钢骨形式对钢管混凝土短柱轴压承载力的影响

张 磊，杜木子

(1.西安石油大学 实验室管理处(实验中心)，陕西 西安 710065；2.陕西市政建筑设计研究院有限公司，陕西 西安 710021)

0 前 言

钢管混凝土柱由于其承载力高、塑性好、施工方便等特性广泛应用在建筑、桥梁、地下建筑等结构中。目前已有研究表明，钢管混凝土柱中配置钢骨不仅可以有效提高承载力，相比普通钢管混凝土柱还具有更好的抗弯刚度、延性、耐火性能等优点[1]，但是钢管混凝土内钢骨形式对承载力影响的研究还比较少。因此，本文采用ABAQUS有限元软件对6个内配不同钢骨的构件进行非线性分析，研究钢骨形式对承载力的影响，进而发掘出最具经济性与安全性的钢骨配置形式。

1 有限元模型的建立

1.1 单元选取与网格划分

ABAQUS中拥有多种单元类型可供选择，本文为了更好地体现出钢管、钢骨与混凝土之间相互作用的关系，故混凝土、钢管与钢骨均采用减缩积分形式的八节点线性六面体单元(C3D8R)。

网格采用自适应结构划分方法进行划分，保证每个单元的三项尺寸相差不大。

1.2 本构关系

本文所建立模型的本构关系主要有钢材和混凝土。钢材的本构关系采用三折线模型模拟钢材的应力应变关系。

钢管内混凝土的塑性应力应变模型采用ABAQUS所提供的混凝土塑性损伤模型，塑性损伤模型可以很好地反映出混凝土在轴压过程中的刚度退化和承载力退化现象。

混凝土抗压应力应变关系采用韩林海[2]的混凝土单轴抗压应力应变表达式，抗拉本构模型采用《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[3]中的应力应变关系表达式。

1.3 接 触

本文所建立模型接触主要有混凝土与钢骨、混凝土与外钢管之间的接触。混凝土与钢骨、混凝土与外钢管的接触法向为硬接触、切向为“罚”接触，采用此接触可以很好地模拟钢管混凝土中钢管对混凝土的约束作用。

1.4 边界条件与加载方式

本文分别在柱顶与柱底设置参考点耦合其加载截面，并设置边界条件及作用力。在柱底约束X、Y、Z方向的位移以及X、Z方向的转角位移，在柱顶约束X、Y方向位移以及Z方向的转角位移防止柱在加载过程中发生扭转。加载方式采用位移加载。

2 分析结果

2.1 钢骨-钢管混凝土短柱轴压承载力

内配不同钢骨的钢管混凝土极限轴压如表1所示，其中钢管和钢骨均为Q235钢材，混凝土采用C60混凝土钢骨。

表1 模型计算结果

由表1可知，当钢管厚度相同时，内配钢骨可以显著提高短柱轴压承载力，内配圆钢管、方钢管、工字钢、十字型钢的构件相比没有配置钢骨的构件承载力分别提高了27.39%、24.82%、25.18%、25.40%，这主要是因为内配钢骨不仅可以提高了构件的截面含钢率、而且钢骨和钢管会对混凝土产生双重约束力，其中内配圆钢管产生的双重约束效果最好，内配方钢管的约束效果最差，内配工字钢和十字型钢的约束效果相差不大，且好于内配方钢管的构件。当截面含钢率相同时，内配圆钢管、方钢管、工字钢、十字型钢相比没有配置钢骨的钢管混凝土承载力分别降低了0.3%、2.4%、2.0%、2.0%，这主要是因为当截面含钢率相同时，未配置钢骨的构件钢管厚度明显大于内配钢骨的构件，从而使约束效应系数显著增大，有研究表明[4]，约束效应系数的增加会增大钢管混凝土的轴压承载力，因此，当含钢率相同时，约束效应系数较大的SC1构件承载力会略大于其他试件。

2.2 钢骨-钢管混凝土轴力应变关系

内配不同钢骨的钢管混凝土轴力应变关系如图1所示。

图1 钢骨-钢管混凝土轴力应变曲线

由图1可知，6个构件在加载时均有明显的弹性阶段-弹塑阶段-下降段。配骨指标相同时，内配圆钢管的钢骨-钢管混凝土不仅极限承载力高，而且残余承载力也高于其他构件，这主要是由于内外圆钢管的双重约束不仅使混凝土承载力得到加强，而且钢管在内外混凝土的双重约束下，可以延缓鼓曲，从而使残余承载力得到有效提高。内配方钢管的构件残余承载力最差，这主要是因为方钢管对混凝土的约束力主要作用在四角，从而使其对混凝土的约束不能得到充分发挥，因此，造成了承载力和残余承载力较低。内配工字钢和十字型钢的构件，极限承载力以及残余承载力几乎相同，且都高于内配方钢管的构件而低于内配圆钢管的构件，这说明工字钢和十字型钢虽然钢骨形式不同，但是对混凝土在钢管中的约束效果几乎相同的。

因此，工程中在钢管混凝土柱内配置圆钢管会取得较好的安全性与经济性。

3 结 论

1)基于ABAQUS有限元软件合理考虑单元选择、本构关系、接触关系，以及边界条件建立了6个钢骨-钢管混凝土模型，并进行了非线性分析。

2)当钢管厚度相同时，在钢管混凝土柱内配置任何形式钢骨均可以有效提高短柱的轴压承载力。

3)当柱截面含钢率相同时，未配置钢骨的钢管混凝土极限承载力最高，内配圆钢管的钢管混凝土承载力略低于未配置钢骨的钢管混凝土；内配工字钢和十字型钢的钢管混凝土极限承载力接近；内配方钢管的钢管混凝土极限承载力最差。

4)当配骨指标相同时，内配圆钢管的钢管混凝土残余承载力最高，未配置钢骨的钢管混凝土以及内配工字钢和十字型钢的钢管混凝土残余承载力接近，而内配方钢管的钢管混凝土残余承载力最差。因此，在工程中使用内配圆钢管的钢管混凝土最有经济性。

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