內(nèi)壁開孔型復式方鋼管混凝土短柱軸壓力學性能研究

徐元濤

摘 要：為研究內(nèi)壁開孔型復式方鋼管混凝土短柱的軸壓力學性能，采用有限元軟件ABAQUS建立了6個短柱有限元分析模型，分析了內(nèi)壁開孔尺寸對短柱軸壓力學性能的影響。研究結(jié)果表明，相較于普通方鋼管混凝土短柱，復式方鋼管混凝土短柱具有較高的屈服荷載、峰值荷載和延性。隨著內(nèi)壁開孔尺寸的增大，復式方鋼管混凝土短柱的屈服荷載、峰值荷載和延性逐漸下降。

關鍵詞：復式方鋼管混凝土短柱；軸壓力學性能；內(nèi)壁開孔；有限元模擬

中圖分類號：TU398? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）05-0052-04

0 引言

鋼管混凝土具有承載能力高、受力性能優(yōu)良、施工方便等優(yōu)點，已被廣泛應用于超高層建筑和大跨橋梁中[1]。近年來，超高層建筑對建筑的空間利用率以及下部受力構(gòu)件的承載力要求越來越高，且下部受力構(gòu)件的受力形式較為復雜。為解決上述難題，研究人員提出了復式鋼管混凝土柱構(gòu)件，并對其受力性能開展了一系列研究[2-5]。

陳洪敏等[6]以國內(nèi)某工程為例，提出了基于復式方鋼管混凝土柱的設計與施工方案，并通過試驗研究了復式方鋼管混凝土柱受壓機理。蔡紹懷等[7]對內(nèi)置同心多層圓管和內(nèi)置鋼管簇的復式鋼管混凝土柱進行了試驗研究，提出了復式方鋼管混凝土柱在受軸向荷載時的承載力計算公式，理論與試驗結(jié)果吻合良好。鄧旭華等[8]通過有限元與試驗相結(jié)合的方式研究了不同加勁形式的復式薄壁方鋼管混凝土短柱的軸壓力學性能，研究結(jié)果表明加勁試件具有較高的承載能力，能有效提高多腔體截面試件的延性。

現(xiàn)有復式鋼管混凝土柱的研究多是針對圓形復式鋼管混凝土柱，對方形復式鋼管混凝土柱的研究還較少。但方形截面柱更利于建筑平面布局，且同等截面尺寸下具有更大抗彎剛度，被廣泛應用于壓彎構(gòu)件中。傳統(tǒng)復式鋼管混凝土柱中的混凝土分為管內(nèi)混凝土與管外混凝土，在柱受荷載作用時，二者難以協(xié)調(diào)受力，且施工時工藝較為復雜。為解決上述問題，本文提出了內(nèi)壁開孔型復式方鋼管混凝土短柱，并采用ABAQUS軟件對其軸壓力學性能進行了研究。

1 有限元模型

文中共設置6個有限元分析模型。模型截面整體尺寸均為200 mm×200 mm，高600 mm，外側(cè)方鋼管壁厚6 mm。內(nèi)側(cè)方鋼管截面尺寸為100 mm×100 mm，壁厚為3 mm。在內(nèi)側(cè)方鋼管壁上開方形孔，定義開孔率（φ）為總開孔面積與內(nèi)側(cè)方鋼管側(cè)面積的比值，方形孔邊長分別為20 mm、40 mm、60mm和80 mm，其對應的開孔率分別為3.33%、13.33%、30.00%和53.33%。內(nèi)側(cè)方鋼管內(nèi)外區(qū)域均內(nèi)填混凝土。模型參數(shù)與尺寸分別見表1與圖1。

模型中內(nèi)外側(cè)方鋼管均采用Q235鋼，混凝土采用C40混凝土，其中鋼材模型采用理想彈塑性模型模擬，混凝土采用塑性損傷模型（CDP）模擬。混凝土及鋼材的材料特性及本構(gòu)模型均按中國規(guī)范[9]建議公式計算。

模型中混凝土采用軟件提供的實體單元（C3D8R）建模，內(nèi)外側(cè)方鋼管均采用軟件提供的殼單元（S4R）建模，為保證模型處于軸向受壓狀態(tài)，模型底部固結(jié)，即限制模型底部UX、UY、UZ、URX、URY和URZ六個方向自由度，并在模型頂端建立參考點，對參考點施加豎向位移荷載。對模型進行網(wǎng)格劃分時，外側(cè)方鋼管與混凝土單元網(wǎng)格大小取20 mm，內(nèi)側(cè)方鋼管網(wǎng)格大小取10 mm。模型邊界條件與網(wǎng)格劃分見圖2與圖3。

對于模型中的相互作用關系，混凝土與外側(cè)方鋼管之間的接觸采用“面-面接觸”模擬。其中，方鋼管內(nèi)側(cè)面為“主面”，混凝土外側(cè)面為“從面”。“面-面接觸”考慮切向接觸與法向接觸，其中切向接觸采用庫倫摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.3，法向為“硬接觸”。對于內(nèi)側(cè)鋼管與混凝土之間的接觸，采用“內(nèi)置區(qū)域”模擬，內(nèi)側(cè)鋼管為“嵌入?yún)^(qū)域”。

2模型計算結(jié)果

2.1 模型破壞模式

圖4為模型SSC與模型SSC-40在破壞階段的應力云圖。以二者為例對復式方鋼管混凝土短柱在受軸力作用下的破壞模式進行分析。從圖4可以看出，在模型破壞階段，二者外側(cè)鋼管的絕大部分區(qū)域均已屈服，且屈服區(qū)域基本相同。對于內(nèi)側(cè)鋼管，兩個模型的內(nèi)側(cè)鋼管也基本屈服，且屈服區(qū)域與程度區(qū)別不大。從二者內(nèi)外側(cè)鋼管的應力云圖可以看出，在破壞時，兩個模型的內(nèi)外側(cè)鋼管基本進入了承載力極限。從兩個模型的混凝土應力云圖中可以看出，二者的混凝土最大應力均已超過按規(guī)范計算的混凝土屈服應力（26.8 MPa），模型SSC的混凝土最大應力為40.11 MPa，大于模型SSC-40的35.82 MPa，表明內(nèi)壁開孔會略微降低內(nèi)壁對核心混凝土的約束能力，從而降低短柱的承載能力。

2.2 荷載-位移曲線

圖5為各模型荷載-位移曲線對比。從圖5（a）中可以看出，相較于模型SC，模型SSC具有較高的峰值荷載和極限荷載，說明增加內(nèi)側(cè)方鋼管能有效提高對核心混凝土的約束能力，提高短柱的承載能力，相較于模型SSC，模型SSC-20的峰值荷載和極限荷載略微下降，說明內(nèi)側(cè)開孔會降低短柱的承載能力。從圖5（b）中可以看出，隨著方形孔尺寸的增大，內(nèi)側(cè)方鋼管對核心混凝土的約束能力持續(xù)降低，模型的峰值荷載和極限荷載也持續(xù)降低。

對模型荷載-位移進行分析，采用等能量法[10]計算各模型屈服位移（Δy）與屈服荷載（Py），采用規(guī)范[11]推薦方法計算峰值荷載（Pm）、極限位移（Δu）和位移延性（μ），計算結(jié)果見表2。圖6為各個試件相對于模型SSC的峰值荷載與延性變化率。從表2中可以看出，增大開孔率對模型的屈服位移與極限位移的影響較小，但會顯著降低模型的屈服荷載與峰值荷載，而延性隨著開孔率的增大呈現(xiàn)先增大再減小最后再增大的趨勢。

從圖6中可以看出，開孔率對峰值荷載變化率的影響基本呈線性下降趨勢。綜合判斷，開孔率為13.33%左右最為經(jīng)濟有效。

3 結(jié)束語

為解決傳統(tǒng)復式鋼管混凝土柱內(nèi)外混凝土受力不協(xié)調(diào)的問題，本文提出了內(nèi)壁開孔型復式方鋼管混凝土短柱，并采用ABAQUS軟件對其軸壓力學性能進行了研究，分析了開孔率對短柱軸壓力學性能的影響。研究結(jié)果表明，增大開孔率會提高內(nèi)外混凝土的受理協(xié)調(diào)性，并便于施工，但會削弱內(nèi)側(cè)鋼管對核心混凝土的約束作用，進而降低其承載力，經(jīng)分析，開孔率為13.33%左右最為經(jīng)濟有效。

參考文獻

[1] 鄧長根，哈敏強.新型鋼管混凝土構(gòu)件的特點和性能[C].中國鋼協(xié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與疲勞分會第12屆（ASSF-2010）學術(shù)交流會暨教學研討會，2010：52-59.

[2] 陶忠，韓林海，黃宏.方中空夾層鋼管混凝土偏心受壓柱力學性能的研究[J].土木工程學報，2003（2）：33-40+51.

[3] 馬淑芳，郭紅香，趙均海，等.復式鋼管混凝土偏壓柱試驗[J].工業(yè)建筑，2007（12）：28-30+53.

[4] Ahmed M ， Liang Q Q ， Patel V I ， et al. Experimental and Numerical Investigations of Eccentrically Loaded Rectangular Concrete-filled double Steel Tubular Columns[J]. Journal of Constructional Steel Research，2020，167（5）：105949.

[5] 張常光，趙均海，魏雪英，等.外方內(nèi)圓中空夾層鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力[J].建筑科學與工程學報，2008，25（04）：78-82.

[6] 陳洪敏，劉文超，彭佳，等.復式鋼管混凝土柱受壓性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2022，52（S2）：1375-1379.

[7] 蔡紹懷，焦占拴.復式鋼管混凝土柱的基本性能和承載力計算[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，1997（6）：20-25.

[8] 鄧旭華，倪家貴，郭鳴琴，等.復式薄壁方鋼管混凝土短柱試驗研究與數(shù)值分析[J].湖南城市學院學報（自然科學版），2022，31（5）：1-6.

[9] GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[10] 伍凱，徐超，曹平周，等.型鋼-鋼纖維混凝土組合梁抗彎性能試驗研究[J].土木工程學報，2019，52（9）：41-52.

[11]? JGJ/T 101-2015，中華人民共和國行業(yè)標準，建筑抗震試驗規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.