基于有限元的不同截面類型鋼管混凝土組合T形短柱偏心受壓性能研究

摘 要：使用ABAQUS有限元軟件，對普通鋼管混凝土組合T形截面短柱、彎折鋼板與鋼管組成的T形截面短柱，以及多室式鋼管混凝土組合T形截面短柱進行有限元分析，得到三種截面類型鋼管混凝土組合T形短柱的荷載—撓度曲線，分析偏心距、偏心方向、鋼管厚度等因素對三種截面類型鋼管混凝土組合T形短柱偏心受壓承載能力的影響。結果表明，多室式鋼管混凝土組合T形截面短柱具有更高的承載能力。

關鍵詞：鋼管混凝土；T形截面；短柱；偏心受壓；有限元

中圖分類號：TU398" 文獻標識碼：A" 文章編號：1673-260X（2025）01-0055-05

隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展與鋼材產量的不斷增長，對建筑環(huán)保性能的需求也越來越高，鋼結構住宅因此得到迅猛發(fā)展?？蚣堋误w系以及框架—混凝土剪力墻體系多應用于鋼結構建筑中，常選用鋼柱、鋼管混凝土柱或鋼骨混凝土柱等作為框架柱[1，2]。對比鋼柱，鋼管混凝土柱更節(jié)省鋼材，能夠有效降低工程造價。近年來鋼管混凝土柱的應用范圍越來越廣，很多已建的住宅采用了鋼管混凝土柱[3]。

T形截面柱常用于結構的中柱，能夠避免房間內墻體的局部凸起，便于室內空間的合理規(guī)劃。相比于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土T形柱，鋼管混凝土T形柱中的核心混凝土受到周圍鋼管的約束，處于三向受壓狀態(tài)，提高了混凝土強度，進而節(jié)省材料，并且能夠縮短工期，更加符合建筑節(jié)能的要求。

目前，不同學者對三種截面類型鋼管混凝土組合T形柱進行了研究，包括圖1所示的普通組合T形截面柱[4，5]、圖2所示的彎折鋼板與鋼管組成的T形截面柱[6-8]，以及圖3所示的多室式鋼管混凝土組合T形截面柱[9-11]。但針對不同類型截面鋼管混凝土組合T形截面短柱的偏心受壓性能仍未有對比研究，因此本文將通過有限元軟件ABAQUS對上述三種鋼管混凝土組合T形截面短柱進行偏心受壓模擬，對比分析其偏心受壓性能的不同。

1 材料本構模型

1.1 混凝土本構模型

鋼管混凝土組合T形截面柱由多個矩形鋼管混凝土分室組成，每個分室中，混凝土受到來自鋼管的約束作用，進而長期處于三向受壓狀態(tài)，因此素混凝土的本構模型在鋼管混凝土組合T形柱中并不適用。韓林海約束混凝土模型[12]通過引入約束效應系數(shù)，能夠更真實地反映出約束狀態(tài)下鋼管混凝土中核心混凝土的受壓應力—應變關系，因此本文將采用該約束混凝土模型來描述核心混凝土的受壓應力—應變關系：

y=2·x-x2" （x≤1）"（xgt;1）" （1）

式中：x=？著/？著0；y=？滓/？滓0；？著0=？著c+800·？灼0.2·10-6；

？著c=（1 300+12.5f′c）·10-6；？灼=fyAs/fckAc；

？滓0=f′c；？濁=1.6+1.5/x；？茁0=f′c0.1/（1.2）。

采用損傷塑性模型作為約束混凝土的本構模型[13]，模型中的具體參數(shù)如下：混凝土膨脹角為35°，流動勢偏心率為0.1，雙軸抗壓強度與單軸抗壓強度之比fb0/fc0=1.16，拉壓子午線第二應力不變量之比K為0.667，粘性參數(shù)為0.001。

受拉本構模型采用Schneider模型[14]，表達式為：

？滓t=Ec？著t （0lt;？著t≤0.1f′c/Ec）f′c[0.1-（？著t-0.1f′c/Ec）] （0.1f′c/Eclt;？著t） （2）

1.2 鋼材本構模型

鋼材的應力應變關系選用文獻[12]建議的雙折線模型，其中強化階段的斜率為0.01倍彈性模量，表達式為：

？滓=Es？著 （0lt;？著≤fy/Es）fy+0.01Es（？著-fy/Es） （？著gt;fy/Es）" （3）

2 有限元模型建立

應用ABAQUS有限元軟件對三種截面類型鋼管混凝土組合T形短柱進行偏心受壓模擬，鋼管選用4節(jié)點減縮積分殼單元（S4R），混凝土選用8節(jié)點三圍減縮積分單元（C3D8R），材料屬性由上述本構關系得出。

為便于構件的網格劃分，裝配時不同部件均設置為非獨立實例。鋼管之間的相互作用采用點集-點集的綁定約束的方式，鋼管和上下蓋板之間的相互作用方式也采用綁定約束。鋼管與核心混凝土之間的相互作用采用表面與表面接觸，以混凝土接觸面為主表面，鋼管接觸面作為從表面，接觸屬性中，切向行為的摩擦公式選用“罰”，摩擦系數(shù)取為0.25，法向行為選擇“硬”接觸，允許材料在計算過程中分離，但不允許材料在這個過程中相互穿透。試件上下端的蓋板在有限元分析時定義為剛體。

荷載通過設置邊界條件實現(xiàn)，兩端蓋板在加載點處的邊界條件設為鉸接，設置兩個分析步，對上端蓋板設置位移加載，第一個分析步設置位移變量為0.1mm，第二個分析步設置位移變量為10mm，有限元模型如圖4所示。

3 模型驗證

本次模擬對照文獻[9]中的兩組試驗工況，截面幾何尺寸如圖5所示，第一組多室式鋼管混凝土組合T型柱截面尺寸a×b×c為60mm×100mm×80mm，高度為450mm，鋼管厚度t為2.5mm；第二組截面尺寸a×b×c為60mm×120mm×60mm，高度為500mm，鋼管厚度t為2.5mm，兩組均承受軸心荷載作用。模擬與試驗結果的荷載—撓度曲線對比如圖6所示，模擬曲線與試驗曲線整體上吻合良好，說明本文選用的混凝土本構模型以及建立的ABAQUS有限元模型可以用于分析鋼管混凝土構件組合T型截面柱的受壓性能。

4 模擬結果

設計有限元模型時，為了便利于后期的試驗驗證，有限元模型截面尺寸為：翼緣60mm×160mm，腹板60mm×100mm，上下兩端蓋板200mm×200mm ×10mm，鋼管厚度2.5mm，柱高500mm。混凝土選用C40，鋼管選用Q345。按照上述過程，在ABAQUS軟件中建立三種截面類型鋼管混凝土組合T形短柱的有限元模型，模型與圖4類似。

4.1 偏心距的影響

以圖4中T形截面對稱軸x軸正向為偏心距正方向，當偏心距e分別為0mm、±10mm、±20mm時，三種截面類型鋼管混凝土組合T形短柱的荷載—撓度曲線如圖7所示，可以看出，沿著同一方向偏心受壓時，三種截面類型鋼管混凝土組合T形短柱的承載能力均隨著偏心距的增大而減少，與普通鋼管混凝土T形截面短柱保持一致。這是因為隨著偏心距的增大，試件承受的軸向壓力保持不變，而試件承受的附加彎矩隨之增大，這將逐漸削弱試件的承載能力。

4.2 偏心方向的影響

由圖7（a）可以看出，軸心受壓時，多室式組合截面短柱的承載能力最高，彎折鋼板組合截面短柱與普通組合截面短柱的承載能力相差不多。這是因為多室式組合截面將整個T形截面劃分為三個分室，三個分室中的核心混凝土在承受軸向壓力的同時，也承受來自周圍鋼管的側向壓力，處于三向受壓狀態(tài)。彎折鋼板組合截面雖然也將整個T形截面劃分為三個分室，但由于只在翼緣的外伸部分進行了分室劃分，中間的腹板部分延伸至截面頂部，使得這部分矩形尺寸較大，對核心混凝土的約束效應沒有其他兩種截面中腹板的約束效應顯著。普通組合截面將整個T形截面劃分為兩個分室，對比多室式組合截面，翼緣部分沒有進行分室劃分，因此該類截面翼緣部分核心混凝土的約束效應不顯著，使得該類截面短柱的承載能力低于多室式組合截面短柱的承載能力。同時相比于彎折鋼板組合截面，普通組合截面在腹板部分進行了分室劃分，因此腹板部分核心混凝土的約束效應更為顯著，彌補了翼緣部分約束效應不足的短板，使得該類截面短柱和彎折鋼板組合截面短柱的承載能力相差不多。

由圖7（b）—（c）可以看出，當偏心方向為正向時，荷載偏向翼緣方向，多室式組合截面短柱的承載能力仍保持最高，彎折鋼板組合截面短柱的承載能力明顯高于普通組合截面短柱。這是因為偏心方向為正向時，荷載施加在翼緣部分，多室式組合截面翼緣部分的兩個分室會對其中的核心混凝土產生較好的約束效應。彎折鋼板組合截面同樣將翼緣部分進行了分室劃分，但由于只劃分了外伸部分，對于中間部分沒有進行分室劃分，使得鋼管對核心混凝土的約束效應提升有限，導致其承載能力低于多室式截面短柱。對于普通組合截面，由于該類截面并未對翼緣部分進行分室劃分，使得鋼管對其內部核心混凝土的約束效應最弱，導致其承載能力最低。

由圖7（d）—（e）可以看出，當偏心方向為負向時，荷載偏向腹板方向，多室式組合截面短柱的承載能力仍保持最高，普通組合截面短柱的承載能力與多室式組合截面短柱接近，且明顯高于彎折鋼板組合截面短柱。這是因為偏心方向為負向時，荷載施加在腹板部分，多室式組合截面與普通組合截面對腹板部分的分室劃分相同，對腹板部分核心混凝土產生了相同的約束效應，但多室式組合截面翼緣部分的進一步分室劃分使翼緣部分的核心混凝土性能得到進一步提升，使得多室式組合截面短柱的承載能力略高于普通組合截面短柱。彎折鋼板組合截面對于腹板部分沒有進行分室劃分，因此腹板核心混凝土的約束效應低于其他兩種截面，使得彎折鋼板組合截面短柱的承載能力最低。

4.3 鋼管厚度的影響

以偏心距e=10mm以及e=-10mm為例，將鋼管厚度t分別設置為1.5mm、2.5mm與3.5mm，分析鋼管厚度對三種截面類型鋼管混凝土組合T形短柱偏心受壓性能的影響，荷載—撓度曲線如圖8所示。

圖8（a）為多室式組合截面短柱的荷載-撓度曲線，相比于t=1.5mm短柱，e=10mm條件下t為2.5mm與3.5mm時，承載能力分別提升了34.60%與73.07%，e=-10mm條件下t為2.5mm與3.5mm時，承載能力分別提升了34.9%與70.6%。圖8（b）為彎折鋼板組合截面短柱的荷載—撓度曲線，相比于t=1.5mm短柱，e=10mm條件下t為2.5mm與3.5mm時，承載能力分別提升了31.79%與64.51%，e=-10mm條件下t為2.5mm與3.5mm時，承載能力分別提升了31.5%與63.97%。圖8（c）為普通組合截面短柱的荷載—撓度曲線，相比于t=1.5mm短柱，e=10mm條件下t為2.5mm與3.5mm時，承載能力分別提升了30.08%與61.18%，e=-10mm條件下t為2.5mm與3.5mm時，承載能力分別提升了32.32%與65.5%。因此，在同一偏心距不同偏心方向時，鋼管厚度的增大對于三種截面類型鋼管混凝土T形短柱承載能力的提升幅度相差不大。當偏心方向為正向時，鋼管厚度的增大對多室式組合截面短柱承載能力的提升幅度最大，對彎折鋼板組合截面短柱承載能力的提升略高于普通組合截面短柱，兩者相差不大。當偏心方向為負向時，鋼管厚度的增大對多室式組合截面短柱承載能力的提升幅度仍為最大，對普通組合截面短柱承載能力的提升略高于彎折鋼板組合截面短柱，兩者同樣相差不大。

5 結論

（1）三種截面類型鋼管混凝土組合T形短柱的承載能力均隨著偏心距的增大而減少，與普通鋼管混凝土T形截面短柱保持一致。

（2）荷載偏向翼緣方向時，多室式組合截面短柱的承載能力最高，彎折鋼板組合截面短柱的承載能力明顯高于普通組合截面短柱；荷載偏向腹板方向時，多室式組合截面短柱的承載能力仍保持最高，普通組合截面短柱的承載能力與多室式組合截面短柱接近，且明顯高于彎折鋼板組合截面短柱。

（3）鋼管厚度的增大對多室式組合截面短柱承載能力的提升幅度最大，荷載偏向翼緣方向時，對彎折鋼板組合截面短柱承載能力的提升略高于普通組合截面短柱；荷載偏向腹板方向時，對普通組合截面短柱承載能力的提升略高于彎折鋼板組合截面短柱。

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