箍筋尺寸对复合约束短柱的轴压性能影响分析

吕 涛

（中铁十一局集团建筑安装工程有限公司，湖北襄阳 441003）

0.引言

钢管混凝土柱兼具了钢材和混凝土两种材料的优点，具有受力性能良好，承载能力高，延性高等优点。相较于圆钢管混凝土柱，方钢管混凝土柱在同样的截面尺寸下具有较大抗弯刚度，并且方形截面柱更利于建筑平面布局，因此方钢管混凝土柱正被广泛地应用在工程建造中[1]。但方钢管对核心混凝土的约束作用并不均匀，造成了对材料的极大浪费，因此，有学者提出在方钢管内部设置钢筋笼以增加对核心混凝土的约束作用[2-3]。Ding 等[2]通过在方钢管混凝土中内置螺旋箍筋或圆形钢筋笼以增强对核心混凝土的约束作用，研究结果表明两种方法均能增大短柱的承载能力。齐浩等[3]通过在方钢管混凝土中内置方形钢筋笼以增加对边长部分混凝土的约束作用，研究结果表明设置方形箍筋能有效解决方钢管混凝土约束作用不均匀的问题。

为研究不同箍筋尺寸对内置方形箍筋的复合约束短柱轴压力学性能的影响，本研究采用ABAQUS 有限元软件分析了内置不同尺寸方箍筋的复合约束短柱的受力性能。

1.有限元模型建立

分析中共设置6 个复合约束有限元模型，模型尺寸参考文献[3]进行设置。模型整体尺寸为200mm×200mm×600mm（长×宽×高），加劲肋截面尺寸为3mm×15mm（宽×长），钢筋笼纵筋直径为10mm，箍筋间距取为60mm，其中变量设置为方箍筋笼边长与箍筋直径，方箍筋边长分别为80mm、90mm、100mm 和110mm，方箍筋直径分别为6mm、8mm 和10mm。有限元模型尺寸如表1所示，为对分析结果准确描述，对各模型进行编号，编号中第一组“C”表示短柱，第二组中的数字代表箍筋直径，第三组数字代表方箍筋边长，如模型“C-6-110”表示箍筋直径为6mm，方箍筋边长为110mm 的复合约束短柱模型。

表1 有限元模型参数设置

模型中共包含钢材、钢筋和混凝土3 种材料。其中钢材取Q235 钢，钢筋型号为HPB300，混凝土等级取C30。钢材材料模型采用双折线理想弹塑性本构，混凝土材料模型选用塑性损伤模型，混凝土拉压本构模型按规范[4]建议的单轴应力-应变关系。钢材与混凝土材料的弹性模量、泊松比、钢材屈服强度、混凝土轴心抗压强度、混凝土轴心抗拉强度均按规范规定计算求得[4]。

对短柱进行建模时，混凝土采用C3D8R 实体单元，钢板采用S4R 壳单元，钢筋采用T3D2 桁架单元。单元网格划分时，均取单元大小为20mm[5]。模型中的相互作用关系主要有：（1）混凝土与钢管相互作用；（2）混凝土与钢筋笼相互作用。采用软件中提供的“面-面接触”模拟混凝土与钢管之间的接触作用，法向为“硬接触”，切向为库伦摩擦模型模拟，切向摩擦系数为0.25[6]。采用软件中提供的“内置区域”将方形箍筋笼“嵌入”混凝土中，以保证二者的协同受力。模型底部固结，顶部为自由端，并在顶部施加竖直向下的位移荷载，模拟短柱轴向受压工况。

2.有限元分析结果

2.1 破坏模式

所有模型的破坏模式基本相同，以模型C-6-100 为例对模型的破坏模式进行分析，图1 为其破坏时的应力云图。从图中可以看出，模型C-6-100 的破坏模式与文献[3]中SS 组模型的破坏模式基本一致，当达到最大加载位移时，绝大部分钢管进入屈服阶段，混凝土几乎达到极限抗压强度，位于钢筋笼中部的纵筋与箍筋也达到材料屈服强度，所有材料的性能均得到了充分发挥。此外，钢筋笼中部由于受到混凝土横向变形挤压，产生了较大的横向变形，这也说明钢筋笼对核心混凝土起到了较好的约束作用。

2.2 荷载-位移曲线

图2 为各个模型的荷载位移曲线，其中图2（a）为不同箍筋边长的对比曲线，图2（b）为不同箍筋直径的对比曲线。

图2 模型荷载-位移曲线

从图2（a）中可以看出，在弹性阶段，箍筋边长对模型的荷载-位移曲线几乎没有影响；缩小箍筋边长会使得模型的峰值荷载降低，但降低幅度较小，其主要原因是，边长较小的箍筋无法在峰值荷载时提供足够的约束作用，使得混凝土的实际承载力略低；在荷载下降阶段，边长较大的箍筋能有效延缓荷载下降速率，说明峰值荷载过后，边长较大的箍筋能够提供较大的约束作用，有效延缓模型的破坏。

从图2（b）中可以看出，箍筋直径对弹性阶段的荷载-位移曲线几乎没有影响，并且箍筋直径对模型峰值荷载的影响较小。但增大箍筋直径能有效延缓峰值荷载后的荷载下降速率，增大模型延性。

2.3 力学性能指标

为进一步分析模型的受力性能，采用通用屈服弯矩法[7]计算模型屈服位移（Δy）与屈服荷载（Py），采用规范[8]推荐计算方法计算模型峰值荷载（Pm）、极限位移（Δu）与延性（μ），计算结果如表2 所示。

表2 力学性能指标计算

从表中可以看出，箍筋边长与直径对屈服位移影响较小。增大箍筋边长和箍筋直径均会提高箍筋对核心混凝土的约束作用，进而提高了模型的屈服荷载、峰值荷载、极限位移和延性。

3.结语

本文采用有限元软件研究了箍筋参数对复合约束短柱轴压力学性能的影响，分析了不同箍筋参数下短柱的破坏模式、承载能力和延性。研究结果表明，提高箍筋直径和内置钢筋笼的边长对短柱的破坏现象影响较小，但能有效提高短柱的复合约束作用，进而提高短柱的承载能力和延性。