圆中空钢管混凝土叠合长柱轴压性能研究

任庆新，魏秋宇，王 鹏，李永进，王庆贺

(1.沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.中建二局第四建筑工程有限公司，天津 300457；3.福建江夏学院工程学院，福建 福州 350108)

中空钢管混凝土叠合柱(Hollow Concrete-Encased Concrete-Filled Steel Tube， HCCFST)[1-3]是在空心钢管外部包裹钢筋混凝土而形成的新型叠合构件。这类截面的构件具有截面易开展、抗弯刚度大等特点。这种新型结构适用于公路立交桥中的桥墩、高层建筑中的各种大尺寸框架柱、电杆塔等结构，所以该截面形式存在很大的研究与应用前景。

L.J.Li等[4]研究了混杂了FRP多重钢管混凝土叠合空心柱的轴压性能；X.Zhu等[5]对钢筋混凝土柱和其他几种叠合柱低速冲击轴压试验研究；R.Wan等[6]研究了钢管混凝土在其内配置中空8边形叠合柱的轴压性能；章敏[7]建立GFRP 管钢筋混凝土中长柱ANSYS有限元模型，以λ、fcu、χ、tg共4个变量，得出该结构的轴压性能；程志敏[8]研究了圆钢管高强混凝土叠合短柱轴压力学性能，着重分析轴压全过程下CFST部件与RC部件的承载力分配，以及钢管与混凝土之间的接触作用。

基于上述分析,笔者建立了CHCCFST叠合长柱轴压有限元模型，以有限元模拟结果与试验结果相互验证，利用有限元软件ABAQUS的应力云图分析其工作机理；讨论了长细比、混凝土强度、钢管外径和钢材强度对CHCCFST叠合长柱轴压受力性能的影响，最后基于叠加理论并结合轴压长柱稳定系数法[9]给出圆中空钢管混凝土叠合长柱轴压承载力简化计算公式，计算结果与试验结果吻合良好，表明简化公式可以很好的计算CHCCFST叠合长柱的轴压承载力，满足实际工程所需。

1 轴压有限元分析

1.1 模型参数信息

以CHCCFST叠合长柱试件编号为AC1建立模型，H=2 000 mm，D=200 mm；d=80 mm，ts=2.78 mm，钢管屈服强度fys=378 MPa；纵筋采用Φ12HRB400螺纹钢筋，纵筋屈服强度fyz=384 MPa，配筋率为0.034 3；箍筋为HPB300、直径Φ6.5@100 mm的光圆钢筋，箍筋屈服强度fyg=326 MPa，混凝土的设计强度为C40，试验用28天混凝土立方体抗压强度fcu=45.2 MPa，其保护层厚度为25 mm。试件信息如图1所示。

图1 试件构造图

1.2 材料的本构关系模型

1.3 模型的建立

1.3.1 单元类型选取

混凝土选用三维实体单元，钢管采用四节点缩减积分壳单元，箍筋与纵筋均为线性三维桁架单元。试件的有限元轴压模型详见图2。

图2 轴压模型

1.3.2 边界条件、加载方式及界面接触

考虑到初始缺陷对叠合长柱轴压性能的影响，在端板中心轴偏离X轴方向L/1 000[14]处设置加载线。应用刀铰模拟轴压受力，其边界条件如图2所示。通过设置参考点处Z方向的位移进行加载[15]。钢管与端板之间采用壳-固耦合接触，上下两边端板与混凝土两种材料间的约束均为“绑定”，钢管与混凝土的接触分别为：切线方向的粘结滑移采用“罚”函数模拟，罚函数的摩擦系数取值为0.6[16]，法线方向采用“硬”接触。

1.4 试验验证

AC1变形破坏模态对比如图3所示。试件参数信息如表1所示。

试点工作启动后，水资源司组织相关单位和特邀专家成立调研组，先后赴汉江流域、湖北省、天津市、河北省、浙江省永康市、甘肃省、山西省、上海市等试点进行调研，了解试点最新动态，发掘试点工作的新经验、新亮点，分析试点工作存在的问题，推动试点工作深入开展。

图3 试件变形模态对比

通过模拟AC1得到荷载-柱中挠度(N-um)曲线，与试验N-um曲线对比如图4所示，有限元模型(FEM)模拟结果与试验结果相比初始刚度和极限承载力相近证明有限元模型的准确性。轴压承载力模拟值(NuFEM)与实测值(Nue)平均值偏差为2.8%，承载力对比如图5所示，承载力试验值与模拟值的比值(Nue/NuFEM)平均值0.972，标准差为0.02。具体计算结果见表1。

表1 试件参数信息与计算结果

图4 试验与模拟N-um曲线对比

图5 承载力对比

2 轴压工作机理分析

将试件AC1作为典型算例进行荷载-柱中挠度(N-um)曲线分析。在N-um曲线上选取4个特征点，A点：弹性阶段的分界点；B点：构件右侧纵筋在中截面附近出现屈服；C点：试件承载力达到顶峰；D点：叠合长柱构件左侧出现开裂。特征点应力分布图如图6所示，应力分布图中压应力为负，拉应力为正。将叠合长柱轴压受力全过程为为四个阶段：①弹性阶段I(OA)，试件整体处于弹性阶段，叠合长柱所受荷载与柱中挠度之间呈现线性增加关系；②弹性阶段II(AB)，纵筋与钢管仍然处于弹性阶段，叠合柱所受荷载与柱中挠度之间仍然呈现线性增加关系；③弹性与塑性共存阶段(BC)，叠合长柱所受荷载与柱中挠度之间呈现非线性增加关系，叠合柱承载能力达到最大值；④轴压承载力下降阶段(CD)，叠合柱所受荷载与柱中挠度之间呈现非线性下降关系，直至加载结束。

图6 轴压构件特征点示意图

A点叠合长柱纵向全部为压应力，数值位于11～17 MPa，最大压应力约为最小压应力的1.4倍，沿着横截面呈现带状分布，见图7(a)。B点纵筋在中截面处屈服进入塑性变形阶段，叠合柱整体纵向应力仍然全部为压应力，构件右侧应力值大于构件左侧，数值位于28～43 MPa，最大压应力约为最小压应力的1.5倍，沿着横截面呈现带状分布，见图7(b)。C点钢管进入塑性阶段，整体纵向应力全部为压应力，构件右侧应力值大于构件左侧，构件压应力数值由右侧向左侧逐渐减小，数值位于36～65 MPa，最大压应力约为最小压应力的1.8倍，沿着横截面呈现带状分布，见图7(c)。D点叠合柱左侧受拉，右侧受压。最大拉应力位于中截面附近，当荷载达到混凝土抗拉强度时混凝土开裂，见图7(d)。

图7 特征点跨中混凝土应力分布

混凝土与钢管之间相互作用曲线(P-um) 见图8。初期加荷，叠合柱整体为弹性，混凝土的泊松比小于钢管，两者间无接触。加荷继续，混凝土出现塑性破坏，钢管开始与混凝土产生相互作用；随着加载继续相互作用力也逐渐变大，钢筋笼在混凝土开裂后仍有约束作用，构件左侧相互作用力逐渐增大，增大的趋势先平缓后上升；构件右侧钢管与混凝土之间相互接触，随着荷载的增加，相互作用逐渐增大，增大趋势趋于平缓；由于钢管中空所以构件左侧约束应力大于构件右侧约束应力。

图8 中截面处受力特征点P-um曲线

3 轴压参数分析

选取4个参数：钢管外径d，长细比λ，钢管屈服强度fys，混凝土抗压强度fcu。对CHCCFST叠合长柱的轴压性能进行参数分析，试件详细信息如表2所示，不同参数对构件荷载-柱中挠度(N-um)曲线的影响见图9～图12所示。

表2 试件参数表

3.1 钢管外径

不同钢管外径下CHCCFST叠合长柱的荷载-柱中挠度关系曲线如图9所示。轴压承载力：当钢管外径由80 mm增加至100 mm、120 mm时，轴力N由1 163.8 kN增加到1 286.3 kN、1 378.7 kN，分别增加10.5%和18.5%。构件初始刚度：当钢管外径由80 mm，100 mm增加到120 mm，刚度由1 624.0 kN /mm增加到1 628.0 kN/mm、1 645.0 kN/mm，分别增加0.2%、1.3%。由此，钢管外径对轴压承载力影响显著，对刚度无明显影响。

图9 钢管外径影响下荷载-柱中挠度曲线

3.2 长细比

不同长细比下CHCCFST叠合长柱的荷载-柱中挠度关系曲线如图10所示。轴压承载力：当长细比由36减少到30、24时，轴力N由1 163.8 kN增加到1 530.6 kN、1 680.6 kN，分别增加31.5 %和44.4%。构件初始刚度：当长细比由36减少到30、24时，刚度由1 624.0 kN/mm增加到2 672.5 kN/mm、5 022.5 kN/mm，分别增加64.5%、209.2%。可见，长细比对轴压承载力及刚度影响显著。

图10 长细比影响下荷载-柱中挠度曲线

3.3 混凝土抗压强度

不同混凝土强度下CHCCFST叠合长柱的荷载-柱中挠度关系曲线如图11所示。

图11 混凝土强度影响下荷载-柱中挠度曲线

3.4 钢材屈服强度

不同钢材屈服强度下CHCCFST叠合柱的荷载-柱中挠度关系曲线如图12所示。轴压承载力：当钢材屈服强度由345 MPa增加到390 MPa、420 MPa时，轴力N由1 163.8 kN增加到1 249.2 kN、1 375.5 kN，分别增大了7.3%和18.2%。构件初始刚度：钢材屈服强度由345MPa增加到390 MPa、420 MPa时，刚度由1 624.0 kN /mm减少到1 543.9 kN/mm、1 542.7 kN/mm，分别减小4.9%、5.0%。可见，钢材屈服强度强度对轴压承载力有稍大影响，对刚度无明显影响。

图12 钢材强度影响下对荷载-柱中挠度曲线

由以上各个参数对承载力与试件刚度的影响规律可以得出，对CHCCFST叠合长柱轴压承载力影响程度从大到小依次是fcu、λ、d、fys；对圆中空钢管混凝土叠合柱刚度影响程度从大到小依次为λ和fcu,其余参数几乎无影响。

4 轴压承载力计算

将CHCCFST叠合长柱的轴压承载力分为中空钢管(HST)和中空钢筋混凝土(HRC)两部分，进而可以得到圆中空钢管混凝土叠合构件轴压承载力的简化计算公式。

依据《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》(CECS188:2019)和《混凝土结构设计规范》(GBS0010—2010)计算HST部分轴力Ns表达式见式(1)，HRC部分的轴力Nrc表达式见式(2)，叠合长柱的轴压承载力Nuc见式(3)。由于长柱轴压试件发生失稳破坏引用稳定系数修正承载力计算轴压长柱的稳定系数φ见表3。

表3 不同长度构件稳定系数取值

Ns=fs·As.

(1)

Nrc=fcu·Ac+Σfyz·Aa.

(2)

Nuc=φ(Ns+Nrc).

(3)

两种途径得到的AC1轴压承载力对比结果见表4。其中，Nuc为计算值，Nue为试验实测值。Nuc/Nue如图13所示，其平均值和均方差分别为1.053和0.026。

表4 试验件承载力计算结果

图13 公式计算值与试验结果之比Nuc/Nue

为了进一步验证上述公式的准确性与实用性。以上述轴压参数分析中的基本信息使用笔者提出的式(1)～式(3)计算，得到其轴压承载力计算值(Nuc)与有限元模拟值(NuFEM)结果见表5，Nuc/NuFEM结果如图14所示。Nuc/NuFEM的平均值和标准差分别为0.932和0.097。比值按照服从正态规律分布，当Nuc/NuFEM置信区间为(0.857，1.007)时，其置信水平达到95%，因此笔者提出公式的计算结果可以应用到实际工程中使用。

表5 参数分析算例计算结果

图14 计算与模拟结果之比Nuc/NuFEM

5 结 论

(1)笔者建立了CHCCFST叠合长柱在轴压作用下的有限单元力学模型，模型模拟结果与试验实测结果的偏差为2.8%，比较接近，通过该轴压有限单元力学模型的建立可以准确模拟该类构件的轴压力学性能。

(2)CHCCFST叠合长柱轴压破坏模态与对应的钢筋混凝土长柱的破坏模态相近，在轴心压力作用下有良好的抗压承载能力和抗变形能力，柱中挠度在达到极限荷载后位移较小，后期位移发展变大。

(3)对CHCCFST叠合长柱轴压承载力的影响程度从大到小依次是混凝土强度、长细比、钢管外径、钢材屈服强度，对刚度影响程度较大的参数依次为长细比和混凝土强度，其余参数无显著影响。

(4)笔者基于稳定系数法提出了CHCCFST叠合长柱轴压承载力计算方法，计算结果与模拟结果相近似，可以满足实际工程设计使用。