方鋼管混凝土柱內配不同型鋼對承載力的影響

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

1 引言

方鋼管混凝土柱具有承載力強、抗彎承載力、建筑布置方便等優點［1-2］，在方鋼管混凝土柱中配置型鋼可以更顯著的提高其承載力、抗彎剛度、耐火性等特點［3］，但方鋼管內配置型鋼類型對承載力影響的研究還很少見，本文基于Abaqus 軟件建立了10 個配置不同型鋼類型的方鋼管混凝土柱，研究型鋼類型對其承載力的影響，從而發現最合理、最安全、最經濟的型鋼配置形式。

2 模型的建立與驗證

2.1 模型建立

本文構件包括如下部件，外鋼管、內配型鋼、混凝土、內混凝土、墊板等。因部分鋼管厚度較大，故為保證計算精度且能體現各部件之間的相互作用關系，所有部件均采用減縮積分形式的八節點線性六面體單元（C3D8R）。

本文中涉及的本構關系主要有鋼材、混凝土以及墊板。其中墊板采用彈性模型，鋼材采用雙折線模型，鋼管內混凝土采用混凝土塑性損傷模型，其抗壓及抗拉應力應變關系均采用韓林海提出的單軸抗壓抗拉應力應變表達式［4］。

本文除構件與墊板之間采用綁定約束外，其他接觸均采用硬接觸。

2.2 模型驗證

表1 模型計算結果

3 模型結果分析

3.1 內配型鋼的方鋼管混凝土柱軸力-應變關系分析

相同截面含鋼率的條件下，內配不同型鋼的方鋼管混凝土柱軸力-應變關系如圖1 所示，其中構件外鋼管和型鋼均采用Q235 鋼材，鋼管內混凝土采用C60 混凝土。

由圖1 可知鋼管厚度相同時，內配圓鋼管的方鋼管混凝土柱承載力最大且沒有下降段或者下降段不明顯，表明方鋼管內配圓鋼管可以給柱內混凝土提供有效的約束，從而使混凝土可以在內外鋼管雙重約束下，承載力與殘余承載力得到提高。

未配置型鋼的構件軸壓承載力大于內配工字鋼和十字型鋼的構件，這是因為外鋼管厚度增加對混凝土的約束效應增強的效果大于因為配置工字鋼和十字型鋼而對混凝土提供的雙重約束效應增強的效果。

圖1 內配不同型鋼的方鋼管混凝土柱軸力應變曲線

對比內配工字鋼和十字型鋼的構件可知，兩者的極限承載力及殘余承載力都非常接近，而工字鋼抗扭強度更好，制作更方便，因此建議選擇工字鋼作為方鋼管混凝土柱的內配型鋼。

3.2 內配不同型鋼時軸力-厚度關系

內配不同型鋼的方鋼管混凝土柱軸力-配骨指標關系如圖2 所示。

圖2 內配不同型鋼的方鋼管混凝土柱軸力-配骨指標關系

由圖2 可知，當方鋼管混凝土柱內配圓鋼管時，承載力隨著配骨指標即就是圓鋼管面積的上升而增大。配置工字鋼和十字型鋼時，其承載力隨著配骨指標的上升而下降。因此柱截面含鋼率相同時，如內配圓鋼管，可以適當提高圓鋼管的配置管徑，如配置工字鋼和十字型鋼，可以適當降低型鋼配置面積。

4 結論

（1）當鋼管厚度相同時，在鋼管混凝土柱內配置圓鋼管承載力最高，而配置工字鋼與十字型鋼承載力相差不大。

（2）內配圓鋼管的方鋼管混凝土柱的殘余承載力最好，工字鋼和十字型鋼的殘余承載力相近，考慮制作方便和抗扭性能好，建議選擇工字鋼作為內配型鋼。

（3）當方鋼管混凝土柱內配圓鋼管時，承載力隨著配骨指標上升而上升；配置工字鋼和十字型鋼時，其承載力隨著配骨指標的上升而下降。