以色列内坦亚老年公寓项目混凝土柱受压性能研究

曾志豪

摘要：在建筑结构中，混凝土柱主要承受竖向荷载及弯矩作用，其抗压性能对结构稳定性的影响显著。以以色列内坦亚老年公寓项目为研究对象，建立其数值分析模型，研究不同因素对其混凝土柱的抗压性能的影响规律，得出如下结论：采用有限元模型对混凝土柱的抗压性能进行计算的准确性较高，且在试样出现峰值荷载前模拟效果较好。混凝土柱的偏心距、配筋率、长细比及混凝土强度，对其抗压强度均存在一定的影响，可通过调整混凝土柱的相关参数提高抗压承载力。

关键词：混凝土柱；偏心距；抗压强度；长细比

0   引言

混凝土柱是房建工程结构的主要承重结构之一，其抗压强度对结构稳定性的影响显著。近年来，许多专家学者针对混凝土柱的受压性能开展了相关研究。

王羡农等人[1]以方钢管中空夹层混凝土柱为研究对象，开展室内试验，分析该混凝土柱在竖向荷载下的承载力变化及破坏形式，结果表明该混凝土柱的抗压强度较高。李学彬等人[2]以混凝土柱为研究对象，开展短柱轴压试验，分析其强度变化规律，结果表明在竖向荷载作用下，该混凝土柱的变形率为20%。郑文忠等人[3]以高强混凝土柱为研究对象，开展轴压试验，分析混凝土强度、配筋率等因素对其抗压强度的影响，结果表明配筋率与混凝土柱的抗压强度间呈正相关关系。周靖等人[4]开展偏心抗压试验，分析混凝土柱在竖向荷载下的破坏机理，研究长细比、截面尺寸对其抗压强度的影响，结果表明偏心距与混凝土柱的抗压强度间呈正相关关系。王新玲等人[5]开展轴心受压试验，分析钢绞线对于混凝土柱抗压强度的提升效果，结果表明在加入钢绞线后，混凝土柱的抗压强度可提升83%以上。

本文以以色列内坦亚老年公寓项目为研究对象，采用数值分析模型，分析了偏心距、配筋率及长细比等因素对混凝土柱抗压强度的影响，为项目顺利实施提供了参考依据。

1   工程概况

本文以以色列内坦亚老年公寓项目为研究对象。该项目包括1栋26层塔楼，共325套公寓，上部结构总建筑面积1.86万m2，无地下室，主要包括浅层基坑开挖工程、桩基工程、钢混工程、装修工程、安装工程、室外工程等全部的建安工程。该建筑效果图如图1所示。

框架柱、混凝土墙部位的拉接筋，焊接在预留在混凝土中的预埋件上，预埋件的埋设间距及位置同拉结筋。构造柱处的拉接筋在砌体施工时预埋，砌体与构造柱交接部位砌成马牙槎，待砖墙砌筑完成后再浇筑构造柱混凝土。

2   建立数值分析模型

该项目主体结构采用混凝土柱，为分析其抗压承载力，建立数值分析模型。试验柱截面尺寸为65cm×65cm，采用的钢筋为HRB400级，箍筋直径为10mm。分别分析偏心距、配筋率及长细比等因素对混凝土柱抗压强度的影响。采用C3D8R单元对混凝土进行模拟，采用S4R单元、Truss单元对钢筋及箍筋进行模拟。数值模拟方案如表1所示。模型截面如图2所示。

3   结果分析

3.1   模拟与试验工况下挠度-荷载曲线

为分析有限元模拟分析混凝土柱抗压承载力的准确性，将其模拟结果与试验结果进行对比分析，得到挠度-荷载曲线如图3所示。

试验采用液压试验机进行加载，在出现峰值荷载前，其加载速率为0.2mm/min，出现峰值荷载后，加载速率为0.5mm/min。

由图3可知，随着试样位移的增大，其荷載呈先增大后减小的趋势，在试样达到峰值荷载之前，模拟值与试验值的挠度-荷载曲线差距较小，且模拟值大于试验值。当试样达到峰值荷载之后，模拟值与试验值的位移-荷载曲线的差异之间增大，模拟值与试验值间的最大差距小于6%，此时试样荷载的模拟值小于试验值。

由此说明，采用有限元模型对混凝土柱的抗压性能进行计算的准确性较高，且在试样出现峰值荷载前，其模拟效果较好。

3.2   不同偏心距下挠度-荷载曲线

为分析偏心距对混凝土柱抗压性能的影响，分别分析偏心距为150mm、300mm、360mm下的混凝土柱抗压强度变化规律，得到挠度-荷载曲线如图4所示。

由图4可知，不同偏心距下的混凝土柱的挠度-荷载曲线变化趋势具有一致性，随着挠度的增大，其荷载呈先增大后减小的趋势。当偏心距为150mm时，试样的峰值荷载有最大值，当挠度为5.6mm时其峰值荷载为2407kN。当偏心距为360mm时，试样的峰值荷载有最小值，当挠度为8mm时其峰值荷载为1124kN。

由此说明，混凝土柱的抗压峰值荷载与其偏心距间呈负相关关系，当偏心距较大时，混凝土柱的抗压性能较差。在试样受压的前期，偏心距为150mm的荷载增长趋势较为显著，说明其刚度较大。当试样的偏心距较小时，试样的变形较小，抗压承载力较大，结构较为稳定。

3.3   不同配筋率下挠度-荷载曲线

为分析配筋率对混凝土柱抗压强度的影响，分别分析配筋率为5.26%、8.44%、13.2%下的混凝土柱抗压强度变化规律，其挠度-荷载曲线如图5所示。

由图5可知，不同配筋率下的混凝土柱的峰值荷载差异较小，随着试样挠度的增大，不同配筋率下的试样荷载差异逐渐增大。当配筋率为13.2%时，试样的峰值荷载有最大值，其值为1517.3kN；当配筋率为5.26%时，试样的峰值荷载有最小值，其值为1237.1kN。由此说明，试样的抗压强度与其配筋率间呈正相关关系，提高混凝土的配筋率可提升其抗压性能。

不同配筋率下的混凝土柱峰值荷载差小于25%，相较于偏心距而言，配筋率的变化，对于混凝土柱的抗压强度的影响较小。对比不同配筋率下的混凝土柱刚度可得，当混凝土柱的配筋率较大时，其挠度-荷载曲线上升趋势较为显著，其刚度较大；当混凝土柱的配筋率较小时，其挠度-荷载曲线上升趋势较为平缓，其刚度较小。

3.4   不同长细比下挠度-荷载曲线

为分析长细比对混凝土柱抗压强度的影响，分别分析配长细比为5.3、6.8、9.8下的混凝土柱抗压强度变化规律，其挠度-荷载曲线如图6所示。

由图6可知，不同长细比下的峰值荷载差异较小。当长细比为5.3时，其峰值荷载为1158.3kN；当长细比为9.8时，其峰值荷载为1036.9kN。由此说明，长细比与混凝土柱的抗压强度间呈负相关关系，但是不同长细比间的峰值荷载的差异小于11%，说明长细比的改变对于混凝土柱抗压强度的影响较小。

对比不同长细比下的混凝土柱的抗弯刚度可得，其间的抗弯刚度差异较为明显。当长细比为5.3时，其挠度-荷载曲线上升趋势最为显著，当挠度为4.8mm时试样存在峰值荷载；当长细比为9.8时，其挠度-荷载曲线变化趋势较为平缓，当挠度为15mm时试样存在峰值荷载。由此说明，混凝土柱的抗弯刚度受其长细比的影响较大，且与其长细比间呈负相关关系。

3.5   不同混凝土强度下挠度-荷载曲线

为分析混凝土强度对混凝土柱抗压强度的影响，分别分析混凝土强度为100MPa、120MPa、140MPa下的混凝土柱抗压强度变化规律，其挠度-荷载曲线如图7所示。

由图7可知，不同混凝土强度下的混凝土柱峰值荷载的差异较小。当混凝土强度为140MPa时，试样的峰值荷载有最大值，其值为1263.3kN；当混凝土强度为100MPa时，试样的峰值荷载有最小值，其值为1124.3kN。由此说明，混凝土柱的抗压强度预期混凝土强度间呈正相关关系，但是混凝土强度的变化对混凝土柱抗压强度的影响较小，不同混凝土强度间的混凝土柱抗压强度峰值荷载差值小于12%。

综上所述，可通过调整混凝土柱的相关参数提高抗压承载力。其中，偏心距对混凝土柱抗压强度的影响最大，长细比对混凝土柱的抗压强度影响最小。

4   结束语

本文以以色列内坦亚老年公寓项目为研究对象，采用数值分析模型，分别分析偏心距、配筋率及长细比等因素对混凝土柱抗压强度的影响，得出以下结论：

混凝土柱的抗压峰值荷载与其偏心距间呈负相关关系，当偏心距较大时，混凝土柱的抗压性能较差。在试样受压的前期，偏心距为150mm的荷载增长趋勢较为显著，说明其刚度较大。所以当试样的偏心距较小时，试样的变形较小，抗压承载力较大，结构较为稳定。

不同配筋率下的混凝土柱峰值荷载差异小于25%，相较于偏心距而言，配筋率的变化对于混凝土柱的抗压强度的影响较小。

不同长细比下的混凝土柱的抗弯刚度差异较为明显。当长细比为5.3时，其挠度-荷载曲线上升趋势最为显著，当挠度为4.8mm时试样存在峰值荷载；当长细比为9.8时，其挠度-荷载曲线变化趋势较为平缓，当挠度为15mm时试样存在峰值荷载。由此说明，混凝土柱的抗弯刚度受其长细比的影响较大，且与其长细比间呈负相关关系。

参考文献

[1] 王羡农，张付彬，周晓慧.方钢管中空夹层混凝土柱抗压试验分析[J].河北工程大学学报（自然科学版），2013，30（4）：13-16.

[2] 李学彬，谷群涛，曹伟，等.钢丝缠绕管混凝土短柱轴压试验研究[J].混凝土，2022，392（6）：20-23+28.

[3] 郑文忠，张洁，王刚，等.螺旋箍筋约束高强混凝土柱轴心受压性能试验研究[J].中国公路学报，2022，35（6）：22-35.

[4] 周靖，黎亚军，赵卫锋，等.胶合竹板-钢管约束收尘石粉混凝土柱的偏压性能[J].吉林大学学报（工学版），2021，51（6）：2096-2107.

[5] 王新玲，金蕾蕾，李苗浩夫，等.高强不锈钢绞线网增强ECC约束核心混凝土受压试验分析[J].工程抗震与加固改造，2020，42（3）：63-68.DOI：10.16226/j.issn.1002-8412.