中空夹层钢套铝管混凝土墩柱轴压性能有限元分析

赵昱钦 麻子聪

摘要：为研究中空夹层钢套铝管混凝土墩柱的轴压性能，文章采用ABAQUS有限元软件对已有文献的4个试件进行了模拟验证，在可靠模型的基础上进行了12个试件的参数分析，研究了长细比、钢管屈服强度和铝管屈服强度对该中空夹层钢套铝管混凝土墩柱轴压性能的影响。结果表明：有限元计算得到的轴向荷载-位移曲线、破坏形态和峰值承载力与试验结果吻合较高；随着长细比的增大，试件的轴压刚度和峰值承载力显著降低，提高钢管的屈服强度比提高铝合金的屈服强度更能提高试件的轴压承载力；通过最小二乘法提出了稳定系数与长细比之间的数学关系式，并修正了该中空夹层钢套铝管混凝土墩柱现有轴压承载力的计算方法，最大误差在5%以内。

关键词：中空夹层；钢套铝管混凝土墩柱；轴压性能；有限元分析

中图分类号：U448.22   文献标识码：A

文章编号：1673-487（2024）01-0169-04

0 引言

中空夹层钢管混凝土柱因其高承载能力和轻质化特性而广泛应用于沉管隧道、桥墩、平台柱、建筑结构和高层建筑等领域［1］，其轴压和抗震等力学性能已经得到了广泛研究［2-3］。然而，随着对结构轻量化需求的不断增加，一些研究人员已经开始研究铝合金管混凝土柱的力学性能［4-5］。研究结果显示，通过合理设计，铝合金管可以替代钢管成为主要的建筑材料。另外，在工程实践中，中空夹层结构存在内管破坏或内部放置重型设备而导致内管侵蚀等问题［6-7］，这可能给整个结构带来不可逆转的危害。而铝合金管具有优良的耐腐蚀性，可以有效应对这一问题。对此，李兵等［8］对8根中空夹层钢套铝管混凝土短柱进行了轴心受压试验，结果表明，内部铝合金管的存在可以为夹层混凝土提供约束。

综上所述，中空夹层钢套铝管混凝土柱具有广阔的应用前景和工程需求，然而对于该种组合柱的研究较为匮乏，且仅针对短柱进行研究，而在实际应用中，长细比是影响组合柱性能的关键因素。因此，为进一步推进该种组合柱的研究和应用，本文使用ABAQUS有限元软件进行不同长细比、钢管屈服强度和铝合金强度的中空夹层钢套铝管混凝土柱的参数分析，并提出稳定系数的计算方法，修正现有承载力计算公式，为该组合柱的工程应用提供参考。

1 试验概况

文献［8］以截面中空率和内铝管壁厚为变化参数设计制作了8根中空夹层钢套铝管混凝土短柱，其中4根采用普通混凝土浇筑，4根采用轻质混凝土浇筑，混凝土强度等级均为C30。试验结果表明，采用轻质混凝土浇筑的组合柱轴压性能较差，因此本文仅选取了普通混凝土柱试件进行模拟验证。所选取的试件截面设计构造见图1，设计参数见表1。

试验所用的C30混凝土立方体的抗压强度fcu=43.8 MPa。铝合金管采用了3 mm和5 mm两种厚度的铝合金材料，其屈服强度fay分别为77.9 MPa和113.9 MPa，弹性模量分别为65 446 MPa和74 654 MPa，泊松比分别为0.35和0.32。试验所用钢管的屈服强度fy为306 MPa，弹性模量为16 400 MPa。

2 有限元模型的建立与验证

2.1 材料本构模型

混凝土的本构关系采用了《混凝土结构设计规范》［9］中提出的单轴应力-应变关系曲线，在ABAQUS软件中为混凝土塑性损伤模型，该种模型可以较好地描述混凝土在受压和受拉状态下的力学行为。对于铝合金材料，采用了Ramberg-Osgood等［10］提出的铝合金模型。而对于普通碳钢，采用双折线弹塑性模型［11］。为了确保计算精度和效率，采用25 mm的全局网格。模型建立的结果如图2所示。

2.2 相互作用

在当前的文献中，针对管材与混凝土之间的有限元分析通常考虑了接触分离作用。因此，在本模型中采用了“面-面接触”

来描述外部钢管与混凝土、内部铝管与混凝土之间的接触情况，摩擦系数取0.3［12-13］。为了便于计算收敛，上下端板与混凝土、钢管、铝管均采用“绑定”约束，并在端板表面设置耦合参考点RP-1和RP-2，以便施加轴向荷载与边界条件。

2.3 边界条件及加载方式

根据文献中的试验加载条件，约束了下部RP-2三个方向的位移和转动，并在RP-1处施加了15 mm的轴向位移。

2.4 模型验证

图3给出了试件的轴向荷载-位移曲线和破坏形态与仿真结果的对比。由图3（a）可知，有限元计算得到的荷载-位移曲线与实测结果具有较高吻合度，曲线均经历了弹性段、弹塑性段和下降段。表1给出了峰值承载力对比，计算结果表明，计算结果与实测结果的比值的平均值为1.029，方差为0.014，变异系数为0.014，这说明有限元计算结果从数据的准确度和稳定性较高。由图3（b）和图3（c）可知，试验中钢管中部发生了应力集中的屈曲、混凝土端部发生了压溃，有限元计算结果较好地还原了试件的破坏形态。综上，所建立的有限元模型得到验证，可选择可靠的模型进行参数分析。

3 参数分析

以HSCAC3-1作为基准进行参数分析，探讨了长细比、钢管屈服强度和铝合金管屈服强度对中空夹层钢套铝管混凝土柱轴压承载力和稳定性的影响。各模型参数及结果如表2所示，表中长细比λ=L/D1。

3.1 荷载-位移曲线

下页图4为各试件在不同变化参数下的轴向荷载-位移曲线对比，得到如下结论：

（1）随着长细比的增大，试件轴向荷载-位移曲线的初始刚度和峰值点都显著减小。这是因为长细比的增大导致柱试件二阶效应显著，容易发生失稳，在发生材料失效之前就已经发生了失稳破坏。

（2）随着钢管屈服强度的增大，试件轴向荷载-位移曲线的初始刚度基本相等，但峰值点显著向右上方移动。这是因为钢材的弹性模量和强度均显著高于混凝土和铝合金，因此在试件受压时提供的轴向承载力占比更大。

（3）铝合金强度变化对该种组合柱的轴向荷载-位移曲线的影响较小，初始弹性阶段的曲线基本重合。这是因为铝合金的弹性模量相较于钢管更小，轴压刚度主要由钢管提供，因此改变铝合金的强度对其初始刚度影响较小。此外，铝合金管的强度也相较钢管更低，在墩柱受压全过程中，铝合金提供的荷载占比较小，因此曲线的峰值点变化不大。

3.2 轴压承载力

表2给出所有试件的极限承载力对比，对比不同变化参数，得到如下结论：

随着长细比的增加，中空夹层钢套铝管混凝土柱的极限承载力逐渐下降。当长细比从3增加至7.5时，试件的极限承载力减少了17.4%。这表明长细比是影响柱子性能的关键因素之一，因为随着长细比的增加，试件整体失稳，导致承载力减小。根据规范中的正截面承载力计算方法，稳定系数φ与长细比λ直接相关。稳定系数φ可表示为不同长细比试件的极限承载力与λ=3试件极限承载力之比。通过最小二乘法拟合得出关系式式（1），并将计算结果与试验结果进行对比，如图5所示，误差指标R2为0.99，说明拟合结果与实验结果高度吻合。

φ=-0.42λ+0.08λ2-0.005λ3+1.66（1）

随着钢管屈服强度和铝合金强度的增大，试件的极限承载力呈增大趋势。对于钢管强度来说，与fy=306 MPa的试件相比，fy由400 MPa提高至500 MPa时，试件的轴压承载力分别增大了5.4%、10.5%和11.9%。而对于铝合金强度来说，与fay=113 MPa的试件相比，fy由130 MPa提高至250 MPa时，试件的轴压承载力分别增大了0.8%、1.5%、1.2%和1.1%。明显可见，提高钢管的强度可以有效提高中空夹层钢套铝管混凝土柱的轴压承载力，在铝合金强度提高至150 MPa之后，组合柱的轴压承载力提高幅度有限，甚至出现了降低。

4 承载力计算方法修正

根据文献［8］提出的中空夹层钢套铝管混凝土短柱的轴压承载力计算方法为：

Nu=Ascofscy+Aalfal（2）

式中：Nu——轴压承载力；

Asco——钢管和混凝土的面积之和；

fscy——钢管和混凝土的组合强度；

Aal——铝合金管的面积；

fal——铝合金管的屈服强度。

本文主要针对式（2）进行修正，式（2）没有考虑长细比稳定系数的影响，仿真结果表明，随着长细比的增大，承载力也会逐渐降低。《混凝土结构设计规范》中明确指出，在计算柱构件的轴压承载力时，考虑轴压稳定系数对承载力的影响。因此在式（2）中引入式（1）进行修正，修正后的计算式为：

Nu=φ（Ascofscy+Aalfal）（3）

使用式（3）对本文参数分析试件进行计算，计算结果见图6。由图可知，修正前中空夹层钢套铝管混凝土柱轴压承载力计算方法的误差＞5%，修正后的误差均在5%以内，表明所修正的计算方法具有较高适用性。

5 结语

本文对中空夹层钢套铝管混凝土墩柱进行了有限元分析，并进行了12个试件的参数分析，研究了长细比、钢管屈服强度和铝合金强度对组合柱轴压性能的影响，得到如下结论：

（1）使用ABAQUS软件建立的中空夹层钢套铝管混凝土墩柱模型与试验结果吻合较好，轴压荷载-位移曲线具有较高吻合度，轴压承载力误差为2.9%，模型较好地还原了试验中钢管的应力集中和混凝土端部压溃。

（2）随着长细比的增大，中空夹层钢套铝管混凝土柱的轴压刚度和承载力显著下降。当长细比从3增加至7.5时，承载力降低了17.4%。通过最小二乘法拟合了轴压稳定系数和长细比之间的数学关系，拟合结果的误差指标R2为0.99。

（3）相较于铝合金强度，提高钢管屈服强度更能提高试件的极限承载力。在试验范围内，钢管屈服强度提高至500 MPa可以是使试件的轴压承载力提高11.9%，而提高铝合金屈服强度至150 MPa后，试件的承载力提高＜1.2%。

（4）通过引入长细比稳定系数修正了现有的承载力计算模型，准确度得到显著提高，误差均在5%以内。

参考文献

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作者简介：赵昱钦（1997—），助理工程师，主要从事工程施工管理工作。