加勁薄壁T形鋼管混凝土受壓性能

摘要：進行加勁薄壁T形鋼管混凝土軸壓試驗，記錄試驗過程，并獲得側向撓度變形曲線和荷載-軸向變形曲線。采用ABAQUS建立有限元模型，并進行驗證。選用長細比、鋼筋直徑、混凝土等級、鋼筋和鋼管屈服強度、鋼筋直徑和間距、截面寬度和含鋼量為參數(shù)，對軸壓承載力影響因素進行分析。由參數(shù)分析可見：長細比是軸壓穩(wěn)定承載力系數(shù)的主要影響因素，其他參數(shù)影響可忽略不計。軸壓穩(wěn)定承載力隨長細比的增加而減小。當長細比由20增大至60時，軸壓穩(wěn)定承載力系數(shù)由0.9減小至0.7左右。在參數(shù)分析基礎上，最終建立承載力計算公式。

關鍵詞：T形；薄壁鋼管混凝土；受壓承載力；加勁鋼筋

中圖分類號：TQ178；TU528文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0060-04

Compressive properties of stiffened thin-walled T-shaped concrete-filled steel tubes

WANG Xiaoai，WANG Lili，ZHENG Jun，WANG Weiwei

（School of Architectural Engineering，Guangzhou Vocational and Technical Universityof Science and Technology，Guangzhou 510555，China）

Abstract：The axial compression test of stiffened thin-walled T-shaped concrete-filled steel tube was carried out，the test process was recorded，and the lateral deflection deformation curve and load-axial deformation curve were ob?tained.ABAQUS was used to establish the finite element model and verify it.The influencing factors of axial com?pressive bearing capacity were analyzed by selecting slenderness ratio，steel bar diameter，concrete grade，yield strength of steel bar and steel pipe，steel bar diameter and spacing，cross-section width and steel content.From the parameter analysis，it can be seen that the slenderness ratio is the main influencing factor of the axial compressive stability bearing capacity coefficient，and the influence of other parameters is negligible.The axial compressive sta?bility decreases with the increase of the slenderness ratio.When the slenderness ratio increases from 20 to 60，the axial compressive stability bearing capacity coefficient decreases from 0.9 to about 0.7.On the basis of parameteranalysis，the formula for calculating the bearing capacity was finally established.

Key words：T-shape；thin-walled concrete-filled steel tube；compression capacity；stiffening bar

加勁薄壁鋼管混凝土組合結構是以傳統(tǒng)鋼管混凝土組合結構為基礎，在內部添加橫向的加勁鋼筋，并采用冷彎薄型鋼作為外部鋼管的材料，使徑厚比或寬厚比大于受壓構件中空鋼管局部穩(wěn)定限值的1.5倍[1]。常見的異形鋼管混凝土截面有T形、L形和十字形。采用異形截面可方便家具的布置，目前薄壁異形鋼管混凝土已在廣州新中國大廈等實際工程中進行了應用。

與傳統(tǒng)鋼管混凝土相比，由于鋼管壁厚的減小使得鋼管對核心混凝土的約束作用也相應降低。目前，通過在內部設置鋼筋[2-3]、拉桿[4]或鋼片[5]，可以提高鋼管對核心混凝土的約束作用。Liu[6-7]、Chen[8]、Wang[9]等進行了L形、T形、圓形、扇形、三角形等特殊截面形式的軸壓試驗，并提出了相應的承載力設計方法。此外，陳嶸[10]，馬江萍[11]等進行了鋼管混凝土柱抗震性能分析。

與普通鋼管混凝土異形截面相比，薄壁異形鋼管混凝土的研究成果相對較少，且由于加勁方式的多樣性也增加了研究工作量及難度。本文采用內置鋼筋加勁方法，進行T形薄壁加勁鋼管混凝土柱軸壓性能試驗，最終建立承載力設計方法。不僅具有工程價值，也可以豐富薄壁鋼管混凝土的研究成果，有利于為該體系的進一步推廣和應用。

1試驗過程及結果

本文進行了1根T形加勁薄壁鋼管混凝土受壓性能試驗。試件高2 000 mm，截面尺寸如圖1所示。

加勁鋼筋直徑為6 mm，沿柱高間距100 mm進行均勻布置，鋼管厚度為2 mm。上、下蓋板尺寸為390 mm×330 mm×10 mm。跨中位置布置電阻應變片以測得縱、橫向應變。上、下兩個端板位置，設置豎向LVDT位移傳感器以測得豎向變形。水平方向沿柱高均布布置LVDT位移傳感器以測量側向變形。壓力試驗采用加載額度為500 t壓力機作為加載設備，兩端鉸接，如圖2所示。

在完成試件的安放及對中后，進行預加載進行設備測試，預加載荷載為預測承載力的30%。當荷載小于預測承載力的75%時，加載步長為200 kN；荷載超過預測承載力的75%之后，加載步長為100 kN。荷載超過承載力之后，采用位移加載，每級加載不成取2倍的屈服位移。當側向最大位移達到50 mm，停止加載。圖3為試件軸壓的試驗過程。

可見，加載初期，試件的整體變形不明顯，未見到鋼管的局部屈曲。加載至0.85倍峰值荷載時，試件整體上朝向腹板方向出現(xiàn)微彎，且柱下端的腹板出現(xiàn)輕微鼓曲；加載至峰值荷載時，整體彎曲變形進一步增大，腹板局部鼓曲數(shù)量逐漸增加，鼓曲程度有所增大；當荷載下降至峰值荷載的70%時，試件無法繼續(xù)承載，試驗結束。結束后剖開鋼管，可見局部鼓曲的位置處混凝土壓碎。

可見，試件受荷的過程中，整體變形成彎曲型，且接近正弦半波。加載至極限荷載時，跨中位置出現(xiàn)最大撓度。加荷初期，試件處于彈性階段，因此側向變形很小。加載至0.8～0.9倍極限荷載后，側向變形隨荷載的增加而迅速增大，說明試件逐漸進入彈塑性階段，直至達到極限荷載。荷載-軸向變形曲線見圖4（b）。可見，加載初期，荷載與變形成線性關系；隨試件進入彈塑性階段，很快將達到極限承載力；超過極限荷載之后，進入下降段。試件由加載至結束，表現(xiàn)出較好的延性變形能力。

2數(shù)值模擬及驗證

本文采用ABAQUS建立力學場有限元模型。鋼管和鋼筋彈性模量取200 000 MPa。鋼管的應力-應變關系選用二次塑流模型。鋼筋的應力-應變選用理想彈塑性模型。混凝土彈性模量取ACI 318（2011）[11]推薦值。混凝土受壓應力-應變關系采用韓林海的建議[13]。假定混凝土受拉時的初始彈性模量與受壓時相同。混凝土的抗拉強度取ft=0.09fc’。鋼管與混凝土之間為面-面接觸，法向為硬接觸。切向采用庫倫摩擦模型，摩擦系數(shù)取為0.6[14]。鋼筋與鋼管之間設置為綁定約束，鋼筋與混凝土之間采用嵌入約束。混凝土、鋼管和鋼筋分別采用C3D8R、S4R和T3D2單元。約束構件兩端鉸接，采用位移加載方式，步長設為柱長的1%。圖5為（a）力學場有限元及試驗結果對比。此外，本文還進行了其他文獻試驗及有限元結果對比。可見，有限元模型與試驗結果整體吻合度較高，說明有限元模型能較好地反應試件受力狀態(tài)。

3軸心受壓承載力影響因素分析及設計方法

本文在對加勁薄壁T形鋼管混凝土柱受力試驗性能研究基礎之上，按表1進行參數(shù)選擇，分析以上參數(shù)對軸向承載力的影響規(guī)律。默認長細比30，鋼筋直徑8 mm，截面寬度300 mm，混凝土強度等級C50，鋼管Q345，鋼筋HRB335，含鋼率4.04%。

引入軸壓整體穩(wěn)定系數(shù)φb，令φb=Nb/Nsc，其中Nb和Nsc分別為軸壓穩(wěn)定承載力和強度承載力。楊遠龍[17]以加勁方鋼管短柱為基礎，提出了加勁T形鋼管短柱強度承載力計算公式：

式中，Asc為構件組合截面的總面積；fscy為構件的組合截面抗壓強度；ξ為約束效應系數(shù)，ξ=fyAs/（fckAc）；η為強度折減系數(shù)；D、C為影響系數(shù)；Sb為加勁鋼筋縱向間距；fy，fck為鋼管屈服強度和混凝土軸心抗壓強度；Ac，As為混凝土和鋼管面積。

參數(shù)分析結果如圖6所示。

由圖6可知：（1）長細比是軸壓穩(wěn)定承載力穩(wěn)定系數(shù)的主要影響因素，其他參數(shù)影響可忽略不計；（2）當長細比由20增大至60時，軸壓穩(wěn)定承載力系數(shù)由0.9減小至0.7左右。以長細比為核心，建立T形鋼管混凝土軸壓穩(wěn)定承載力穩(wěn)定系數(shù)計算公式，進而求得軸壓承載力：

圖7為按簡化計算式（6）和有限元模型兩種計算結果對比。

由圖7可知：式（6）計算結果與有限元模擬結果相差范圍在10%以內。說明簡化公式可較好地反映軸壓承載力。

4結語

本文采用ABAQUS軟件力學場有限元模型，進行了T形加勁薄壁鋼管混凝土受壓性能研究。主要結論如下：

（1）側向撓度變形試驗曲線可見，整體變形成彎曲型，且接近正弦半波。加載至0.8～0.9倍極限荷載后，側向變形隨荷載的增加而迅速增大并快速達到極限狀態(tài)；由荷載-軸向變形曲線可見，試件在加載過程中，由彈性逐漸進入彈塑性，并最終達到極限狀態(tài)，且具有較好的延性；

（2）長細比是軸壓穩(wěn)定承載力影響系數(shù)的主要影響因素，其他參數(shù)影響可忽略不計。當長細比由20增大至60時，軸壓穩(wěn)定承載力系數(shù)由0.9減小至0.7左右；

（3）由參數(shù)分析，建立了加勁薄壁T形鋼管混凝土的軸心受壓穩(wěn)定承載力計算公式。通過與有限元結果相比，可見，簡化公式能較好地反映承載力。

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（責任編輯：張玉平）