方形耐候钢管混凝土短柱轴压力学性能研究

摘 要：为研究方形耐候钢管混凝土短柱的轴压力学性能，首先设计并开展了4根轴压短柱试验研究。进而采用Abaqus有限元软件建立方形耐候钢管混凝土短柱有限元模型并进行数值分析。数值模拟结果表明，轴压短柱直至破坏共经历了3个阶段：弹性段、弹塑性段和破坏段。其破坏模式均为柱中局部屈曲。耐候钢拉伸性能试验特征与低碳钢的力学性能相近，有限元建模采用低碳钢本构关系可准确模拟方形耐候钢管混凝土短柱的轴压力学性能。钢管内焊接拉筋能有效改善钢管对核心混凝土的约束作用，进而提高轴压短柱的极限承载力和延性。最后，方形耐候钢管混凝土短柱轴压力学性能与普通钢管混凝土短柱无异。

关键词：方钢管混凝土短柱；耐候钢；轴压性能；极限承载力；约束作用

中图分类号：TU398" " " " " " " " "文献标识码：A" " " " " 文章编号：1007 - 9734 （2024） 02 - 0095 - 07

0 引 言

方钢管混凝土具有力学性能好、施工便捷、节点构造简单等优点[1]，尤其是其轴压力学性能异常卓越，因此长期以来作为墩柱、拱肋等受力构件在桥梁工程、大跨空间结构等建筑中扮演着重要的角色。众所周知，由于环境污染，大气恶化，钢管混凝土服役环境复杂，严重影响其使用功能和服役寿命。相关研究表明，我国每年由于锈蚀等影响造成的直接经济损失高达GDP的2%至4%[2]。

为解决钢管混凝土的耐久性问题，各国专家开展了系列研究。Ellobody等[3]通过有限元分析调查了不锈钢钢管混凝土柱的轴压力学性能，并对相关承载力规范进行修正。查晓雄和宫永丽等[4， 5]系统考察了高强钢、铝合金及不锈钢3种新型金属管混凝土柱的力学性能，并提出了轴端短柱承载力计算公式和中长柱稳定系数公式。基于试验研究和理论分析，龚文志[6]对铝合金圆形、方形管混凝土的纯弯性能开展了研究，并提出相应的极限弯矩承载力计算方法。耐候钢，由于其含有少量Cu、Cr、P等微量元素，其耐腐蚀性能比普通碳素钢更加优越。使用时间愈长，其寿命周期成本和维护成本愈低。我国关于耐候钢管混凝土的研究起步晚、发展慢、成果少。近年来，多数专家和学者对耐候钢的研究主要集中在耐候钢腐蚀性、疲劳性等材料性能方面[7]，而对耐候钢管和核心混凝土之间的约束作用等方面的研究鲜有报道。

为了深入考察方形耐候钢管混凝土短柱的受压力学性能，本文共设计4根轴压短柱，全面考察轴压变形过程，探讨其破坏模式；基于合理的钢材本构关系，建立轴压短柱有限元模型，进而揭示耐候钢管、混凝土以及拉筋之间的相互作用。通过试验和数值分析，论证耐候钢和低碳钢管混凝土短柱之间轴压力学性能的差异。

1" 试验研究

1.1" 方案设计

为了调查方形耐候钢管混凝土短柱的轴压力学性能，本次试验一共设计4根轴压短柱，包括2根方形钢管混凝土短柱（SFWST）和2根方形耐候钢管内约束混凝土短柱（RSFWST，钢管内焊接直径为8mm的对拉箍筋），其截面如图1所示。表1为方形耐候钢管混凝土短柱试件具体参数，表中B、t、L分别为方形耐候钢管的边长、壁厚以及高度，r为短柱截面含钢率，d和ft为拉筋直径和抗拉强度，fcu为混凝土抗压强度，fy为耐候钢屈服强度。

钢管由Q235钢板弯折成两个L形，然后对焊成型，对拉钢筋与钢管壁焊接连接，进而将底板焊接到钢管底部。对接焊缝根据《钢结构设计规范》（GB/50017-2003）[8]按等强焊缝设计而成。混凝土浇筑前，先将钢管内部的铁锈和油污清除，然后扶正。混凝土从钢管顶部浇入，振捣密实。为保证加载过程中钢管与混凝土共同受力，将混凝土表面与钢管磨平，然后在柱顶焊接5mm厚的加载板。同时，在浇筑试件时制作150mm×150mm×150mm混凝土的标准立方体试块，与试件在同等环境下进行养护。为了更好地观察轴压短柱在加载过程中的变形历程，首先在方钢管外表面涂刷红色油漆，待油漆干燥后，用白色马克笔将钢管划分成50mm×50mm的网格。

1.2" 材料特性

在本次试验中，耐候钢材采用Q335NH级钢。依据《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T 228-2010）[9]，本次试验制作加工三个标准试样，试样尺寸和拉伸试验数值等信息具体见表2。

图2所示为Q335NH级钢的应力—伸长率曲线。可以看出，耐候钢具有明显的弹性、屈服、强化以及颈缩特征，其特征与低碳钢类似。根据《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50081-2002）[10]相关规定，混凝土材料立方体标准试块性能具体信息见表1。

1.3" 试验加载方案

本次轴压试验在中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室2000T压力机上进行。为了精确测量外部钢管的变形，2个应变花（S1和S2）黏贴在中间和角点，同时短柱中间安置2个位移计（1#和2#），布置位置如图3（a）所示。同时，采用东华3818静态应变测量系统采集轴压短柱的荷载—位移/应变曲线。

轴压荷载从柱顶施加。在弹性阶段，轴压试件每级加载荷载为极限荷载的10%；在弹塑性阶段，每级荷载为极限荷载的20%，且持荷时间为3至5分钟，数据分级采集；当达到极限承载力后，采用位移加载，当荷载下降到85%或应变达到4%时，轴压试件加载结束。整个加载过程持续时间约为2小时。试验加载图如图3所示。

2 试验现象

2.1" 荷载—应变曲线

基于对试验过程的仔细观察和测得的荷载—应变曲线（见图4），可以看出轴压短柱直至破坏共经历了三个过程：弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。

阶段Ⅰ：在加载初期，所有试件处于弹性阶段，荷载与轴向应变（也就是轴向位移）呈线性增长。此时，短柱的轴压刚度最大，远大于其他阶段。相反，轴向压缩变形很小。

阶段Ⅱ：当施加荷载达到极限荷载的60%左右时，钢管开始屈服，轴压短柱进入弹塑性阶段，也就是荷载—应变曲线呈现非线性增长。荷载增长放缓，短柱轴向变形加快。同时，在短柱中部钢管出现局部屈曲。

阶段Ⅲ：当达到极限荷载后，轴压短柱进入破坏阶段。轴压短柱荷载—应变曲线整体下降趋势逐渐加快。由于拉筋对钢管和混凝土的约束作用，可以明显看出试件RSFWST的荷载—应变曲线下降趋势慢于试件SFWST。以上说明拉筋可以提高轴压短柱的延性。此时，钢管外部屈曲明显增大，核心混凝土出现压碎声音，轴压短柱竖向变形明显。

2.2" 失效模式

图5为轴压试验结束后试件的典型破坏形态。由图5可知，轴压短柱整体呈现上粗下细的形态，试件SFWST与RSFWST整体破坏形态无明显区别。但值得注意的是，相较于试件RSFWST，试件SFWST的钢管局部屈曲更加严重，内部核心混凝土被压碎，拉筋被拉断。以上研究表明，拉筋可以约束钢管的屈曲变形，从而提高轴压短柱的延性特征。

2.3" 试验结果分析

2.3.1极限承载力

图6列出了所有轴压试件的极限承载力。对比试件SFWST和RSFWST，钢材强度（fs=382MPa）、含钢率（ρ=0.076）、混凝土强度（fcu=37.70MPa）保持不变，轴压短柱焊接对拉箍筋后（配箍率为6.58%），试件RSFWST极限承载力平均值得到明显提高，提高幅度达到13%。研究表明，对拉箍筋可明显提高轴压短柱的极限承载力。

2.3.2延性分析

本文引入延性系数［11］以表征方形耐候钢管混凝土轴压短柱的延性特征，延性系数定义如下：

[DI=ε0.85εb]" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：ε0.85 代表轴压试件轴向荷载—应变曲线下降段荷载下降到0.85倍极限承载力时所对应的轴向应变；εb=ε0.75/0.75，ε0.75代表轴压试件轴向荷载—应变曲线上升段荷载达到0.75倍极限承载力时所对应的轴向应变。图7为所有轴压试件的延性系数。

对比试件SFWST和RSFWST，其钢材强度（fs=382MPa）、含钢率（ρ=0.076）、混凝土强度（fcu=37.70MPa）保持不变，轴压短柱焊接对拉箍筋后（配箍率为6.58%），试件RSFWST延性系数平均值提高了35.4%。以上研究表明，对拉箍筋可有效改善轴压短柱的延性。

2.4" 横向变形系数

为了研究钢管与核心混凝土之间相互作用，本文采用横向变形系数（nsc）[11]评估钢管对核心混凝土的约束作用。横向变形系数定义为该测点钢管的横向应变除以纵向应变的绝对值。且横向应变系数越大，表明钢管对混凝土的约束作用越强。图8为轴压试件所测荷载—横向应变系数曲线图。

很明显，加载初期，横向变形系数几乎不变，约等于耐候钢的泊松比，说明在弹性阶段钢管与核心混凝土各自独立工作，没有产生约束作用。随着荷载的增大，横向变形系数逐渐大于泊松比，表明钢管对核心混凝土产生明显的约束作用。对比轴压试件（试件SFWST和RSFWST）测点S1和S2，测点S1的横向变形系数明显小于测点S2，表明钢管角部的约束作用明显大于钢管中部。对比轴压试件SFWST和RSFWST，试件RSFWST的横向变形系数明显大于试件SFWST，这是由于拉筋提高了钢管对核心混凝土的约束作用。

3 有限元分析

3.1" 材料本构模型

静力荷载作用下方形钢管、加载板等采用钢材混合强化模型[12]，以反映钢材的屈服面及包辛格效应，钢材的应力—应变关系如下：

[σ=Esε" " " " " " " " " " " " " ε≤εyfs" " " " " " " " " " " " " " εylt;ε≤εstfs+ζEs（ε-εst）" " "εstlt;ε≤εu fu" " " " " " " " " " " " " "εgt;εu" " " " "]" " " " " " " " （2）

式（2）中：σ为钢材的等效应力；fs 和fu分别为钢材的屈服强度和极限强度，fu＝1.5fs；ε为钢材的等效应变，εy为钢材屈服时的应变，εst为钢材强化时的应变，εu为钢材达极限强度时的应变，取εst＝12εy，εu＝120εy，ζ＝1/216。钢材弹性模量Es＝2.06×105MPa，弹性阶段泊松比为0.285。

核心混凝土采用塑性—损伤本构模型，损伤变量采用基于弹性模量损伤的计算值[12]，骨架曲线采用丁发兴等[12]提出的应力—应变关系统一计算式（3），适用范围为C30-C120，即：

[y=Ax+（B-1）x21+（A-2）x+Bx2" " "x≤1xα（x-1）2+x" " " " " " " xgt;1]" " " " " " " " " " "（3）

式（3）中的参数如表3所示，混凝土的基本参数设置见表4。

3.2" 单元类型、相互作用和边界条件

轴压作用下方形耐候钢管混凝土短柱有限元模型包括四部分：方形钢管、核心混凝土、拉筋和加载板。首先，为提高计算精度和便于收敛，钢管、核心混凝土和加载板均采用8节点减缩积分格式的三维实体单元（C3D8R），拉筋采用梁单元（T3D2）。其次，允许钢管和混凝土之间有微小的有限滑移，相互作用采用“表面对表面”摩擦型接触，其法线方向定义为“硬接触”；切向方向选取库伦摩擦定义为“罚”，摩擦系数为0.5。加载板（主面）与柱顶（从面）采用绑定（Tie）约束形式，无相对滑移，其中加载板设置为刚性板。拉筋采用嵌入模式。最后，采用结构化网格划分技术对有限元模型进行划分，如图9所示。

轴压短柱采用位移加载的加载模式，柱底部限制X、Y、Z三方向的位移和转动；柱顶部限制X、Y两方向的位移和转动，同时限制Z方向的转动。

3.3" 有限元模型验证

本文共进行了3组耐候钢试样抗拉性能试验，结果表明耐候钢具有明显的屈服平台、强度阶段、颈缩特征等，与低碳钢特征相同。因此本文采用的钢材本构模型适用于耐候钢的模拟。图10为轴压短柱荷载—应变实测曲线与有限元计算结果对比。lt;C：＼Users＼Administrator＼Desktop＼第二期＼Image＼image11.psdgt;

3.4" 约束作用分析

图11为数值模拟结果所得轴向/环向应力—应变曲线对比。根据文献[11]定义，钢管应力—应变能够反映钢管对核心混凝土的约束程度。轴向应力与环向应力相交，表明钢管对核心混凝土产生较大的约束作用。首先，对比测点S1和S2，可以明显看出S2点的轴向应力与环向应力曲线相交，S1点的曲线没有相交，表明钢管在S2点的约束作用明显强于S1点。其次，在钢管内部焊接拉筋后，试件RSFWST在S2点轴向应力与环向应力曲线交点稍早于试件SFWST，而在试件RSFWST在S1点的轴向应力与环向应力曲线明显向内收缩。因此，以上分析表明在钢管内焊接拉筋后，角部钢管对核心混凝土的约束作用提高有限，中部钢管的约束作用得到明显改善。

图12为轴压短柱中部核心混凝土应力云图，其中颜色深色区域代表约束作用较小。有限元模型SFWST和RSFWST两者相比，SFWST中核心混凝土的蓝色区域明显大于RSFWST，说明钢管内焊接拉筋后，钢管中部对混凝土的约束作用得到明显改善。

图12 核心混凝土应力云图

综上，钢管内部焊接拉筋可以有效提高钢管对核心混凝土的约束作用，同时拉筋也可以约束核心混凝土的变形。

4 结 论

（1）本文共开展了4根方形耐候钢管混凝土短柱轴压试验研究。轴压短柱共经历了3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。耐候钢管混凝土短柱与耐候钢管内约束混凝土短柱破坏形态基本相同，均呈现钢管局部屈曲变形，轴向出现压缩变形。

（2）钢管内部焊接拉筋可有效提高耐候钢管混凝土短柱轴压力学性能，即极限承载力和延性。试验研究和数值模拟结果同时表明，焊接拉筋能明显改善钢管对核心混凝土的约束作用。

（3）耐候钢试样拉伸试验表现出的力学特性与低碳钢力学性能相近。数值结果表明，采用普通钢材本构模型建模能够准确反映方形耐候钢管混凝土短柱的轴压力学性能。

参考文献：

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责任编校：裴媛慧，陈 强

Study on Mechanical Behavior of Concrete-filled Square Weathering Steel Tubular Stub Columns Under Axial Loading

ZHANG Tao1，QIN Xue1，ZHANG Tuo2，ZHANG Taiping3，XUE Ru1，SHI Ke1*，LIU Chongwang4，ZHAO Wentong1

（1. School of Civil Architecture，Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou" 450046，China；

2.China Blue Chemical Ltd.，Dongfang" 572600，China；

3.Henan Daming Architectural Design Co.，Ltd.，Hebi" 458000，China；

4.Jiangang Industrial Co.，Ltd.，Zhengzhou Airport Economy Zone，Zhengzhou" 450001，China）

Abstract：To investigate the compressive behavior of concrete-filled square weathering steel tubular （CFWT） stub columns，compression tests on 4 specimens were conducted.And then，Finite element （FE） models were established using Abaqus software to analyze the compressive performance of composite columns.Based on the experimental investigation and numerical simulation，research results indicated that the composite columns were generally considered to experience three stages until failure：elastic stage，elastic-plastic stage and failure stage.The failure modes of all the specimens showed the local buckling.Besides，there was no obvious difference of mechanical performance between weathering steel and carbon steel，and therefore FE models with constitutive relation of carbon steel can accurately simulate the behavior of concrete-filled square weathering steel tubular stub columns. Moreover， using stirrups can help to improve the ultimate bearing capacity and ductility of composite columns，and also enhance the confinement effect of steel tube on the core concrete.And lastly，no significant difference of compressive behavior between CFWT stub column and CFT stub column was observed.

Key words：square concrete-filled steel tubular stub column;weathering steel;compressive behavior;ultimate bearing capacity;confinement effect

基金项目：河南省科技攻关项目（222102320014、222102320070）；郑州航院教育改革研究和实践项目（zhjy23-78）；郑州航院研究" " " " " " " " " " " 生优质课程项目（2023YJSKC05）；郑州航院研究生教育改革与发展研究项目（2023YJSJG15）；国家自然科学基金项目" " " " " " " " " " " "（52208220）；河南省高等学校重点科研项目（22A560006）

作者简介：张 涛，男，博士，副教授，主要从事钢结构及钢—混凝土组合结构、工程结构抗震方面的研究。

*通讯作者：史 科，男，博士，副教授，主要从事高层混凝土结构抗震方面的研究。