自密實輕骨料鋼管混凝土柱力學性能有限元分析

何林峰 吳輝琴 胡強 李佳成 朱真 劉星池

摘 要：為深入研究自密實輕骨料鋼管混凝土柱的力學性能，探討偏心距、套箍系數、長細比等參數對自密實輕骨料鋼管混凝土柱力學性能的影響規律，應用ABAQUS有限元軟件對已完成的自密實輕骨料鋼管混凝土柱軸壓試驗進行非線性分析，驗證模型的有效性，建立了不同參數下的構件模型。結果表明分析結果與試驗結果吻合良好：構件的承載力隨著偏心距的增大而大幅度下降；長細比對構件的承載力影響相對于套箍系數略大；加載初期，鋼管對混凝土的約束作用不明顯，達到峰值荷載后，構件在1/2高度處的環向應力迅速增加，鋼管對混凝土有顯著的約束作用；構件的破壞類型均屬于失穩破壞。

關鍵詞：自密實混凝土；輕骨料混凝土；鋼管混凝土柱；承載力；偏壓

中圖分類號：TU528.2 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.03.006

0 引言

如今高層、超高層以及大跨度的建筑已經比較普遍，但這類建筑往往需要有更加合理的材料和結構才能滿足其實際的要求[1-3]。鋼管混凝土柱具有良好的承載能力，鋼管對混凝土的約束作用抑制了混凝土裂縫的延伸，提高了混凝土的耐久性和承載能力，混凝土加到鋼管中也使得鋼管的延性和穩定性增大[4-6]。普通混凝土雖然有良好的力學性能，但其自重大，抗裂性能差，攪拌需要人工振搗，施工不便。研究人員研發出一種新型技術——輕骨料混凝土技術，具有代表性的輕骨料有頁巖陶粒、粉煤灰陶粒等，輕骨料混凝土具有自重輕、耐火性好、抗震性能佳的優勢，可滿足大跨、高層結構的建筑要求，但其流動性不強，灌溉還需振搗，導致施工不便[7-8]。而自密實混凝土可以有效解決這一難題，自密實混凝土流動性強，無需振搗，穩定性強，耐久性高，能有效縮短工期[9-10]。目前自密實混凝土、輕骨料混凝土和鋼管混凝土在歐美國家的應用已經相當廣泛，但因其技術尚未成熟，在國內實際工程中的應用還較少。近年來，我國開始大力推動建筑新技術的研發，《2021年建筑業10項新技術》中包括了自密實混凝土、輕骨料混凝土、鋼管混凝土組合結構3項技術。

目前對自密實混凝土、輕骨料混凝土、鋼管混凝土方面的相關研究取得了一定的進展。鄭宏宇等[11]以陶粒作為輕骨料，以混凝土強度、套箍系數作為變量，研究薄壁圓鋼管約束輕骨料混凝土柱的軸心受壓性能；曾志偉等[12]以混凝土的強度為參數，研究高強鋼管混凝土柱的軸壓力學性能；王曉琴等[13]把不同骨料形狀、不同骨料占比作為參數，研究自密實混凝土的單軸力學性能。

當前把自密實混凝土、輕骨料混凝土、鋼管混凝土組合結構3項技術結合起來研究也有相關文獻報道。李書明等[14]對鋼管自密實輕骨料混凝土和鋼管普通混凝土進行對比分析，研究軸壓應力-應變變化規律；胡強等[15]以含鋼率、長細比為參量，以陶粒作為輕骨料，分析鋼管自密實輕骨料混凝土柱的軸壓力學性能。這些研究結果表明鋼管自密實輕骨料混凝土柱的軸壓力學性能優異，其自重輕、承載力高且施工方便，可應用于高層和大跨度建筑結構中，但目前大多數學者僅對自密實輕骨料鋼管混凝土的軸壓力學性能進行研究。考慮到實際工程中構件往往會受到偏壓荷載的影響，因此，本文將自密實混凝土、輕骨料混凝土、鋼管混凝土組合結構3項技術相結合，構建自密實輕骨料鋼管混凝土柱，并以實際工程情況和需求為基礎，應用ABAQUS有限元軟件對自密實輕骨料鋼管混凝土柱的偏壓力學性能進行深入探討，為實際工程提供理論參考。

1 試驗概況

試驗設計了7根C50輕骨料鋼管混凝土柱[15]，在構件軸心受壓狀態下，考慮偏心距（e）、套箍系數（η）、長細比（λ）等對構件受力性能的影響。試件使用900圓球型免燒結粉煤灰陶粒，P·O52.5級普通硅酸鹽水泥，Ⅱ區河沙，一級粉煤灰，普通自來水以及減水劑和膨脹劑。鋼管外直徑為159、194、219 mm，壁厚為4、5、6 mm，高為650、800、970、1 000、1 100 mm；鋼管上下墊板尺寸均為220 mm×220 mm×10 mm；陶粒輕骨料基本性能見表1，自密實輕骨料混凝土配合比見表2。

試驗采用500 t液壓萬能試驗機進行豎向靜力加載。構件位于壓力機中心軸處，加載方向豎直向上，構件采用分級單調加載制度，在壓力機下板左右各放置一個位移計（A1，A2），在構件中部位置兩側各布置一個位移計（A3，A4）；在鋼管外表面中部位置每隔90°布置一個縱向和橫向的應變片。加載裝置、位移計、應變片布置位置及實物圖如圖1所示。

2 有限元模型建立

采用ABAQUS有限元軟件對構件進行分析，首先對已完成試驗的構件進行數值模擬并驗證模擬結果的有效性；然后拓展其參數變化，分析其對構件受力性能的影響。模擬構件參數見表3。

2.1 材料本構關系

2.1.1 混凝土本構與損傷因子

混凝土選用塑性損傷模型，混凝土的材料屬性由前期試驗得出，見表4。很多鋼管混凝土柱中核心混凝土的本構關系都是根據單軸應力-應變關系全曲線統一計算式得出，導致實驗與模擬出來的結果相差過大。由于構件為鋼管和混凝土的組合結構，核心輕骨料混凝土受到鋼管的套箍作用，故混凝土本構關系采用軸對稱三軸受壓本構模型[16]，其公式為式（1），本構曲線如圖2所示。采用的壓縮和拉伸塑性損傷因子參照文獻[17]，考慮拉伸剛度恢復因子為0，壓縮剛度恢復因子為1，拉伸到壓縮時裂縫閉合，剛度恢復，從壓縮到拉伸裂縫仍然存在，剛度不恢復。

2.1.2 鋼管本構

鋼管為Q235，鋼材在彈性階段的類型選為各向同性，鋼材材料性能由前期試驗得出，見表5。鋼管混凝土柱中的鋼管在受壓狀態下往往會經歷彈性階段、屈服階段、強化階段和二次塑流階段4個階段，因此鋼材的本構關系采用彈塑性模型[18]，其計算公式為式（2），模型圖如圖3所示。

2.2 單元選取

混凝土和上下墊板選取C3D8R（八結點線性六面體減縮積分）三維實體單元，鋼管厚度方向的剪切變形量較小，厚度與跨度的比值小于1/15時屬于薄壁殼，故本文中的模型選用S4R（四結點曲面薄殼減縮積分）殼單元。網格劃分如圖4所示。

2.3 界面關系處理

接觸分析中的接觸是由主面和從面構成，在模擬過程中接觸方向總是主面的法線方向，從面上的結點不會穿過主面，但主面能穿過從面，所以主面應考慮剛度較大的部件。本次模型由4個部件組成：鋼管、混凝土、上墊板、下墊板。部件之間需要進行接觸分析：1）將上墊板的下底面設為主表面，混凝土的上頂面設為從表面，對混凝土與上墊板進行綁定；2）下墊板的上頂面設為主表面，混凝土的下底面設為從表面，對下墊板和混凝土進行綁定；3）混凝土的側表面設為主表面，鋼管的內表面設為從表面，對混凝土和鋼管進行綁定；4）在下墊板的下底面設置參考點RP-1，將RP-1點和下墊板的下底面進行耦合；5）在上墊板的上頂面設置參考點RP-2，將RP-2點和上墊板的上頂面進行耦合。

3 模型驗證

為了驗證模型與試驗構件力學性能數據的吻合度，證明模型的有效性，本文對試驗構件進行有限元分析。以A-0為例，模擬結果如圖5所示，在軸向力作用下，有限元模型破壞形態與試驗相同，鋼管中部發生彎曲，鋼管上下兩端有微小鼓起。由圖6可知，試驗與模擬的荷載-位移曲線的上升段、下降段、強化段一致；模擬的峰值荷載略高，與試驗的峰值荷載相差9%。因此，說明了該有限元模型的有效性。

4 參數分析

4.1 構件參數

在軸壓試驗的基礎上，將加載方向沿壓力機中心軸處水平向右移動，以A-0構件為基礎，考慮不同偏心距、套箍系數和長細比的影響，分析構件在偏壓荷載狀況下的力學性能。構件基本信息見表6，各構件均屬于中長柱，上下墊板尺寸設為270 mm×270 mm×40 mm。

4.2.1 變形能力

各構件的變形過程基本相似。構件初始側向變形很小，此時構件處于理想的受壓狀態；隨著承載力的增加，側向變形加大，構件截面處于偏壓狀態；當承載力達到極限時，柱子發生失穩破壞，該破壞屬于彈塑性失穩破壞，破壞形態見圖7。

4.2.2 荷載-位移曲線

圖8為構件的荷載-位移曲線圖。從圖8（a）可知，偏心距對構件的強度影響較大。隨著偏心距的增大，極限承載力大幅下降，A-3較A-1承載力下降了38.6%；同時曲線下降段逐漸變得平穩；初始剛度略微降低，這是由于偏心距改變了構件截面縱向應力的梯度分布，進而改變截面橫向應力的梯度分布，減弱鋼管對混凝土的套箍作用，使得構件承載力急劇下降。

從圖8（b）可知，隨著套箍系數的增加，曲線上升幾乎不變，初始剛度幾乎無變化，但下降段變陡，而極限承載力出現小幅度增加，B-2較A-2承載力提高5.3%。鋼管混凝土柱在受荷初期套箍效應較弱，各構件相差不大，到后期鋼管對混凝土產生的套箍作用增大，構件具有較明顯的強化段，增加了混凝土的韌性和強度。

中長柱在縱向受荷狀態下會出現較大的撓曲導致附加彎矩產生，尤其是在偏壓狀態下這種現象更為顯著。由圖8（c）可知，隨著長細比的加大，構件的撓度增加越快，更易產生二階效應，極限承載力降低越快。C-2較A-2承載力降低10.5%，且初始剛度略微降低；到后期階段，A-2有明顯的強化段，C-1沒有強化段，C-2只有下降段，表明該階段鋼管對混凝土的約束能力隨著長細比的加大而減少。

4.2.3 荷載-應力曲線

以構件A-3為例，研究其1/2高度處受拉側、受壓側和形心軸處的荷載-應力曲線，如圖9所示，介紹縱向應力與環向應力。由圖9可以看出，加載初期，受拉側的環向應力幾乎為0，縱向應力增長緩慢，受壓側和形心軸處的環向應力較低，但縱向應力迅速增加，說明鋼管對受拉側混凝土的約束作用在加載初期時較小，而對受壓側和形心軸處混凝土的約束作用略大；峰值荷載后，受拉側、受壓側和形心軸處的環向應力迅速增加，由橫向的壓應力過渡為拉應力，受壓側和形心軸處的縱向壓應力均緩慢減少。當荷載下降至峰值荷載的80%左右時，受壓側和形心軸處的環向應力變化幾乎一樣，鋼管受拉側處于雙向受拉狀態。

5 結論

1）有限元模型分析結果與試驗結果吻合。分析結果表明，自密實輕骨料鋼管混凝土柱具有較好的力學性能。

2）自密實輕骨料鋼管混凝土柱在受偏壓荷載初期，其中部的環向應力較小，鋼管對混凝土幾乎無約束作用；峰值荷載之后構件A-3鋼管受拉側環向應力從-10 MPa過渡到100 MPa，受壓側環向應力從0過渡到140 MPa，形心軸處環向應力從-8 MPa過渡到130 MPa，環向約束力有增強的趨勢。

3）偏心距的改變會引起自密實輕骨料鋼管混凝土柱截面橫向應力梯度分布的改變，大大減少鋼管對混凝土的套箍作用，構件A-3較A-1承載力下降了38.6%，偏心距對自密實輕骨料鋼管混凝土柱的承載力影響較大。

4）偏壓荷載下，構件A-2、B-1和B-2的承載力逐步提高，其中B-2較A-2承載力提高5.3%，可得出，隨著套箍系數的加大，自密實輕骨料鋼管混凝土柱的承載力增加，構件強化階段明顯，可加強混凝土的強度和韌性。

5）構件A-2、C-1和C-2的承載力逐漸減少，其中C-2較A-2承載力降低10.5%，可得出：隨著長細比的增加，偏壓狀態下自密實輕骨料鋼管混凝土柱產生的撓度增大，產生的二階效應更為明顯，構件的承載力降低。

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Finite element analysis of mechanical properties of self-compacting lightweight aggregate concrete-filled steel tube columns

HE Linfeng， WU Huiqin*， HU Qiang， LI Jiacheng， ZHU Zhen， LIU Xingchi

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： To study the mechanical properties of self-compacting-lightweight aggregate-concrete-filled steel tube columns （SLCST） and explore the effect of eccentric distance， hoop coefficient and slenderness ratio on the mechanical properties of SLCST， ABAQUS finite element software is used to carry out nonlinear analysis on the completed axial compression test of SLCST， verify the effectiveness of the model and establish the component model under different parameters. The results show that the analytical results are in good agreement with the experimental results： The bearing capacity of the component decreases significantly with the increase of eccentric distance; The slenderness ratio has a greater effect on the bearing capacity than the hoop coefficient; At the beginning of loading， the steel pipe has a weak constraint effect on concrete， after the peak loading， the hoop stress at 1/2 height of the component increases rapidly， and the steel pipe has a significant constraint effect on concrete hoop; The failure types of components all belong to instability failure.

Key words： self-compacting concrete; lightweight aggregate concrete; concrete-filled steel tube columns; bearing capacity; eccentric compression

（責任編輯：羅小芬）