内壁开孔型复式方钢管混凝土短柱轴压力学性能研究

徐元涛

摘 要：为研究内壁开孔型复式方钢管混凝土短柱的轴压力学性能，采用有限元软件ABAQUS建立了6个短柱有限元分析模型，分析了内壁开孔尺寸对短柱轴压力学性能的影响。研究结果表明，相较于普通方钢管混凝土短柱，复式方钢管混凝土短柱具有较高的屈服荷载、峰值荷载和延性。随着内壁开孔尺寸的增大，复式方钢管混凝土短柱的屈服荷载、峰值荷载和延性逐渐下降。

关键词：复式方钢管混凝土短柱；轴压力学性能；内壁开孔；有限元模拟

中图分类号：TU398                                  文献标识码：A                               文章编号：2096-6903（2023）05-0052-04

0 引言

钢管混凝土具有承载能力高、受力性能优良、施工方便等优点，已被广泛应用于超高层建筑和大跨桥梁中[1]。近年来，超高层建筑对建筑的空间利用率以及下部受力构件的承载力要求越来越高，且下部受力构件的受力形式较为复杂。为解决上述难题，研究人员提出了复式钢管混凝土柱构件，并对其受力性能开展了一系列研究[2-5]。

陈洪敏等[6]以国内某工程为例，提出了基于复式方钢管混凝土柱的设计与施工方案，并通过试验研究了复式方钢管混凝土柱受压机理。蔡绍怀等[7]对内置同心多层圆管和内置钢管簇的复式钢管混凝土柱进行了试验研究，提出了复式方钢管混凝土柱在受轴向荷载时的承载力计算公式，理论与试验结果吻合良好。邓旭华等[8]通过有限元与试验相结合的方式研究了不同加劲形式的复式薄壁方钢管混凝土短柱的轴压力学性能，研究结果表明加劲试件具有较高的承载能力，能有效提高多腔体截面试件的延性。

现有复式钢管混凝土柱的研究多是针对圆形复式钢管混凝土柱，对方形复式钢管混凝土柱的研究还较少。但方形截面柱更利于建筑平面布局，且同等截面尺寸下具有更大抗弯刚度，被广泛应用于压弯构件中。传统复式钢管混凝土柱中的混凝土分为管内混凝土与管外混凝土，在柱受荷载作用时，二者难以协调受力，且施工时工艺较为复杂。为解决上述问题，本文提出了内壁开孔型复式方钢管混凝土短柱，并采用ABAQUS软件对其轴压力学性能进行了研究。

1 有限元模型

文中共设置6个有限元分析模型。模型截面整体尺寸均为200 mm×200 mm，高600 mm，外侧方钢管壁厚6 mm。内侧方钢管截面尺寸为100 mm×100 mm，壁厚为3 mm。在内侧方钢管壁上开方形孔，定义开孔率（φ）为总开孔面积与内侧方钢管侧面积的比值，方形孔边长分别为20 mm、40 mm、60mm和80 mm，其对应的开孔率分别为3.33%、13.33%、30.00%和53.33%。内侧方钢管内外区域均内填混凝土。模型参数与尺寸分别见表1与图1。

模型中內外侧方钢管均采用Q235钢，混凝土采用C40混凝土，其中钢材模型采用理想弹塑性模型模拟，混凝土采用塑性损伤模型（CDP）模拟。混凝土及钢材的材料特性及本构模型均按中国规范[9]建议公式计算。

模型中混凝土采用软件提供的实体单元（C3D8R）建模，内外侧方钢管均采用软件提供的壳单元（S4R）建模，为保证模型处于轴向受压状态，模型底部固结，即限制模型底部UX、UY、UZ、URX、URY和URZ六个方向自由度，并在模型顶端建立参考点，对参考点施加竖向位移荷载。对模型进行网格划分时，外侧方钢管与混凝土单元网格大小取20 mm，内侧方钢管网格大小取10 mm。模型边界条件与网格划分见图2与图3。

对于模型中的相互作用关系，混凝土与外侧方钢管之间的接触采用“面-面接触”模拟。其中，方钢管内侧面为“主面”，混凝土外侧面为“从面”。“面-面接触”考虑切向接触与法向接触，其中切向接触采用库伦摩擦模型，摩擦系数为0.3，法向为“硬接触”。对于内侧钢管与混凝土之间的接触，采用“内置区域”模拟，内侧钢管为“嵌入区域”。

2模型计算结果

2.1 模型破坏模式

图4为模型SSC与模型SSC-40在破坏阶段的应力云图。以二者为例对复式方钢管混凝土短柱在受轴力作用下的破坏模式进行分析。从图4可以看出，在模型破坏阶段，二者外侧钢管的绝大部分区域均已屈服，且屈服区域基本相同。对于内侧钢管，两个模型的内侧钢管也基本屈服，且屈服区域与程度区别不大。从二者内外侧钢管的应力云图可以看出，在破坏时，两个模型的内外侧钢管基本进入了承载力极限。从两个模型的混凝土应力云图中可以看出，二者的混凝土最大应力均已超过按规范计算的混凝土屈服应力（26.8 MPa），模型SSC的混凝土最大应力为40.11 MPa，大于模型SSC-40的35.82 MPa，表明内壁开孔会略微降低内壁对核心混凝土的约束能力，从而降低短柱的承载能力。

2.2 荷载-位移曲线

图5为各模型荷载-位移曲线对比。从图5（a）中可以看出，相较于模型SC，模型SSC具有较高的峰值荷载和极限荷载，说明增加内侧方钢管能有效提高对核心混凝土的约束能力，提高短柱的承载能力，相较于模型SSC，模型SSC-20的峰值荷载和极限荷载略微下降，说明内侧开孔会降低短柱的承载能力。从图5（b）中可以看出，随着方形孔尺寸的增大，内侧方钢管对核心混凝土的约束能力持续降低，模型的峰值荷载和极限荷载也持续降低。

对模型荷载-位移进行分析，采用等能量法[10]计算各模型屈服位移（Δy）与屈服荷载（Py），采用规范[11]推荐方法计算峰值荷载（Pm）、极限位移（Δu）和位移延性（μ），计算结果见表2。图6为各个试件相对于模型SSC的峰值荷载与延性变化率。从表2中可以看出，增大开孔率对模型的屈服位移与极限位移的影响较小，但会显著降低模型的屈服荷载与峰值荷载，而延性随着开孔率的增大呈现先增大再减小最后再增大的趋势。

从图6中可以看出，开孔率对峰值荷载变化率的影响基本呈线性下降趋势。综合判断，开孔率为13.33%左右最为经济有效。

3 结束语

为解决传统复式钢管混凝土柱内外混凝土受力不协调的问题，本文提出了内壁开孔型复式方钢管混凝土短柱，并采用ABAQUS软件对其轴压力学性能进行了研究，分析了开孔率对短柱轴压力学性能的影响。研究结果表明，增大开孔率会提高内外混凝土的受理协调性，并便于施工，但会削弱内侧钢管对核心混凝土的约束作用，进而降低其承载力，经分析，开孔率为13.33%左右最为经济有效。

参考文献

[1] 邓长根，哈敏强.新型钢管混凝土构件的特点和性能[C].中国钢协结构稳定与疲劳分会第12届（ASSF-2010）学术交流会暨教学研讨会，2010：52-59.

[2] 陶忠，韩林海，黄宏.方中空夹层钢管混凝土偏心受压柱力学性能的研究[J].土木工程学报，2003（2）：33-40+51.

[3] 马淑芳，郭红香，赵均海，等.复式钢管混凝土偏压柱试验[J].工业建筑，2007（12）：28-30+53.

[4] Ahmed M ， Liang Q Q ， Patel V I ， et al. Experimental and Numerical Investigations of Eccentrically Loaded Rectangular Concrete-filled double Steel Tubular Columns[J]. Journal of Constructional Steel Research，2020，167（5）：105949.

[5] 张常光，赵均海，魏雪英，等.外方内圆中空夹层钢管混凝土轴压短柱的极限承载力[J].建筑科学与工程学报，2008，25（04）：78-82.

[6] 陈洪敏，刘文超，彭佳，等.复式钢管混凝土柱受压性能研究[J].建筑结构，2022，52（S2）：1375-1379.

[7] 蔡绍怀，焦占拴.复式钢管混凝土柱的基本性能和承载力计算[J].建筑结构学报，1997（6）：20-25.

[8] 邓旭华，倪家贵，郭鸣琴，等.复式薄壁方钢管混凝土短柱试验研究与数值分析[J].湖南城市学院学报（自然科学版），2022，31（5）：1-6.

[9] GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[10] 伍凱，徐超，曹平周，等.型钢-钢纤维混凝土组合梁抗弯性能试验研究[J].土木工程学报，2019，52（9）：41-52.

[11]  JGJ/T 101-2015，中华人民共和国行业标准，建筑抗震试验规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.