异形钢管混凝土组合柱力学性能分析

刘潇睿

（新疆北新建材工业集团有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830000）

异形钢管混凝土组合柱是由钢管混凝土柱和异形钢筋混凝土柱发展而来， 在提高异形钢筋混凝土柱承载力的同时， 可以满足人们对现代建筑审美要求， 在中、 高层建筑中具有广泛应用。

1 异形钢管混凝土组合柱类型及其应用优势

常见的异形钢管混凝土组合柱类型有三种， 分别是T形、 十字形和L型。 异形钢管混凝土组合柱应用时可以以轻质砌体作为填充墙， 不仅可以增大房间使用面积， 还布置灵活、 美观、 方便。 而且墙体薄， 可以节约使用面积和降低基础造价， 具有良好的社会效益。

2 T形钢管混凝土组合柱力学性能分析

2.1 建立有限元模型

首先， 建立T形钢管混凝土组合柱试件模形。试件核心钢管直径分别为133mm（试件A）、 108mm（试件 B） 和 89mm （试件 C）， 壁厚为 4mm， 截面尺寸为300mm×300mm。 肢长和肢宽分别为75mm和150mm， 水平箍筋和纵向钢筋直径分别为8mm和10mm， 柱高度为900mm。 其次， 建立上述三种T形钢管混凝土组合柱力学模形。

2.2 钢管、 钢筋破坏特征

以试件C为例进行应力分析， 围绕试件钢管截面进行受力分析发现， 其中在受到轴心荷载作用时，试件会率先产生纵向变形。 而结合试件C中钢管应力云图可知， 钢管柱身中部的应力都明显大于钢管两端处的应力， 简单来说， 钢管柱身中部位置的应力分布最大， 超过300MPa。 结合本次研究所选试件相关参数可知， 荷载由柱端向柱身传递。 因此， 柱身中部是试件破坏最大的区域。 此时， 从试件也可以看出， 除钢管柱身中部有破坏痕迹外， 钢管整体长度和厚度也存在些许变化， 表明钢管整体发生了横向、 纵向上的变形。 但钢管中间截面变形突出，钢管在柱身中部处体积增大， 此处变形最大[1]。 依据该试件钢筋应力云图可知， 柱上下两端处钢筋应力最小， 柱身中部分布钢筋骨架应力最大， 接近300MPa。

2.3 钢管内外混凝土破坏特征

从应力云图上看， 钢管核心混凝土在柱身中部的应力最大， 接近50MPa， 与钢管破坏形态相似，混凝土向外鼓曲变形。 钢管外部混凝土在柱身中间截面处的应力最大， 其主要原因是在轴心荷载作用下的柱端荷载传递。 而且随着荷载的不断增加， 钢管外部混凝土应力不断增大[2]。 考虑到外部混凝土本构关系中的峰值应力与峰值应变。 当外部混凝土盈利达到极限压应变后， 外部混凝土应力最先开始降低。

2.4 荷载与纵向位移分析

对试件A、 B和C进行承载力-位移进行分析，通过作图法做出两者相关曲线图， 可以明显发现，试件A、 试件B和试件C的承载力-位移曲线变化规律相差无几。 但三种试件极限荷载不同， 反而是极限荷载下的最大位移几乎相同， 其中极限承载力最小的是直径为 89mm 的试件， 其次是直径为108mm的试件， 最后是直径为133mm的试件， 且三种试件极限承载力下的位移都是1.2m。 另外， 对试件A、 试件B和试件C荷载-位移曲线进行分析发现， 在直线变化阶段， 三种试件纵向位移都会随着荷载的增加而增加， 且增加幅度相差不大[3]。

2.5 荷载—应变分析

2.5.1 钢管荷载—应变分析

组合柱受到核心荷载作用， 其环向应变为正，纵向应变为负。 结合2.4 分析可知， 无论是试件A、试件B， 还是试件C， 在其承载力未达到极限值前，三种试件承载力-形变变化规律呈一条直线， 是弹性变化， 且三种试件的荷载-应变曲线均呈直线上升， 且曲线变化趋于一致。 但当试件承载力超过极限， 试件进入弹塑性阶段， 三种试件荷载-应变曲线均开始下降。 另外， 对三种试件进行荷载-应变分析发现， 时间变化规律曲线图变化趋势一致， 均呈上升趋势， 但横向、 纵向形变斜率存在较大不同，前者明显大于后说， 即表示在同等荷载作用下， 钢管纵向应变＞环向应变。 即在受到外部荷载作用时，钢管的纵向先达到屈服。

2.5.2 钢筋荷载-应变分析

结合前文分析可知， 水平箍筋应变为正， 纵向钢筋应变为负。 而且对三种试件进行荷载-应变分析发现， 水平箍筋和纵向钢筋变化规律相差不大，但从曲线图斜率上来看， 前者曲线斜率明显大于后者， 说明， 前者形变小于后者， 即在手袋外部荷载作用时， 纵向钢筋率先屈服。

2.5.3 核心混凝土、 外部混凝土荷载-应变分析

对试件A、 试件B和试件C的混凝土柱进行荷载-应变分析发现， 三种试件核心混凝土和外部混凝土荷载-应变变化规律存在较大差距。 在同一荷载作用下， 无论是哪种试件， 都表现为核心混凝土应变小于外部混凝土应变， 直观表现为三种试件的核心混凝土和外部混凝土破坏形态和程度大不相同[4]。 其中外部混凝土只受到水平箍筋约束， 约束力相对较小。 而核心混凝土会受到钢管三个方向上的约束， 约束其变形。 因此， 在外部荷载作用下，外部混凝土变形破坏较大。 在实际工程中， T形截面会因单向柱肢作破坏而影响整个构件承载力。 为此， 常需要采取必要措施加强柱肢处承载力， 以提高构件的承载力。

3 十字形钢管混凝土组合柱力学性能分析

3.1 建立有限元模型

以钢管直径为变化参数， 建立十字形钢管混凝土组合柱有限元模型， 三种试件的钢管直径分别为133mm（试件F）、 108mm（试件E） 和89mm（试件D）。

3.2 钢管、 钢筋破坏特征

以试件D为例， 从钢管应力云图可知， 十字形钢管混凝土组合柱钢管破坏特征与T形钢管混凝土组合柱钢管破坏特征相似， 即钢管柱身中部处的应力大于钢管两端处的应力， 且应力云图中显示钢管柱身中部位置的钢管应力超过300MPa。

从钢筋应力云图可知， 试件上下两端水平箍筋、纵向钢筋的应力较小， 试件柱身中部处水平箍筋、纵向钢筋的应力最大， 接近300MPa。 而且在试件柱身中部， 水平箍筋产生横向变量， 纵向钢筋产生鼓曲变形。

3.3 钢管内外混凝土破坏特征

结合应力云图可知看出， 十字形钢管混凝土组合柱钢管内外部混凝土应力变化存在差异， 其根本原因在于内外混凝土所受应力不同。 简单来说， 核心混凝土位于钢管柱身中部， 而随着外来荷载的增大， 柱身两端对钢管柱身中部会有一定荷载， 使得钢管柱身中部处的应力增大， 当超过其极限应变时，柱身中部核心混凝土率先被破坏。 而外部混凝土所受应力则存在先增加后减低的规律， 的主要原因在于其未受到钢管三向约束作用， 导致其在超过极限压应变时应力降低， 这也是导致钢管内外混凝土破坏特征不一致的主要原因[5]。 与此同时， 对试件D、试件E和试件F进行混凝土应力-应变分析发现，随着外部荷载增加， 三种试件中， 其外部混凝土逐渐达到峰值应力， 之后混凝土逐渐开始破坏， 退出工作。 而核心混凝土仍逐渐增加， 其破坏要明显晚于外部混凝土。

3.4 荷载与纵向位移分析

对试件D、 试件E和试件F进行荷载-位移分析， 做出三种试件的荷载-位移曲线图， 结合曲线图可以清楚地发现， 三种试件的荷载-位移曲线变化规律相差无几， 但三种试件达到极限荷载时的承载力不同。 相比较之下， 试件D的承载力最大， 其次是试件E， 最后是试件F。 而且结合三种试件的曲线图可以看到， 在直线变化阶段， 三种试件的位移与其所受荷载均呈现线性关系， 荷载和位移的变化相关关系是一条直线。 但三种试件达到其最大承载力时， 其曲线均向下开始变化， 说明试件进由弹性变化阶段进行弹塑性变化阶段。 从各试件弹塑性阶段来看， 试件F下降趋势最陡， 其次是试件E， 最后是试件D， 说明试件D的延展性最优， 试件F的延展性最差。

3.5 荷载-应变分析

3.5.1 钢管荷载-应变分析

围绕钢管中间截面节点分析钢管环向应变和纵向应变， 受轴心荷载作用， 环向应变为正， 纵向应变为负。 而结合变化曲线图可以看出， 在三种试件未达到极限荷载前， 其应变呈线性变化， 斜率为正。当其超过极限荷载时， 曲线开始向下变化， 说明此时三种试件进入弹塑性阶段。 该阶段中， 当三种试件有相同应变时， 试件F的承载力最小， 其次是试件E， 试件D的承载力最大。 当三种试件有相同荷载时， 试件D的应变最小， 其次是试件E， 最后是试件F。 与此同时， 结合相关数据和曲线可以发现，三种试件荷载-应变曲线中， 环向应变斜率都明显大于纵向应变斜率， 说明钢管纵向先于环向屈服。

3.5.2 钢筋荷载-应变分析

对柱身水平箍筋横向应变和纵向钢筋的纵向应变进行分析发现， 三种试件钢筋荷载-应变曲线在未达到试件极限承载力前几近重合。 当达到各试件极限承载力之后， 三种试件钢筋荷载-应变曲线开始向下变化， 且试件F的下降趋势最快， 斜率最陡。而且三种试件水平箍筋、 纵向钢筋变化趋势不同，前者斜率明显大于后者， 水平箍筋横向应变小于纵向钢筋的纵向应变。 即在受到外部荷载时， 横向钢筋先于纵筋屈服。

3.5.3 核心混凝土、 外部混凝土荷载-应变分析

对三种试件混凝土进行荷载-应变分析发现，三种试件混凝土荷载-应变变化规律相差无几。 在荷载一定时， 外部混凝土应变均大于核心混凝土应变， 其主要原因是十字形钢管混凝土组合柱中核心混凝土受到三个方向上的约束作用， 可以提高其承载力[6]。

4 L形钢管混凝土组合柱力学性能分析

4.1 建立有限元模型

以钢管直径为变化参数， 建立L形钢管混凝土组合柱有限元模型， 三种试件钢管直径分别为133mm（试件 G）、 108mm （试件 H） 和 89mm （试件I）。 试件截面尺寸与T形钢管混凝土组合柱一致。

4.2 钢管、 钢筋破坏特征

以试件I为例分析钢管应力云图， 可以发现，试件I钢管两端应力较小， 未达到其屈服应力， 柱身中部处屈服应力最大， 超过300MPa。 从变形上来看， 试件I钢管破坏形态与T形、 十字形钢管混凝土组合柱钢管的破坏形态一致， 说明轴压下的钢管破坏与试件截面形状无关。 对钢筋应力云图分析发现， 柱身上下两端钢筋应力较小， 柱身中部钢筋骨架应力最大， 接近300PMa。

4.3 钢管内外混凝土破坏特征

对钢管内外混凝土应力云图分析发现， 核心混凝土破坏特征与钢管破坏特征一致， 即在柱身中部有最大应力和最大变形。 而外部混凝土在轴心荷载作用下， 荷载会逐渐由柱端向柱身传递。 随着荷载不断增加， 柱身外部混凝土应力也会逐渐增大。 但当其达到极限压应力时， 受到本构关系影响， 混凝土应力数值开始降低， 且试件破坏时柱身中部的混凝土应力最小[7]。

4.4 荷载与纵向位移分析

利用有限元模拟软件分析可知， 三种试件荷载-位移曲线变化规律大致相同， 但最大承载力不同，其中构件G最大承载力最大， 其次是构件H， 最后是构件I， 但三种构件在达到峰值荷载时的位移基本一致。 在对三种试件施加荷载初期， 三种试件荷载-位移曲线均呈直线上升， 且几乎重合， 既可以说明上述三试件材料均在弹性范围内形变， 也说明其弹性阶段形变规律大致相同。 而当荷载超过试件极限承载力时， 试件荷载-位移曲线开始降低， 说明试件此时开始出现破坏， 材料开始屈服。 而从各试件荷载-位移曲线下降阶段来看， 试件I斜率最大，下降趋势最陡， 说明试件I延展性最差。

4.5 荷载-应变分析

4.5.1 钢管荷载-应变分析

分析钢管中间截面节点荷载-应变发现， 在受到外部荷载作用时， 钢管纵向先于环向屈服。 而且在三种试件弹塑性阶段， 当其达到相同应变时， 试件I的承载力最小， 其次是试件H， 最后是试件G。当其有相同荷载时， 试件G的应变最小， 其次是试件H， 最后是试件I。

4.5.2 钢筋荷载-应变分析

试件中间截面钢筋荷载-应变分析发现， 在荷载一定时， 水平箍筋横向应变小于纵向钢筋的纵向应变。即在受到外部荷载作用时， 纵筋先于箍筋屈服。

4.5.3 核心混凝土、 外部混凝土荷载-应变分析

对三种试件混凝土进行荷载-应变分析发现，其变化规律相差无几， 且在荷载一定时， 外部混凝土应变都远远大于核心混凝土应变。

5 结语

异形钢管混凝土组合柱同时具备钢管混凝土柱和钢筋混凝土异形柱的优点， 钢管和核心混凝土共同承受轴向荷载， 可以显著提高其承载力， 其还具有刚度大、 韧性高和抗震性能佳的优势。