方形鋼管高強(qiáng)混凝土疊合短柱軸壓力學(xué)性能研究

程志敏

（中鐵建設(shè)集團(tuán)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(nèi)部鋼管混凝土疊合而成的一種新型組合構(gòu)件，具有承載力高、抗震性能好和變形性能好等優(yōu)點(diǎn)［1］，目前已逐漸在建筑工程中得到應(yīng)用。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土疊合柱常被用于軸壓比較大的豎向承重構(gòu)件，如超高層建筑的核心筒中［2］，因此要求此類構(gòu)件具備較高承載力和較好的變形性能。將高強(qiáng)混凝土應(yīng)用于鋼管混凝土疊合柱中，在滿足承載能力要求的同時(shí)，受到鋼管約束的高強(qiáng)混凝土又具有較好的變形性能［3］。

目前，已有相關(guān)學(xué)者對(duì)方形鋼管普通強(qiáng)度混凝土疊合柱進(jìn)行了一系列研究。2013—2019 年，劉麗英［4］、堯國(guó)皇等［5］、劉陽(yáng)等［6］和Hong 等［7］針對(duì)核心混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcu為39.1～55.5 MPa范圍內(nèi)的方形鋼管混凝土疊合短柱進(jìn)行了軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)與有限元分析，主要得出以下結(jié)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(dāng)疊合柱達(dá)到極限承載力時(shí)，鋼管與核心混凝土之間存在壓應(yīng)力。

基于上述研究基礎(chǔ)，本文對(duì)方形鋼管高強(qiáng)混凝土疊合短柱軸壓力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)與有限元計(jì)算研究，重點(diǎn)研究了試件的破壞形態(tài)、材料強(qiáng)度與鋼管混凝土含鋼率變化時(shí)對(duì)構(gòu)件承載力、剛度和延性影響規(guī)律?；谠囼?yàn)及有限元計(jì)算結(jié)果，與相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，建議了方形鋼管高強(qiáng)混凝土疊合短柱軸壓承載力計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文共進(jìn)行4 個(gè)方形鋼管高強(qiáng)混凝土疊合短柱軸心受壓試驗(yàn)，變化參數(shù)為鋼管厚度，試件設(shè)計(jì)截面及參數(shù)分別見圖1 及表1。試件高度H均為900 mm，截面寬度B0設(shè)計(jì)為高度H的1/3?？v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(hù)層厚度為20 mm。試驗(yàn)時(shí)，參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）［8］測(cè)得同等養(yǎng)護(hù)條件下外圍混凝土與核心混凝土立方體抗壓強(qiáng)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(biāo)參考規(guī)范《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1—2010）［9］測(cè)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(shù)Table 1 Parameters of specimens

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

1.2 試驗(yàn)裝置及加載制度

試驗(yàn)在太原理工大學(xué)1 000 t 電液伺服壓力機(jī)上進(jìn)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(yīng)變片用于測(cè)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(cè)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(hù)網(wǎng)。正式加載前對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，加載范圍為預(yù)估極限荷載的30%。正式加載時(shí)，采用分級(jí)加載制度，前期采用力加載進(jìn)行控制，加載速率為1 kN/s；當(dāng)接近極限荷載時(shí)轉(zhuǎn)為位移加載控制，加載速率為0.05 mm/min；當(dāng)承載力下降到極限承載力的65%左右時(shí)停止加載。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Experiment device

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試件破壞形態(tài)

圖3（a）—（d）分別給出了4 個(gè)試件的軸壓破壞形態(tài)。當(dāng)鋼管厚度由3.68 mm 增加到5.80 mm時(shí)，試件的破壞形態(tài)基本一致，破壞形態(tài)均表現(xiàn)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(qiáng)混凝土疊合短柱軸壓全過程可總結(jié)如下：加載初期，試件表面無裂縫；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的80%左右時(shí)，試件中部高度處及上下端出現(xiàn)細(xì)小的豎向裂縫，并伴隨混凝土壓潰響聲；隨著荷載繼續(xù)增加，試件中部高度處的豎向裂縫逐漸向兩端發(fā)展；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，試件表面出現(xiàn)貫通的豎向裂縫，部分混凝土保護(hù)層壓潰剝落，縱筋與箍筋發(fā)生了明顯的外鼓。

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

2.2 荷載-應(yīng)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(qiáng)混凝土疊合短柱軸壓荷載—縱向應(yīng)變曲線和軸壓力學(xué)性能指標(biāo)，其中曲線前半段通過貼在試件中部的縱向應(yīng)變片獲得；混凝土開裂應(yīng)變片失效，曲線后半段通過試件上下端布置位移計(jì)換算得到。由圖4 可得，鋼管厚度的變化對(duì)試件荷載—應(yīng)變曲線的發(fā)展無影響。試件的荷載—縱向應(yīng)變曲線可大致劃分為4 個(gè)階段，分別為彈性階段、彈塑性階段、下降段和平緩段。結(jié)合圖4 與表3 可知，當(dāng)鋼管厚度由3.68 mm 增加到5.80 mm時(shí)，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(yàn)與有限元荷載-縱向應(yīng)變曲線Fig.4 Load-longitudinal strain curves of experimental and FE models

表3 試驗(yàn)與有限元力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)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(yàn)證

本文采用ABAQUS 軟件建立方形鋼管高強(qiáng)混凝土疊合短柱軸壓力學(xué)精細(xì)化模型，并合理定義各部分材料的本構(gòu)關(guān)系。混凝土采用混凝土損傷塑性（CDP）模型進(jìn)行模擬，其中外圍混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(gòu)模型與五段式應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行模擬。

混凝土與端板設(shè)置為三維實(shí)體單元（C3D8 R），鋼管采用殼單元（S4R）進(jìn)行模擬，并沿殼厚度方向采用9 個(gè)積分點(diǎn)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(kù)侖摩擦模型”和“硬接觸”進(jìn)行模擬，摩擦系數(shù)μ設(shè)置為0.6；端板與鋼管和混凝土的接觸分別設(shè)置為“殼-實(shí)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(fā)現(xiàn)，本文所建方形鋼管混凝土疊合短柱軸壓力學(xué)有限元模型能夠較好預(yù)測(cè)試件荷載-應(yīng)變曲線的發(fā)展。

3.2 參數(shù)分析

根據(jù)工程常用材料強(qiáng)度與鋼管混凝土含鋼率，對(duì)方形鋼管高強(qiáng)混凝土疊合短柱在混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度和鋼管混凝土含鋼率指標(biāo)進(jìn)行擴(kuò)大參數(shù)分析。設(shè)計(jì)構(gòu)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(shè)計(jì)參數(shù)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(shí)現(xiàn)，取值依據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 50936—2014）［13］確定。

表4 參數(shù)設(shè)計(jì)Table 4 Parameter design

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 混凝土強(qiáng)度

由圖5 可以看出，當(dāng)混凝土強(qiáng)度fcu由30 MPa增加到70 MPa，構(gòu)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(gòu)件承載力分配中占比較大，構(gòu)件延性與混凝土本身延性有密切關(guān)系。隨著混凝土強(qiáng)度的增加，材料呈現(xiàn)脆性破壞的特征。

圖5 混凝土強(qiáng)度Fig.5 Concrete strengths

3.3.2 縱筋強(qiáng)度

由圖6可以看出，當(dāng)縱筋強(qiáng)度fyl由235 MPa增加到400 MPa 時(shí)，構(gòu)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(qiáng)度占構(gòu)件截面強(qiáng)度較小，提高縱筋強(qiáng)度對(duì)截面承載力影響不明顯。

圖6 縱筋強(qiáng)度Fig.6 Longitudinal bar strengths

3.3.3 鋼管強(qiáng)度

如圖7所示，當(dāng)鋼管強(qiáng)度fys由235 MPa增加到420 MPa 時(shí)，構(gòu)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(rèn)為當(dāng)鋼管強(qiáng)度fys增加后，鋼管對(duì)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(gòu)件承載力和剩余承載力增大，構(gòu)件延性增加。

圖7 鋼管強(qiáng)度Fig.7 Steel tube strengths

3.3.4 鋼管混凝土含鋼率

如圖8所示，當(dāng)鋼管混凝土含鋼率αs由8%增加到20%時(shí)。構(gòu)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(duì)核心混凝土的約束作用逐漸增強(qiáng)，鋼管混凝土部件承載力增大，導(dǎo)致構(gòu)件承載力和剩余承載力增加，構(gòu)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(jì)算方法

4.1 方法介紹

文獻(xiàn)［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(jìn)行計(jì)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(guó)規(guī)范

參考規(guī)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(jìn)行計(jì)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和縱筋屈服強(qiáng)度。

4.1.2 歐洲規(guī)范

參考規(guī)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(jì)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(duì)長(zhǎng)細(xì)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(qiáng)度。

鋼筋混凝土部件NRC：

4.2 結(jié)果對(duì)比

本文利用試驗(yàn)及有限元結(jié)果與中國(guó)規(guī)范和歐洲規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖9與表5所示，其中Nu，e為試驗(yàn)與有限元結(jié)果，Nu，c為規(guī)范計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，中國(guó)規(guī)范和歐洲規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)及有限元結(jié)果吻合較好，且計(jì)算偏于安全。因此，可采用中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范建議的承載力計(jì)算公式對(duì)方形高強(qiáng)鋼管混凝土疊合短柱軸壓承載力進(jìn)行計(jì)算。

表5 對(duì)比結(jié)果匯總Table 5 Summary of comparative results

圖9 Nu，e與Nu，c對(duì)比Fig.9 Comparison between Nu，e and Nu，c

5 結(jié)論

通過對(duì)方形鋼管高強(qiáng)混凝土疊合短柱軸壓力學(xué)性能研究，可得出以下主要結(jié)論：

（1）試件破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為混凝土保護(hù)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(shù)范圍內(nèi)，混凝土強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件承載力和彈性階段剛度影響最為顯著，隨著混凝土強(qiáng)度提高，延性明顯降低；提高鋼管混凝土含鋼率，構(gòu)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(jì)算疊加原理，中國(guó)規(guī)范和歐洲規(guī)范建議的承載力計(jì)算公式可較好地預(yù)測(cè)方形鋼管高強(qiáng)混凝土疊合短柱極限承載力，且計(jì)算結(jié)果偏于安全。