異形鋼管混凝土組合柱力學(xué)性能分析

劉瀟睿

（新疆北新建材工業(yè)集團(tuán)有限公司， 新疆 烏魯木齊 830000）

異形鋼管混凝土組合柱是由鋼管混凝土柱和異形鋼筋混凝土柱發(fā)展而來， 在提高異形鋼筋混凝土柱承載力的同時(shí)， 可以滿足人們對(duì)現(xiàn)代建筑審美要求， 在中、 高層建筑中具有廣泛應(yīng)用。

1 異形鋼管混凝土組合柱類型及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

常見的異形鋼管混凝土組合柱類型有三種， 分別是T形、 十字形和L型。 異形鋼管混凝土組合柱應(yīng)用時(shí)可以以輕質(zhì)砌體作為填充墻， 不僅可以增大房間使用面積， 還布置靈活、 美觀、 方便。 而且墻體薄， 可以節(jié)約使用面積和降低基礎(chǔ)造價(jià)， 具有良好的社會(huì)效益。

2 T形鋼管混凝土組合柱力學(xué)性能分析

2.1 建立有限元模型

首先， 建立T形鋼管混凝土組合柱試件模形。試件核心鋼管直徑分別為133mm（試件A）、 108mm（試件 B） 和 89mm （試件 C）， 壁厚為 4mm， 截面尺寸為300mm×300mm。 肢長(zhǎng)和肢寬分別為75mm和150mm， 水平箍筋和縱向鋼筋直徑分別為8mm和10mm， 柱高度為900mm。 其次， 建立上述三種T形鋼管混凝土組合柱力學(xué)模形。

2.2 鋼管、 鋼筋破壞特征

以試件C為例進(jìn)行應(yīng)力分析， 圍繞試件鋼管截面進(jìn)行受力分析發(fā)現(xiàn)， 其中在受到軸心荷載作用時(shí)，試件會(huì)率先產(chǎn)生縱向變形。 而結(jié)合試件C中鋼管應(yīng)力云圖可知， 鋼管柱身中部的應(yīng)力都明顯大于鋼管兩端處的應(yīng)力， 簡(jiǎn)單來說， 鋼管柱身中部位置的應(yīng)力分布最大， 超過300MPa。 結(jié)合本次研究所選試件相關(guān)參數(shù)可知， 荷載由柱端向柱身傳遞。 因此， 柱身中部是試件破壞最大的區(qū)域。 此時(shí)， 從試件也可以看出， 除鋼管柱身中部有破壞痕跡外， 鋼管整體長(zhǎng)度和厚度也存在些許變化， 表明鋼管整體發(fā)生了橫向、 縱向上的變形。 但鋼管中間截面變形突出，鋼管在柱身中部處體積增大， 此處變形最大[1]。 依據(jù)該試件鋼筋應(yīng)力云圖可知， 柱上下兩端處鋼筋應(yīng)力最小， 柱身中部分布鋼筋骨架應(yīng)力最大， 接近300MPa。

2.3 鋼管內(nèi)外混凝土破壞特征

從應(yīng)力云圖上看， 鋼管核心混凝土在柱身中部的應(yīng)力最大， 接近50MPa， 與鋼管破壞形態(tài)相似，混凝土向外鼓曲變形。 鋼管外部混凝土在柱身中間截面處的應(yīng)力最大， 其主要原因是在軸心荷載作用下的柱端荷載傳遞。 而且隨著荷載的不斷增加， 鋼管外部混凝土應(yīng)力不斷增大[2]。 考慮到外部混凝土本構(gòu)關(guān)系中的峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變。 當(dāng)外部混凝土盈利達(dá)到極限壓應(yīng)變后， 外部混凝土應(yīng)力最先開始降低。

2.4 荷載與縱向位移分析

對(duì)試件A、 B和C進(jìn)行承載力-位移進(jìn)行分析，通過作圖法做出兩者相關(guān)曲線圖， 可以明顯發(fā)現(xiàn)，試件A、 試件B和試件C的承載力-位移曲線變化規(guī)律相差無幾。 但三種試件極限荷載不同， 反而是極限荷載下的最大位移幾乎相同， 其中極限承載力最小的是直徑為 89mm 的試件， 其次是直徑為108mm的試件， 最后是直徑為133mm的試件， 且三種試件極限承載力下的位移都是1.2m。 另外， 對(duì)試件A、 試件B和試件C荷載-位移曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)， 在直線變化階段， 三種試件縱向位移都會(huì)隨著荷載的增加而增加， 且增加幅度相差不大[3]。

2.5 荷載—應(yīng)變分析

2.5.1 鋼管荷載—應(yīng)變分析

組合柱受到核心荷載作用， 其環(huán)向應(yīng)變?yōu)檎?，縱向應(yīng)變?yōu)樨?fù)。 結(jié)合2.4 分析可知， 無論是試件A、試件B， 還是試件C， 在其承載力未達(dá)到極限值前，三種試件承載力-形變變化規(guī)律呈一條直線， 是彈性變化， 且三種試件的荷載-應(yīng)變曲線均呈直線上升， 且曲線變化趨于一致。 但當(dāng)試件承載力超過極限， 試件進(jìn)入彈塑性階段， 三種試件荷載-應(yīng)變曲線均開始下降。 另外， 對(duì)三種試件進(jìn)行荷載-應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)， 時(shí)間變化規(guī)律曲線圖變化趨勢(shì)一致， 均呈上升趨勢(shì)， 但橫向、 縱向形變斜率存在較大不同，前者明顯大于后說， 即表示在同等荷載作用下， 鋼管縱向應(yīng)變＞環(huán)向應(yīng)變。 即在受到外部荷載作用時(shí)，鋼管的縱向先達(dá)到屈服。

2.5.2 鋼筋荷載-應(yīng)變分析

結(jié)合前文分析可知， 水平箍筋應(yīng)變?yōu)檎?縱向鋼筋應(yīng)變?yōu)樨?fù)。 而且對(duì)三種試件進(jìn)行荷載-應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)， 水平箍筋和縱向鋼筋變化規(guī)律相差不大，但從曲線圖斜率上來看， 前者曲線斜率明顯大于后者， 說明， 前者形變小于后者， 即在手袋外部荷載作用時(shí)， 縱向鋼筋率先屈服。

2.5.3 核心混凝土、 外部混凝土荷載-應(yīng)變分析

對(duì)試件A、 試件B和試件C的混凝土柱進(jìn)行荷載-應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)， 三種試件核心混凝土和外部混凝土荷載-應(yīng)變變化規(guī)律存在較大差距。 在同一荷載作用下， 無論是哪種試件， 都表現(xiàn)為核心混凝土應(yīng)變小于外部混凝土應(yīng)變， 直觀表現(xiàn)為三種試件的核心混凝土和外部混凝土破壞形態(tài)和程度大不相同[4]。 其中外部混凝土只受到水平箍筋約束， 約束力相對(duì)較小。 而核心混凝土?xí)艿戒摴苋齻€(gè)方向上的約束， 約束其變形。 因此， 在外部荷載作用下，外部混凝土變形破壞較大。 在實(shí)際工程中， T形截面會(huì)因單向柱肢作破壞而影響整個(gè)構(gòu)件承載力。 為此， 常需要采取必要措施加強(qiáng)柱肢處承載力， 以提高構(gòu)件的承載力。

3 十字形鋼管混凝土組合柱力學(xué)性能分析

3.1 建立有限元模型

以鋼管直徑為變化參數(shù)， 建立十字形鋼管混凝土組合柱有限元模型， 三種試件的鋼管直徑分別為133mm（試件F）、 108mm（試件E） 和89mm（試件D）。

3.2 鋼管、 鋼筋破壞特征

以試件D為例， 從鋼管應(yīng)力云圖可知， 十字形鋼管混凝土組合柱鋼管破壞特征與T形鋼管混凝土組合柱鋼管破壞特征相似， 即鋼管柱身中部處的應(yīng)力大于鋼管兩端處的應(yīng)力， 且應(yīng)力云圖中顯示鋼管柱身中部位置的鋼管應(yīng)力超過300MPa。

從鋼筋應(yīng)力云圖可知， 試件上下兩端水平箍筋、縱向鋼筋的應(yīng)力較小， 試件柱身中部處水平箍筋、縱向鋼筋的應(yīng)力最大， 接近300MPa。 而且在試件柱身中部， 水平箍筋產(chǎn)生橫向變量， 縱向鋼筋產(chǎn)生鼓曲變形。

3.3 鋼管內(nèi)外混凝土破壞特征

結(jié)合應(yīng)力云圖可知看出， 十字形鋼管混凝土組合柱鋼管內(nèi)外部混凝土應(yīng)力變化存在差異， 其根本原因在于內(nèi)外混凝土所受應(yīng)力不同。 簡(jiǎn)單來說， 核心混凝土位于鋼管柱身中部， 而隨著外來荷載的增大， 柱身兩端對(duì)鋼管柱身中部會(huì)有一定荷載， 使得鋼管柱身中部處的應(yīng)力增大， 當(dāng)超過其極限應(yīng)變時(shí)，柱身中部核心混凝土率先被破壞。 而外部混凝土所受應(yīng)力則存在先增加后減低的規(guī)律， 的主要原因在于其未受到鋼管三向約束作用， 導(dǎo)致其在超過極限壓應(yīng)變時(shí)應(yīng)力降低， 這也是導(dǎo)致鋼管內(nèi)外混凝土破壞特征不一致的主要原因[5]。 與此同時(shí)， 對(duì)試件D、試件E和試件F進(jìn)行混凝土應(yīng)力-應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)，隨著外部荷載增加， 三種試件中， 其外部混凝土逐漸達(dá)到峰值應(yīng)力， 之后混凝土逐漸開始破壞， 退出工作。 而核心混凝土仍逐漸增加， 其破壞要明顯晚于外部混凝土。

3.4 荷載與縱向位移分析

對(duì)試件D、 試件E和試件F進(jìn)行荷載-位移分析， 做出三種試件的荷載-位移曲線圖， 結(jié)合曲線圖可以清楚地發(fā)現(xiàn)， 三種試件的荷載-位移曲線變化規(guī)律相差無幾， 但三種試件達(dá)到極限荷載時(shí)的承載力不同。 相比較之下， 試件D的承載力最大， 其次是試件E， 最后是試件F。 而且結(jié)合三種試件的曲線圖可以看到， 在直線變化階段， 三種試件的位移與其所受荷載均呈現(xiàn)線性關(guān)系， 荷載和位移的變化相關(guān)關(guān)系是一條直線。 但三種試件達(dá)到其最大承載力時(shí)， 其曲線均向下開始變化， 說明試件進(jìn)由彈性變化階段進(jìn)行彈塑性變化階段。 從各試件彈塑性階段來看， 試件F下降趨勢(shì)最陡， 其次是試件E， 最后是試件D， 說明試件D的延展性最優(yōu)， 試件F的延展性最差。

3.5 荷載-應(yīng)變分析

3.5.1 鋼管荷載-應(yīng)變分析

圍繞鋼管中間截面節(jié)點(diǎn)分析鋼管環(huán)向應(yīng)變和縱向應(yīng)變， 受軸心荷載作用， 環(huán)向應(yīng)變?yōu)檎?縱向應(yīng)變?yōu)樨?fù)。 而結(jié)合變化曲線圖可以看出， 在三種試件未達(dá)到極限荷載前， 其應(yīng)變呈線性變化， 斜率為正。當(dāng)其超過極限荷載時(shí)， 曲線開始向下變化， 說明此時(shí)三種試件進(jìn)入彈塑性階段。 該階段中， 當(dāng)三種試件有相同應(yīng)變時(shí)， 試件F的承載力最小， 其次是試件E， 試件D的承載力最大。 當(dāng)三種試件有相同荷載時(shí)， 試件D的應(yīng)變最小， 其次是試件E， 最后是試件F。 與此同時(shí)， 結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)和曲線可以發(fā)現(xiàn)，三種試件荷載-應(yīng)變曲線中， 環(huán)向應(yīng)變斜率都明顯大于縱向應(yīng)變斜率， 說明鋼管縱向先于環(huán)向屈服。

3.5.2 鋼筋荷載-應(yīng)變分析

對(duì)柱身水平箍筋橫向應(yīng)變和縱向鋼筋的縱向應(yīng)變進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)， 三種試件鋼筋荷載-應(yīng)變曲線在未達(dá)到試件極限承載力前幾近重合。 當(dāng)達(dá)到各試件極限承載力之后， 三種試件鋼筋荷載-應(yīng)變曲線開始向下變化， 且試件F的下降趨勢(shì)最快， 斜率最陡。而且三種試件水平箍筋、 縱向鋼筋變化趨勢(shì)不同，前者斜率明顯大于后者， 水平箍筋橫向應(yīng)變小于縱向鋼筋的縱向應(yīng)變。 即在受到外部荷載時(shí)， 橫向鋼筋先于縱筋屈服。

3.5.3 核心混凝土、 外部混凝土荷載-應(yīng)變分析

對(duì)三種試件混凝土進(jìn)行荷載-應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)，三種試件混凝土荷載-應(yīng)變變化規(guī)律相差無幾。 在荷載一定時(shí)， 外部混凝土應(yīng)變均大于核心混凝土應(yīng)變， 其主要原因是十字形鋼管混凝土組合柱中核心混凝土受到三個(gè)方向上的約束作用， 可以提高其承載力[6]。

4 L形鋼管混凝土組合柱力學(xué)性能分析

4.1 建立有限元模型

以鋼管直徑為變化參數(shù)， 建立L形鋼管混凝土組合柱有限元模型， 三種試件鋼管直徑分別為133mm（試件 G）、 108mm （試件 H） 和 89mm （試件I）。 試件截面尺寸與T形鋼管混凝土組合柱一致。

4.2 鋼管、 鋼筋破壞特征

以試件I為例分析鋼管應(yīng)力云圖， 可以發(fā)現(xiàn)，試件I鋼管兩端應(yīng)力較小， 未達(dá)到其屈服應(yīng)力， 柱身中部處屈服應(yīng)力最大， 超過300MPa。 從變形上來看， 試件I鋼管破壞形態(tài)與T形、 十字形鋼管混凝土組合柱鋼管的破壞形態(tài)一致， 說明軸壓下的鋼管破壞與試件截面形狀無關(guān)。 對(duì)鋼筋應(yīng)力云圖分析發(fā)現(xiàn)， 柱身上下兩端鋼筋應(yīng)力較小， 柱身中部鋼筋骨架應(yīng)力最大， 接近300PMa。

4.3 鋼管內(nèi)外混凝土破壞特征

對(duì)鋼管內(nèi)外混凝土應(yīng)力云圖分析發(fā)現(xiàn)， 核心混凝土破壞特征與鋼管破壞特征一致， 即在柱身中部有最大應(yīng)力和最大變形。 而外部混凝土在軸心荷載作用下， 荷載會(huì)逐漸由柱端向柱身傳遞。 隨著荷載不斷增加， 柱身外部混凝土應(yīng)力也會(huì)逐漸增大。 但當(dāng)其達(dá)到極限壓應(yīng)力時(shí)， 受到本構(gòu)關(guān)系影響， 混凝土應(yīng)力數(shù)值開始降低， 且試件破壞時(shí)柱身中部的混凝土應(yīng)力最小[7]。

4.4 荷載與縱向位移分析

利用有限元模擬軟件分析可知， 三種試件荷載-位移曲線變化規(guī)律大致相同， 但最大承載力不同，其中構(gòu)件G最大承載力最大， 其次是構(gòu)件H， 最后是構(gòu)件I， 但三種構(gòu)件在達(dá)到峰值荷載時(shí)的位移基本一致。 在對(duì)三種試件施加荷載初期， 三種試件荷載-位移曲線均呈直線上升， 且?guī)缀踔睾希?既可以說明上述三試件材料均在彈性范圍內(nèi)形變， 也說明其彈性階段形變規(guī)律大致相同。 而當(dāng)荷載超過試件極限承載力時(shí)， 試件荷載-位移曲線開始降低， 說明試件此時(shí)開始出現(xiàn)破壞， 材料開始屈服。 而從各試件荷載-位移曲線下降階段來看， 試件I斜率最大，下降趨勢(shì)最陡， 說明試件I延展性最差。

4.5 荷載-應(yīng)變分析

4.5.1 鋼管荷載-應(yīng)變分析

分析鋼管中間截面節(jié)點(diǎn)荷載-應(yīng)變發(fā)現(xiàn)， 在受到外部荷載作用時(shí)， 鋼管縱向先于環(huán)向屈服。 而且在三種試件彈塑性階段， 當(dāng)其達(dá)到相同應(yīng)變時(shí)， 試件I的承載力最小， 其次是試件H， 最后是試件G。當(dāng)其有相同荷載時(shí)， 試件G的應(yīng)變最小， 其次是試件H， 最后是試件I。

4.5.2 鋼筋荷載-應(yīng)變分析

試件中間截面鋼筋荷載-應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)， 在荷載一定時(shí)， 水平箍筋橫向應(yīng)變小于縱向鋼筋的縱向應(yīng)變。即在受到外部荷載作用時(shí)， 縱筋先于箍筋屈服。

4.5.3 核心混凝土、 外部混凝土荷載-應(yīng)變分析

對(duì)三種試件混凝土進(jìn)行荷載-應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)，其變化規(guī)律相差無幾， 且在荷載一定時(shí)， 外部混凝土應(yīng)變都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于核心混凝土應(yīng)變。

5 結(jié)語

異形鋼管混凝土組合柱同時(shí)具備鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土異形柱的優(yōu)點(diǎn)， 鋼管和核心混凝土共同承受軸向荷載， 可以顯著提高其承載力， 其還具有剛度大、 韌性高和抗震性能佳的優(yōu)勢(shì)。