa。 結合本次研究所選試件相關參數可知， 荷載由柱端向柱身傳遞。 因此， 柱身中部是試件破壞最大的區域。 此時， 從試件也可以看出， 除鋼管柱身中部有破壞痕跡外， 鋼管整體長度和厚度也存在些許變化， 表明鋼管整體發生了橫向、 縱向上的變形。 但鋼管中間截面變形突出，鋼管在柱身中部處體積增大， 此處變形最大[1]。 依據該試件鋼筋應力云圖可知， 柱上下兩端處鋼筋應力最小， 柱身中部分布鋼筋骨架應力最大， 接近300MPa。

2.3 鋼管內外混凝土破壞特征

從應力云圖上看， 鋼管核心混凝土在柱身中部的應力最大， 接近50MPa， 與鋼管破壞形態相似，混凝土向外鼓曲變形。 鋼管外部混凝土在柱身中間截面處的應力最大， 其主要原因是在軸心荷載作用下的柱端荷載傳遞。 而且隨著荷載的不斷增加， 鋼管外部混凝土應力不斷增大[2]。 考慮到外部混凝土本構關系中的峰值應力與峰值應變。 當外部混凝土盈利達到極限壓應變后， 外部混凝土應力最先開始降低。

2.4 荷載與縱向位移分析

對試件A、 B和C進行承載力-位移進行分析，通過作圖法做出兩者相關曲線圖， 可以明顯發現，試件A、 試件B和試件C的承載力-位移曲線變化規律相差無幾。 但三種試件極限荷載不同， 反而是極限荷載下的最大位移幾乎相同， 其中極限承載力最小的是直徑為 89mm 的試件， 其次是直徑為108mm的試件， 最后是直徑為133mm的試件， 且三種試件極限承載力下的位移都是1.2m。 另外， 對試件A、 試件B和試件C荷載-位移曲線進行分析發現， 在直線變化階段， 三種試件縱向位移都會隨著荷載的增加而增加， 且增加幅度相差不大[3]。

2.5 荷載—應變分析

2.5.1 鋼管荷載—應變分析

組合柱受到核心荷載作用， 其環向應變為正，縱向應變為負。 結合2.4 分析可知， 無論是試件A、試件B， 還是試件C， 在其承載力未達到極限值前，三種試件承載力-形變變化規律呈一條直線， 是彈性變化， 且三種試件的荷載-應變曲線均呈直線上升， 且曲線變化趨于一致。 但當試件承載力超過極限， 試件進入彈塑性階段， 三種試件荷載-應變曲線均開始下降。 另外， 對三種試件進行荷載-應變分析發現， 時間變化規律曲線圖變化趨勢一致， 均呈上升趨勢， 但橫向、 縱向形變斜率存在較大不同，前者明顯大于后說， 即表示在同等荷載作用下， 鋼管縱向應變＞環向應變。 即在受到外部荷載作用時，鋼管的縱向先達到屈服。

2.5.2 鋼筋荷載-應變分析

結合前文分析可知， 水平箍筋應變為正， 縱向鋼筋應變為負。 而且對三種試件進行荷載-應變分析發現， 水平箍筋和縱向鋼筋變化規律相差不大，但從曲線圖斜率上來看， 前者曲線斜率明顯大于后者， 說明， 前者形變小于后者， 即在手袋外部荷載作用時， 縱向鋼筋率先屈服。

2.5.3 核心混凝土、 外部混凝土荷載-應變分析

對試件A、 試件B和試件C的混凝土柱進行荷載-應變分析發現， 三種試件核心混凝土和外部混凝土荷載-應變變化規律存在較大差距。 在同一荷載作用下， 無論是哪種試件， 都表現為核心混凝土應變小于外部混凝土應變， 直觀表現為三種試件的核心混凝土和外部混凝土破壞形態和程度大不相同[4]。 其中外部混凝土只受到水平箍筋約束， 約束力相對較小。 而核心混凝土會受到鋼管三個方向上的約束， 約束其變形。 因此， 在外部荷載作用下，外部混凝土變形破壞較大。 在實際工程中， T形截面會因單向柱肢作破壞而影響整個構件承載力。 為此， 常需要采取必要措施加強柱肢處承載力， 以提高構件的承載力。

3 十字形鋼管混凝土組合柱力學性能分析

3.1 建立有限元模型

以鋼管直徑為變化參數， 建立十字形鋼管混凝土組合柱有限元模型， 三種試件的鋼管直徑分別為133mm（試件F）、 108mm（試件E） 和89mm（試件D）。

3.2 鋼管、 鋼筋破壞特征

以試件D為例， 從鋼管應力云圖可知， 十字形鋼管混凝土組合柱鋼管破壞特征與T形鋼管混凝土組合柱鋼管破壞特征相似， 即鋼管柱身中部處的應力大于鋼管兩端處的應力， 且應力云圖中顯示鋼管柱身中部位置的鋼管應力超過300MPa。

從鋼筋應力云圖可知， 試件上下兩端水平箍筋、縱向鋼筋的應力較小， 試件柱身中部處水平箍筋、縱向鋼筋的應力最大， 接近300MPa。 而且在試件柱身中部， 水平箍筋產生橫向變量， 縱向鋼筋產生鼓曲變形。

3.3 鋼管內外混凝土破壞特征

結合應力云圖可知看出， 十字形鋼管混凝土組合柱鋼管內外部混凝土應力變化存在差異， 其根本原因在于內外混凝土所受應力不同。 簡單來說， 核心混凝土位于鋼管柱身中部， 而隨著外來荷載的增大， 柱身兩端對鋼管柱身中部會有一定荷載， 使得鋼管柱身中部處的應力增大， 當超過其極限應變時，柱身中部核心混凝土率先被破壞。 而外部混凝土所受應力則存在先增加后減低的規律， 的主要原因在于其未受到鋼管三向約束作用， 導致其在超過極限壓應變時應力降低， 這也是導致鋼管內外混凝土破壞特征不一致的主要原因[5]。 與此同時， 對試件D、試件E和試件F進行混凝土應力-應變分析發現，隨著外部荷載增加， 三種試件中， 其外部混凝土逐漸達到峰值應力， 之后混凝土逐漸開始破壞， 退出工作。 而核心混凝土仍逐漸增加， 其破壞要明顯晚于外部混凝土。

3.4 荷載與縱向位移分析

對試件D、 試件E和試件F進行荷載-位移分析， 做出三種試件的荷載-位移曲線圖， 結合曲線圖可以清楚地發現， 三種試件的荷載-位移曲線變化規律相差無幾， 但三種試件達到極限荷載時的承載力不同。 相比較之下， 試件D的承載力最大， 其次是試件E， 最后是試件F。 而且結合三種試件的曲線圖可以看到， 在直線變化階段， 三種試件的位移與其所受荷載均呈現線性關系， 荷載和位移的變化相關關系是一條直線。 但三種試件達到其最大承載力時， 其曲線均向下開始變化， 說明試件進由彈性變化階段進行彈塑性變化階段。 從各試件彈塑性階段來看， 試件F下降趨勢最陡， 其次是試件E， 最后是試件D， 說明試件D的延展性最優， 試件F的延展性最差。

3.5 荷載-應變分析

3.5.1 鋼管荷載-應變分析

圍繞鋼管中間截面節點分析鋼管環向應變和縱向應變， 受軸心荷載作用， 環向應變為正， 縱向應變為負。 而結合變化曲線圖可以看出， 在三種試件未達到極限荷載前， 其應變呈線性變化， 斜率為正。當其超過極限荷載時， 曲線開始向下變化， 說明此時三種試件進入彈塑性階段。 該階段中， 當三種試件有相同應變時， 試件F的承載力最小， 其次是試件E， 試件D的承載力最大。 當三種試件有相同荷載時， 試件D的應變最小， 其次是試件E， 最后是試件F。 與此同時， 結合相關數據和曲線可以發現，三種試件荷載-應變曲線中， 環向應變斜率都明顯大于縱向應變斜率， 說明鋼管縱向先于環向屈服。

3.5.2 鋼筋荷載-應變分析

對柱身水平箍筋橫向應變和縱向鋼筋的縱向應變進行分析發現， 三種試件鋼筋荷載-應變曲線在未達到試件極限承載力前幾近重合。 當達到各試件極限承載力之后， 三種試件鋼筋荷載-應變曲線開始向下變化， 且試件F的下降趨勢最快， 斜率最陡。而且三種試件水平箍筋、 縱向鋼筋變化趨勢不同，前者斜率明顯大于后者， 水平箍筋橫向應變小于縱向鋼筋的縱向應變。 即在受到外部荷載時， 橫向鋼筋先于縱筋屈服。

3.5.3 核心混凝土、 外部混凝土荷載-應變分析

對三種試件混凝土進行荷載-應變分析發現，三種試件混凝土荷載-應變變化規律相差無幾。 在荷載一定時， 外部混凝土應變均大于核心混凝土應變， 其主要原因是十字形鋼管混凝土組合柱中核心混凝土受到三個方向上的約束作用， 可以提高其承載力[6]。

4 L形鋼管混凝土組合柱力學性能分析

4.1 建立有限元模型

以鋼管直徑為變化參數， 建立L形鋼管混凝土組合柱有限元模型， 三種試件鋼管直徑分別為133mm（試件 G）、 108mm （試件 H） 和 89mm （試件I）。 試件截面尺寸與T形鋼管混凝土組合柱一致。

4.2 鋼管、 鋼筋破壞特征

以試件I為例分析鋼管應力云圖， 可以發現，試件I鋼管兩端應力較小， 未達到其屈服應力， 柱身中部處屈服應力最大， 超過300MPa。 從變形上來看， 試件I鋼管破壞形態與T形、 十字形鋼管混凝土組合柱鋼管的破壞形態一致， 說明軸壓下的鋼管破壞與試件截面形狀無關。 對鋼筋應力云圖分析發現， 柱身上下兩端鋼筋應力較小， 柱身中部鋼筋骨架應力最大， 接近300PMa。

4.3 鋼管內外混凝土破壞特征

對鋼管內外混凝土應力云圖分析發現， 核心混凝土破壞特征與鋼管破壞特征一致， 即在柱身中部有最大應力和最大變形。 而外部混凝土在軸心荷載作用下， 荷載會逐漸由柱端向柱身傳遞。 隨著荷載不斷增加， 柱身外部混凝土應力也會逐漸增大。 但當其達到極限壓應力時， 受到本構關系影響， 混凝土應力數值開始降低， 且試件破壞時柱身中部的混凝土應力最小[7]。

4.4 荷載與縱向位移分析

利用有限元模擬軟件分析可知， 三種試件荷載-位移曲線變化規律大致相同， 但最大承載力不同，其中構件G最大承載力最大， 其次是構件H， 最后是構件I， 但三種構件在達到峰值荷載時的位移基本一致。 在對三種試件施加荷載初期， 三種試件荷載-位移曲線均呈直線上升， 且幾乎重合， 既可以說明上述三試件材料均在彈性范圍內形變， 也說明其彈性階段形變規律大致相同。 而當荷載超過試件極限承載力時， 試件荷載-位移曲線開始降低， 說明試件此時開始出現破壞， 材料開始屈服。 而從各試件荷載-位移曲線下降階段來看， 試件I斜率最大，下降趨勢最陡， 說明試件I延展性最差。

4.5 荷載-應變分析

4.5.1 鋼管荷載-應變分析

分析鋼管中間截面節點荷載-應變發現， 在受到外部荷載作用時， 鋼管縱向先于環向屈服。 而且在三種試件彈塑性階段， 當其達到相同應變時， 試件I的承載力最小， 其次是試件H， 最后是試件G。當其有相同荷載時， 試件G的應變最小， 其次是試件H， 最后是試件I。

4.5.2 鋼筋荷載-應變分析

試件中間截面鋼筋荷載-應變分析發現， 在荷載一定時， 水平箍筋橫向應變小于縱向鋼筋的縱向應變。即在受到外部荷載作用時， 縱筋先于箍筋屈服。

4.5.3 核心混凝土、 外部混凝土荷載-應變分析

對三種試件混凝土進行荷載-應變分析發現，其變化規律相差無幾， 且在荷載一定時， 外部混凝土應變都遠遠大于核心混凝土應變。

5 結語

異形鋼管混凝土組合柱同時具備鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土異形柱的優點， 鋼管和核心混凝土共同承受軸向荷載， 可以顯著提高其承載力， 其還具有剛度大、 韌性高和抗震性能佳的優勢。