改进组合式十字形钢管混凝土柱力学性能研究

王昌胜，史之恒，曹 兵

（安徽工程大学建筑工程学院，安徽芜湖 241000）

钢管混凝土结构是指将混凝土灌入钢管内而形成的组合构件，是一种结合钢管与混凝土各自优点，具有良好承载力、抗震、延性及耐火性能的结构［1-2］。相比普通截面钢管混凝土，异形钢管混凝土实际应用时恰好能解决柱体凸出墙面形成棱角的问题。因此，为了了解异形钢管混凝土的力学性能，国内外学者主要对异形钢管混凝土柱的力学性能开展了大量研究。李振宇等［3］对采用缀条连接方钢管形成的新型十字形钢管混凝土柱力学性能进行了研究，并提出了适用于该类新型十字形钢管混凝土柱承载力计算方法。郝彬等［4］提出了一种通过4块开孔钢板焊接5根方钢管混凝土单肢形成的十字形钢管混凝土柱并对其力学性能进行了研究，最后对该类十字形钢管混凝土柱的连接钢板提出优化建议。Hassam［5］对由4根方钢管沿棱角垂直焊接而成的十字形钢管混凝土柱力学性能进行了研究，并提出了该类十字形钢管混凝土柱承载力的简化计算方法。徐传国等［6］提出了一种由方钢管芯柱和槽钢翼柱焊接而成的新型十字形钢管混凝土柱并对其力学性能进行了研究，研究表明该类新型十字形钢管混凝土柱具有较好的承载力和延性。曹兵等［7-8］在总结现有异形钢管混凝土柱研究基础上，提出了一种施工方便的改进组合式异形钢管混凝土柱，并对改进组合式L形、T形钢管混凝土柱力学性能进行了研究，研究结果表明宽厚比越大、越易发生局部鼓曲，但对于改进组合式十字形钢管混凝土柱力学性能并未研究。因此，本文采用有限元软件ABAQUS对改进组合式十字形钢管混凝土柱力学性能进行分析，分析了钢管厚度、混凝土强度、试件长度和偏心距对其承载力和延性性能的影响，研究结果可为该类改进组合式十字形钢管混凝土柱的工程应用提供参考。

1 有限元设计

改进组合式十字形钢管混凝土柱直接由1个矩形钢管和2个U形槽钢焊接形成，其截面示意图如图1所示。为了研究改进组合式十字形钢管混凝土柱力学性能，主要考察钢管厚度、混凝土强度、试件长度和偏心距对其力学性能的影响，共设计了22个有限元试件（13个轴压试件、9个偏压试件），有限元试件参数及极限承载力如表1所示。

表1 有限元试件参数及试件极限承载力

续表（表1）

2 有限元建模

采用ABAQUS软件进行有限元建模时，混凝土本构模型直接采用混凝土塑性损伤模型，钢材本构模型直接采用塑性模型。混凝土及钢材的应力-应变关系均采用文献［9］中提供的应力-应变关系。矩形钢管、U形槽钢、混凝土以及上下盖板均采用三维实体建模，U形槽钢与矩形钢管之间采用Tie约束，上、下盖板与矩形钢管、U形槽钢及混凝土之间也采用Tie约束，矩形钢管与混凝土以及U形槽钢与混凝土之间均采用面-面接触模型，法向接触采用“hard”接触，切向接触采用库伦摩擦模型，其摩擦系数取0.25［10-11］。加载方式采用位移加载，约束x、y方向的自由度，释放z方向的自由度。有限元模型如图2所示。

3 有限元计算结果分析

3.1 变形形态分析

改进组合式十字形钢管混凝土柱的典型变形形态图如图3所示。从图3可以看出，试件主要表现为3种典型变形形态：中部鼓曲变形、中上部鼓曲变形以及弯曲变形。对于短柱主要发生中部鼓曲变形；对于中长柱主要发生中上部鼓曲变形；对于长柱主要发生弯曲变形。对于轴心受压试件，随着试件长度的增加，鼓曲变形的位置逐渐从试件中部向上部转移；对于偏心受压试件，随着偏心距的增大，弯曲变形的幅度越大。

3.2 钢管和混凝土应力分析

3.2.1 钢管纵向应力分析

选取试件 SJ-S2、SJ-S5、SJ-S6、SJ-S10达到极限承载力时的钢管纵向应力云图进行对比分析，如图4所示。从图4可以看出，当试件达到极限承载力时，钢管的大部分区域具有较大的纵向应力；U形槽钢上部纵向应力较小，随试件长度增加，小应力区域越向顶部集中；采用较厚钢管的试件，在矩形钢管中部的纵向应力小于薄壁试件；在钢管焊接处和钢管角部的纵向应力也相对较弱，这些区域的约束作用较弱；偏心受压试件在柱顶部偏压一侧的钢管角部纵向应力较小，且底部纵向应力相对试件整体偏弱。

3.2.2 钢管环向应力分析

选取试件 SJ-S1、SJ-S3、SJ-S7、SJ-S10达到极限承载力时的钢管环向应力云图进行对比分析，如图5所示。

从图5可以看出，当试件达到极限承载力时，钢管环向应力在大部分区域较小；钢管的环向应力在矩形钢管和U形槽钢焊接处的中上部区域、U形槽钢外侧中上部区域较大，厚壁钢管在此区域的环向应力大于薄壁钢管，表明厚壁钢管所提供的约束作用更大；在各试件顶部的部分区域内，钢管环向应力明显小于其他区域，主要体现在顶部矩形钢管和U形槽钢焊接处和U形钢管外侧，表明这些区域约束作用较弱。

3.2.3 混凝土纵向应力分析

选取试件 SJ-S2、SJ-S5、SJ-S6、SJ-S10达到极限承载力时的混凝土纵向应力云图进行对比分析，如图6所示。从图6可以看出，当试件达到极限承载力时，采用薄壁钢管的试件，混凝土纵向应力集中在矩形钢管内混凝土的上部、下部区域，以及U形槽钢内混凝土的中部区域；采用较厚壁钢管的试件，纵向应力集中在中下部区域并向上部逐渐延伸，纵向应力较大处，约束作用也相应较大；试件顶部混凝土的纵向应力大小分部不均匀，且应力值相差较大，存在纵向应力薄弱区；偏心受压试件在柱顶部偏压一侧的钢管焊接处，混凝土纵向应力大于另一侧，表明偏压一侧约束作用更大。

3.3 钢管与混凝土接触压力分析

定义无焊缝的U形槽钢侧面为接触面1，未焊接U形槽钢的矩形钢管侧面为接触面2，如图1所示。以试件SJ-S1为例进行分析，其钢管与混凝土接触压力变化曲线如图7所示。从图7可以看出，随着位移的增加，接触面1和接触面2的接触压力均在不断增加，接触面1的接触压力增长速率明显高于接触面2，表明钢管对混凝土产生了约束作用，U形槽钢对混凝土的约束作用高于矩形钢管。

3.4 钢管与混凝土承载力分析

以试件SJ-S1为例进行分析，其钢管与混凝土承载力变化曲线如图8所示。从图8可以看出，矩形钢管、矩形钢管内混凝土的承载能力明显大于U形槽钢和U形槽钢内的混凝土，表明达到极限承载力之前主要由矩形钢管混凝土承担荷载。U形槽钢的承载力变化曲线与其他3个曲线存在明显差异，在达到极限承载力后没有出现下降趋势，表明达到极限承载力之后U形槽钢具有较强的承载力。

3.5 承载力参数影响分析

3.5.1 钢管厚度

钢管厚度对改进组合式十字形钢管混凝土柱承载力-位移曲线影响如图9所示。从图9及表1可以看出，采用较厚钢管的试件，其极限承载力明显高于采用较薄钢管的试件；当钢管厚度较厚时，随着钢管厚度的增加，其极限承载力增加幅度基本变化不大；当达到极限承载力后，厚钢管试件的曲线下降趋势比薄钢管试件要缓。由此表明，增大钢管厚度能够有效提高改进组合式十字形钢管混凝土柱的极限承载力，且能够优化试件的延性；钢管厚度控制在16 mm作用最为合适。

3.5.2 混凝土强度

混凝土强度对改进组合式十字形钢管混凝土柱承载力-位移曲线影响如图10所示。从图10及表1可以看出，采用强度高的混凝土试件，其极限承载力明显高于强度低的混凝土的试件；当达到极限承载力后，强度高的混凝土试件的曲线下降较为迅速，承载力损失明显；随混凝土强度的提高，试件延性下降。由此表明，增大混凝土强度等级能够有效提高改进组合式十字形钢管混凝土柱的极限承载力，但对试件整体延性不利。

3.5.3 试件长度

试件长度对改进组合式十字形钢管混凝土柱承载力-位移曲线影响如图11所示。从图11及表1可以看出，当试件长度较小时，随着试件长度的增加，其极限承载力有所减小，减小幅度相对较小，但其变形能力有较大程度提高；当试件长度较长时，随着试件长度的增加，其极限承载力减小幅度将有所增加。由此表明，在一定范围内增加试件的长度对其极限承载力影响较小，对提高试件的延性有较大作用。

3.5.4 偏心距

偏心距对改进组合式十字形钢管混凝土柱承载力-位移曲线影响如图12所示。

从图12（a）及表1可以看出，不同偏心距下试件承载力-位移曲线基本相同，表明试件长度较小时，改变偏心距对试件承载力和延性性能影响不大。从图12（b）及表1可以看出，不同偏心距下试件承载力-位移曲线发生了一定变化，偏心距越大，试件承载力越低，达到峰值承载力后下降越快，表明试件长度较大时，改变偏心距对试件承载力和延性影响较大。

4 结论

1）改进组合式十字形钢管混凝土柱具有良好的力学性能，其在加载后主要有中部鼓曲、中上部鼓曲及整体弯曲等3种典型变形形态。

2）钢管厚度越大，钢管对混凝土的约束作用越强；增加钢管厚度对提高试件极限承载力的作用更明显；提高混凝土强度等级对试件延性不利；试件长度不大时，偏心距的增加对试件承载力及延性的影响均较小。