T型钢-方钢管钢筋混凝土十字形柱抗震性能研究

韦 珏 安

（广西土木建筑工程有限公司，南宁 537400）

0 引言

异形柱结构以L、T、十字形等异形截面柱取代传统的矩形柱，因为具有房间不凸出柱楞、使用面积增大、外形美观等优点被广泛应用。[1]随着社会对建筑要求的增高，对异形柱的荷载要求也加大。普通钢筋混凝土（Reinforced Concrete，简称RC）异形柱因柱肢细长，故承载力低、抗震性能差，在超高层和高地震烈度地区的应用受限。而钢-混凝土组合（Steel Reinforced Concrete，简称SRC）异形柱能将型钢和混凝土有效结合在一起，具有刚度大、延性好、承载能力强、抗震性能好的特点，应用前景良好。目前，对SRC 异形柱在抗震性能方面的研究已取得了一系列的成果，[2-4]研究结果表明，使用型钢可以增强异形柱的抗震性能，提高延性和承载力。然而现有文献的研究主要针对实腹式型钢或空腹式型钢，对于型钢-钢管的组合形式研究较少。王朋等[5]、王秋维等[6]、赵宪忠等[7]均对矩形截面配T 型钢-钢管的混凝土柱进行低周反复加载试验，结果表明，型钢翼缘可以起到受力纵筋的作用，减少柱中纵筋数量，同时型钢翼缘可以改善钢管外混凝土的力学性能，减小传统钢管混凝土叠合柱中钢管内外混凝土的力学性能差异。因此，T 型钢加方钢管是一种具有广阔应用前景的优化混凝土柱的配钢形式。

对于T 型钢-钢管优化十字形异形柱的方式，李艳艳[8]等对型钢-钢管十字形混凝土柱进行了抗震性能试验研究，结果表明配钢形式为T 型钢加方钢管的试件除刚度退化外，其他性能均优于实腹型配钢试件。然而现有文献对此种配钢的研究仅将不同轴压比作为变化参数，如需进一步推进该种组合柱的研究，有必要进行更多参数的分析。鉴于此，本文在文献[8]的试验结果和有限元模拟结果的基础上，研究了十字形截面钢-混凝土组合异形柱损伤演化过程，探讨了轴压比和T 型钢翼缘厚度对组合柱抗震性能的影响，为SRC 的工程应用提供参考。

1 试验概况

选取文献[8]中轴压比为0.34 的试件（编号SRC-4）作为基准模型，试件构造截面如图1 所示。试件及拓展分析试件详细设计参数如表1 前3 列所示。试验所用T 型钢及钢管屈服强度fy= 405 MPa，极限强度fu= 538 MPa；混凝土强度等级为C40，立方体抗压强度为41.1 MPa。

表1 各试件设计参数及计算结果

图1 试件构造示意图

2 有限元模型的建立及分析

2.1 材料属性

模型的建立参考了文献[9-10]。ABAQUS 软件提供了混凝土塑性损伤模型( Concrete Damaged Plasticity，简称CDP）用以描述混凝土在受力过程中的损伤发展。由于文献[8]的试验采用普通混凝土，因此应力-应变关系可以选用《混凝土结构设计规范》GB10010—2010 中规定的单轴本构方程。[11]对于钢筋及钢骨，文献[12]提出了多种本构关系，包括双折线、三折线等，为了保证计算效率和模型的收敛性，选用双折线弹塑性模型，屈服后应力不再增大，应变持续增大。

2.2 相互作用

若考虑黏结滑移，则计算成本较大，且现有研究在对型钢十字形异形柱抗震性能模拟时考虑了黏结滑移，但对结果影响不大，[13]因此省略了钢筋、钢管、T 型钢与混凝土之间的黏结特性，使用嵌入方式与混凝土结合，同时忽略了加载装置及加载端头的建模，直接在加载点设置耦合参考点，在此参考点施加荷载。

2.3 边界条件及加载方式

根据抗震试验基本实验方法，柱脚需要固定，因此约束试件底部3 个方向的位移及转动，并在参考点施加恒定轴压力，随后在下一个分析步施加与试验加载制度一致的往复位移荷载。

2.4 网格划分

经试算，混凝土网格尺寸采用边长为25 mm 的立方体时可以保证较高的计算精度及计算效率，建立完成的模型如图2 所示。

图2 网格划分后的ABAQUS 有限元模型

2.5 模型验证

滞回曲线对比结果见图3。由图3 可见，有限元计算的滞回曲线出现了与试验一致的“捏拢”（见图3曲线中部），包裹面积和加卸载刚度基本一致，承载力和初始刚度有一定误差主要是因为未考虑钢筋在混凝土中的黏结滑移，且试验存在不可避免的误差，因此前期刚度较大。

图3 滞回曲线对比图

图4 为试验与有限元破坏形态对比。由图4 可见，有限元结果得到的混凝土受拉损伤云图与试验结果裂缝图十分相似，混凝土均出现了间隔开裂。根据观察发现，裂缝间距与箍筋间距接近，试验实测SRC-4 极限抗剪承载力和延性系数分别为207.1 kN 和4.58，有限元分析结果极限抗剪承载力和延性系数分别为203.2 kN 和4.86，平均误差在10%以内，说明此模型能可靠地模拟T 型钢-方钢管混凝土柱的抗震性能。

图4 破坏形态对比

2.6 应力分析

图5 为不同加载位移下钢材的塑性应变，当钢材出现塑性应变时视为钢材屈服。试件处于弹性阶段以前，钢材并未出现屈服，而当位移达到10 mm 时，受压及受拉区T 型钢翼缘首先出现屈服；当达到极限荷载附近时，纵筋及T 型钢腹板出现屈服；随着水平位移不断增大，核心区钢管出现屈服。由此可见，增大T 型钢翼缘厚度是提高抗震性能的有效方式。

图5 不同加载位移下钢材的塑性应变

3 参数分析

以SRC-4 模型作为基准，以轴压比n和T 型钢翼缘厚度tf为变化参数设计了9 个模型进行计算，具体参数及计算结果见表1。图6 为各试件骨架曲线对比。对比不同参数下试件的性能，可得到如下结论：

图6 不同参数下的试件骨架曲线

1) 随着轴压比的增大，试件的极限承载力逐渐降低，而延性呈先上升后降低的趋势。与轴压比为0.34 的试件相比，轴压比为0.4、0.5、0.6、0.7 的试件的极限承载力分别降低了1.2%、3.9%、8.3%、13.9%；轴压比为0.4 的试件延性增大了3.2%，轴压比为0.5、0.6、0.7 的试件延性分别降低了20.4%、18.4%、21.9%。这说明轴压比是影响T 型钢-方钢管混凝土柱抗震性能的关键影响因素，参照相关规范对延性系数的要求发现，T 型钢-方钢管混凝土柱在高轴压比下仍具有较好的抗震性能。

2) 随着T 型钢翼缘厚度的增大，试件的极限承载力和延性逐渐增大。与T 型钢翼缘厚度为4 mm 的试件相比，厚度为5 mm、6 mm、7 mm、8 mm 的试件的极限承载力分别增大了3.7%、6.4%、10.6%、14.5%，延性分别增大了4.6%、8.2%、10.6%、14.9%。

4 结论

通过对9 个T 型钢-方钢管混凝土异形柱进行的抗震性能有限元建模分析得到以下结论：①模型的破坏形态、分析所得的滞回曲线和骨架曲线与试验结果误差在10%以内，吻合较好。②试件处于弹性阶段以前，钢材并未出现屈服，随后受压及受拉区T 型钢翼缘先出现屈服。在极限荷载附近时，纵筋及T 型钢腹板出现屈服，水平位移不断增大，核心区钢管出现屈服，增大T 型钢翼缘厚度是提高抗震性能的有效方式。③轴压比增大时，试件的极限承载力和延性出现退化，但采用T 型钢-方钢管的配钢形式可以使十字形柱在高轴压比下抗震性能满足规范要求。随着T 型钢翼缘厚度的增大，试件的极限承载力和延性逐渐增大，延性最大增幅达14.9%。