襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱軸壓性能有限元分析

葉勇 薛昱萱 孫大為 姜航 賴順穎

摘要：

選擇合理的建模方法，建立襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱軸壓有限元分析模型，對構件的破壞形態、軸壓荷載-變形關系、內力分配進行研究，并以承載力折減系數的形式提出構件的極限承載力簡化計算公式.結果表明：襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的外鋼管與內襯塑料層可較好共同工作，構件的軸壓荷載-變形曲線可分為3種類型，由約束效應系數決定；隨著塑料層厚徑比的增大，軸壓荷載-變形曲線形狀相似，但極限承載力近似呈線性降低.

關鍵詞：

襯塑鋼管； 海水海砂混凝土； 軸壓性能； 有限元分析； 簡化計算模型

中圖分類號： TU 392.3文獻標志碼： A ??文章編號： 1000-5013（2023）04-0442-09

Finite Element Analysis of Axial Compression Behavior of Seawater Sea Sand Concrete-Filled Plastic-Lined Steel Tube Stub Columns

YE Yong1，2， XUE Yuxuan1， SUN Dawei1，JIANG Hang1， LAI Shunying1

（1. College of Civil Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021， China；

2. Key Laboratory for Structural Engineering and Disaster Prevention of Fujian Province， Huaqiao University， Xiamen 361021， China）

Abstract： A reasonable modeling method is used to establish the finite element analysis model of seawater sea sand concrete-filled plastic-lined steel tube stub columns. The failure form， axial compressive load-deformation relationship and internal force distribution of the member are investigated， and the simplified calculation formula of the ultimate bearing capacity for the member is proposed by a reduction coefficient of bearing capacity. The results show that the outer steel tube and the inner plastic lining of seawater sea sand concrete-filled plastic-lined steel tube stub columns can work well together， and the axial compressive load-deformation curves of the member can be categorized into three types， determined by the confinement factor. With the increase of the plastic lining thickness to diameter ratio， the shapes of the axial compressive load-deformation curves are similar， but the ultimate bearing capacity decreases approximately linearly.

Keywords：

plastic-lined steel tube； seawater sea sand concrete； axial compression behavior； finite element analysis； simplified computation model

近幾十年來，我國基礎設施與城鎮化建設快速發展，消耗了大量混凝土材料.目前，拌制混凝土所用的細骨料主要是河砂，大量開采已導致河砂供不應求，價格攀升，同時，也對河道保護、濕地修復、淡水供給產生負面影響.我國海岸線漫長，海水海砂資源豐富，開采難度小、含泥量少，若能合理利用將是河砂的良好替代材料.海砂及海水中含有大量游離氯離子，為防止氯離子腐蝕鋼材，拌制海水海砂混凝土前，往往需要進行淡化處理.海水海砂的淡化處理工序繁雜、成本較高，因此，在保證結構安全性和耐久性的前提下，合理、經濟地利用海水海砂資源是緩解河砂資源緊缺、城鎮淡水承載力不足等現狀的有效途徑.

國內外學者圍繞海水海砂混凝土的材料性能及海水海砂混凝土-耐腐蝕材料組合結構力學性能等方面開展了系列研究.已有研究結果表明，海水海砂混凝土與普通混凝土的力學性能并無明顯差異，在不考慮氯離子腐蝕的情況下可等同使用［1-3］.針對海水海砂混凝土可能腐蝕鋼材的潛在問題，學者將具有良好耐腐蝕性的纖維增強塑料（FRP）［4-9］和不銹鋼［10-14］等材料與海水海砂混凝土進行結合，通過試驗研究和理論分析提出相關的設計方法和構造措施.然而，現階段FRP和不銹鋼的成本較高，組合結構的節點連接困難，抑制了此類組合構件的推廣應用.

將海水海砂混凝土填入內襯塑料層的鋼管形成襯塑鋼管混凝土，是符合低碳節能發展要求的新型結構構件形式.內襯塑料層能夠阻隔海水海砂混凝土中的氯離子等腐蝕性物質，外鋼管能夠提高海水海砂混凝土的承載和變形能力，核心混凝土防止或延緩外鋼管發生內凹屈曲.相較于傳統鋼管混凝土，襯塑鋼管中內襯塑料層的材料力學性能與鋼材差異顯著，可能影響外鋼管與內填海水海砂混凝土之間的相互作用和共同工作，從而削弱整體構件的承載力和剛度.為了研究襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的軸壓性能，本文建立精細化分析模型分析構件的破壞形態、軸壓荷載-變形性能和內力分配機制，并提出構件的軸壓極限承載力簡化計算公式.

1 有限元模型的建立

1.1 建模方法

采用有限元程序ABAQUS建立襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱構件（圖1）的精細化模型.其中，海水海砂混凝土采用程序自帶的8節點減積分三維實體單元（C3D8R）進行模擬，襯塑鋼管的外鋼管和內襯塑料層采用4節點縮減積分殼單元（S4R）分開模擬，并在殼單元的厚度方向設置9個積分點.為兼顧計算精度和成本，對建立的有限元模型進行網格敏感性分析，最終確定模型的網格尺寸約為25 mm.

外鋼管-內襯塑料層、內襯塑料層-海水海砂混凝土接觸界面的法向力學行為采用“硬”接觸（允許壓力在界面間傳遞）進行模擬，切向力學行為采用Coulomb摩擦模型進行模擬（塑料-混凝土界面摩擦系數取0.2［15］，鋼-塑料界面摩擦系數取0.3［15］，鋼-混凝土界面摩擦系數取0.6［16］）.模型一端設置為固結，另一端約束除軸向位移外的其他自由度，

采用位移控制模式對模型施加軸向壓縮.由于鋼材和混凝土的硬度高于塑料，在鋼管-塑料接觸分析時，設置鋼管表面為主控表面，塑料表面為從屬表面；在塑料-混凝土接觸分析時，設置混凝土表面為主控表面，塑料表面為從屬表面.采用結構化技術對模型進行網格劃分，建立的襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱有限元模型，如圖2所示.

1.2 材料本構模型

海水海砂混凝土采用有限元程序ABAQUS的混凝土塑性損傷模型進行模擬.混凝土的受拉行為采用基于斷裂能（GFI）的方法進行模擬，以提高有限元模型計算的收斂性.由于海水海砂混凝土的短期力學性能與同強度普通混凝土相近，故采用韓林海［17］提出的考慮鋼管約束的混凝土受壓應力-應變模型，該模型充分考慮外部約束的存在對核心混凝土的約束作用（由于內襯塑料層的材料強度較小，故在計算過程中未考慮內襯塑料層的約束作用）.襯塑鋼管海水海砂混凝土的約束效應系數（ξ）為

ξ=fyAsfckAc.（1）

式（1）中：fy為鋼材屈服強度；As為鋼管橫截面面積（不包括內襯塑料層）；fck為混凝土軸心受壓強度標準值；Ac為核心混凝土橫截面面積.

鋼材的材性采用二次塑流應力-應變模型進行模擬［17］；內襯塑料采用理想彈塑性模型進行模擬［15］.

1.3 有限元模型的驗證

目前，缺乏襯塑鋼管海水海砂混凝土結構的相關研究報道，故采用同為雙層外管結構的不銹鋼（外）-碳素鋼（內）雙金屬復合管混凝土軸壓試驗結果［18］對文中的有限元建模技術進行可靠性驗證.

試件CFST為碳素鋼管混凝土短柱，其余為雙金屬復合管混凝土（CFBT）短柱（試件編號為t1c2，t2c2，t3c2，t2c1，t2c3），試件的參數信息詳見文獻［18］.試件CFBT的約束效應系數（ξCFBT）為

ξCFBT=fycAsc+σ0.2sAssfckAc.（2）

式（2）中：fyc為碳素鋼屈服強度；Asc為碳素鋼管橫截面面積；σ0.2s為不銹鋼名義屈服強度；Ass為不銹鋼管橫截面面積.

每組參數采用兩個相同的試件（試件1，2）進行軸壓荷載-變形（N-Δ）實驗，計算值與試驗值［18］的對比，如圖3所示.

由圖3可知：計算值與試驗值總體吻合良好，表明有限元建模技術可較好地模擬具有雙層外管的鋼管混凝土短柱的受力性能.

2 有限元分析

2.1 有限元模型的試件參數

建立3個襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱有限元模型（試件編號為LP-35，LP-50，LP-65），計算參數：鋼管的外徑（D）為165 mm，高度（h）為495 mm，外鋼管壁厚（ts）為4.25 mm，碳素鋼的屈服強度（fyc）為400 MPa，極限強度（fu）為500 MPa，彈性模量（Es）為206 GPa，泊松比（νs）為0.3；內襯塑料層的厚度（tp）為2.5 mm，屈服強度（fyp）為12 MPa，彈性模量（Ep）為206 MPa，泊松比（νp）為0.4［15］；試件LP-35，LP-50，LP-65的混凝土強度（fcu）分別為35，50，65 MPa.

主要參數與極限承載力的計算結果，如表1所示.表1中：Nu為極限承載力.

2.2 典型破壞形態

有限元計算結果顯示，軸壓條件下襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱具有良好的承載和變形性能，從開始受力直至加載結束，模型試件未出現劇烈破壞現象.

加載結束（Δ=40 mm）時，試件LP-65的破壞形態，如圖4所示.

由圖4可知：整體試件發生了較為明顯的壓縮變形，試件中部膨脹、兩端出現局部環向鼓曲；外鋼管與內襯塑料層的局部屈曲位置基本重合，且核心混凝土僅在鋼管局部屈曲處壓潰.

由此可知，外鋼管與內襯塑料層可較好共同工作，受力過程中兩者未出現分離現象，當整體試件軸壓變形達到試件高度的8%左右（Δ=40 mm）時，外鋼管與內襯塑料層僅在兩端發生局部屈曲.

2.3 軸壓荷載-變形關系

試件的軸壓荷載-變形曲線，如圖5所示.

由圖5可得以下3點結論.

1） 混凝土強度較低（fcu=35 MPa）的試件LP-35的軸壓荷載-變形曲線呈現出持續上升趨勢，當變形從零增大至3 mm左右時，曲線的上升速度顯著減弱，呈現類似“屈服”現象；當變形繼續增大至10 mm左右時，曲線的上升速度有所回升，呈現類似“應變強化”現象.

2） 混凝土強度適中（fcu=50 MPa）的試件LP-50的軸壓荷載-變形曲線呈現出持續上升-輕微下降-二次上升趨勢；當軸向變形從零增大至3 mm左右時，曲線達到首個峰值點并開始緩慢下降；當軸向變形繼續增大至15 mm左右時，曲線達到谷值點并開始回升，呈現類似“應變強化”現象.

3） 混凝土強度較高（fcu=65 MPa）的試件LP-65的軸壓荷載-變形曲線呈現出持續上升-顯著下降-二次上升趨勢；當軸向變形從零增大至3 mm左右時，曲線達到首個峰值點并開顯著下降；當軸向變形繼續增大至15 mm左右時，曲線達到谷值點并開始回升，呈現類似“應變強化”現象.

由此可知，襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱與傳統鋼管混凝土短柱的軸壓荷載-變形曲線特征相似，可以分為以下3種類型：1） A型，持續上升型；2） B型，上升-穩定（或輕微下降）-二次上升；3） C型，上升-顯著下降-二次上升，且曲線類型主要由試件的約束效應系數決定.

文中雖未考慮內襯塑料層對核心混凝土的直接約束作用，但整體構件呈現的力學行為接近傳統鋼管混凝土，與存在混凝土脫空缺陷鋼管混凝土［19］的行為存在顯著區別.

2.4 內力分配分析

通過有限元模型可獲得襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱各部件的受力情況.

試件LP-50不同部件的軸壓荷載-變形曲線（取加載過程中首個荷載峰值點作為試件的極限承載力（Δ=3.65 mm）），如圖6所示.

由圖6可知：軸壓荷載下試件的主要受力部分為核心混凝土，且核心混凝土受到了外鋼管的有效約束，其軸壓荷載-變形曲線呈現出良好的延性特征，即軸壓荷載達到峰值點后并未出現急劇的下降，而是隨著變形的增大幾乎可維持恒定，此時，核心混凝土承擔的軸壓荷載占總荷載的62.27%；外鋼管承擔的荷載在變形較小時由于鋼材屈服而出現一定降低，且由于核心混凝土的支撐作用，外鋼管的承載力并未快速喪失，當試件達到極限承載力時，外鋼管承擔的荷載占總荷載的37.13%，當變形持續增大后，鋼材進入應變強化階段，外鋼管承載的荷載又略有回升；內襯塑料層對承載力的直接貢獻較小，當試件達到極限承載力時，內襯塑料層承擔的荷載僅占總荷載的0.60%，近似可忽略.

3 軸壓承載力分析

襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱在軸壓荷載作用下的整體破壞形態和力學性能與傳統鋼管混凝土相近.同時，由于塑料的材性與鋼材相差較大，內襯塑料層的設置難以避免地對鋼管-混凝土的組合作用產生一定影響，從而導致襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的力學性能與傳統鋼管混凝土有所區別.通過有限元模型開展參數分析，研究混凝土強度、鋼材屈服強度、截面含鋼率、塑料層厚徑比對襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱軸壓性能的影響規律.

3.1 混凝土強度

核心混凝土是襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的主要受力部分，混凝土強度直接影響構件軸壓承載力.混凝土強度對軸壓承載力的影響，如圖7所示.圖7中：混凝土強度設置30～90 MPa等7個等級.

由圖7（a）可知：隨著混凝土強度的增大，襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的初始剛度有所提高，峰值荷載逐漸增加，軸壓荷載-變形曲線的類型逐漸由C型過渡至A型.

由圖7（b）可知：隨著混凝土強度的增大，襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的極限承載力近似呈線性上升，主要原因在于核心混凝土是整體構件的主要承載部分，其強度等級影響了整體構件的承載能力.

3.2 鋼材屈服強度

在襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱中，外鋼管除了對內填海水海砂混凝土產生約束作用之外，還直接承擔了一部分軸壓荷載.

鋼材屈服強度對軸壓承載力的影響，如圖8所示.圖8中：鋼材屈服強度設置235～540 MPa等4個等級.

由圖8（a）可知：隨著鋼材屈服強度的增大，襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的初始剛度基本不變，而峰值荷載逐漸提高，軸壓荷載-變形曲線的類型逐漸由C型過渡至A型.

由圖8（b）可知：隨著鋼材屈服強度的增大，襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的極限承載力近似呈線性上升，主要原因在于外鋼管既直接承受外荷載，又對核心混凝土產生約束，從而提高混凝土部分的承載能力.因此，鋼材屈服強度等級是影響整體構件承載能力的重要因素.

3.3 截面含鋼率

除了鋼材屈服強度之外，鋼材用量也是影響鋼管混凝土構件力學性能的主要因素.為了探究截面含鋼率（α=As/Ac）對襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱軸壓性能的影響，設置不同的外鋼管壁厚的模型試件進行分析.

截面含鋼率對軸壓承載力的影響，如圖9所示.

圖9中：截面含鋼率設置0.055～0.199等6個等級.

由圖9（a）可知：隨著截面含鋼率的增大，襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的初始剛度有所增大，但不顯著，峰值荷載逐漸提高，且軸壓荷載-變形曲線的類型逐漸由C型過渡至A型.

由圖9（b）可知：隨著截面含鋼率的增大，襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的極限承載力近似呈線性上升.

3.4 塑料層厚徑比

內襯塑料層是襯塑鋼管海水海砂混凝土構件的重要組成部分，其厚度對構件力學性能的影響規律至關重要.

塑料層厚徑比對軸壓承載力的影響，如圖10所示.

圖10中：塑料層厚徑比（tp/D）設置了0～0.030等11個等級.

由圖10（a）可知：隨著塑料層厚徑比的增大，襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的軸壓荷載-變形曲線形狀相似，但曲線平臺有所降低.

由圖10（b）可知：隨著塑料層厚徑比的增大，襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的極限承載力近似呈線性降低，主要原因是內襯塑料層的強度低于鋼材和混凝土，且內襯塑料層的設置在一定程度上削弱了外鋼管對核心混凝土的約束作用.

值得注意的是，內襯塑料層的存在雖然降低了整體承載力，但并未對軸壓荷載-變形性能產生顯著影響，構件仍呈現出較好的延性特征.

3.5 極限承載力簡化計算模型

襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的軸壓承載力與鋼材屈服強度、混凝土強度、截面含鋼率和塑料層厚徑比相關，且隨著塑料層厚徑比的增大，構件的極限承載力近似呈線性降低.

為明確上述參數對構件極限承載力的影響并提出簡化計算模型，通過有限元計算出不同參數對構件極限承載力的影響，結果如表2所示.表2中：Nu，no為無內襯塑料層的鋼管混凝土極限承載力；Nu，FEA為有限元計算得到的有內襯塑料層的鋼管混凝土極限承載力.

將鋼材屈服強度、混凝土強度和截面含鋼率的影響統一至約束效應系數，并在傳統鋼管混凝土短柱極限承載力的基礎上引入承載力折減系數（β），以考慮約束效應系數和塑料層厚徑比對構件極限承載力的影響.

約束效應系數和塑料層厚徑比對承載力折減系數的影響，如圖11所示.由圖11可知：約束效應系對承載力折減系數的影響不明顯；隨著塑料層厚徑比的增大，承載力折減系數逐漸降低.

經擬合可得承載力折減系數的表達式為

β=1+0.308 2x2-0.262 8x.（3）

式（3）中：x=10tp/D.

因此，提出襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的極限承載力的簡化計算公式，即

Nu=βNu，no.（4）

式（4）中：Nu，no可采用已有的相關模型進行計算.

4 結論

建立襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱在軸壓荷載作用下的精細化有限元分析模型，通過模型對構件的破壞形態、軸壓荷載-變形關系、內力分配進行研究.經參數分析，提出襯塑鋼管海水海砂混凝土的極限承載力簡化計算模型.在研究參數范圍內，可以得到以下4個結論.

1） 襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的外鋼管與內襯塑料層可較好共同工作，受力過程中兩者未分離，且在整體構件軸壓變形達到8%左右時，外鋼管與內襯塑料層僅在局部發生屈曲.

2） 與傳統鋼管混凝土短柱的軸壓荷載-變形曲線相似，襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的軸壓荷載-變形曲線也可分為3種類型，由約束效應系數決定.

3） 隨著塑料層厚徑比的增大，襯塑鋼管海水海砂混凝土短柱的軸壓荷載-變形曲線形狀相似，但極限承載力近似呈線性降低.

4） 以承載力折減系數的形式提出襯塑鋼管海水海砂混凝土的極限承載力簡化計算公式，可為該結構構件的工程應用提供參考.

文中未考慮內襯塑料層對核心混凝土的直接約束作用，而整體構件所呈現的力學行為接近于傳統的鋼管混凝土，顯著區別于帶混凝土脫空缺陷的鋼管混凝土.今后將進一步開展研究，采用試驗、理論與數值模擬相結合的方法，系統探索內襯塑料層對襯塑鋼管海水海砂混凝土構件的工作機理，推動該新型結構構件的工程應用.

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（責任編輯：? 錢筠 ?英文審校： 方德平）

收稿日期： 2023-03-17

通信作者： 葉勇（1985-），男，副教授，博士，主要從事鋼-混凝土組合結構的研究.E-mail：qzyeyong@hqu.edu.cn.

基金項目： 國家自然科學基金資助項目（52278182）； 福建省自然科學基金資助項目（2021J01286）； 華僑大學大學生創新創業訓練計劃項目（202210385035）

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