王昌勝，史之恒，曹 兵

（安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是指將混凝土灌入鋼管內(nèi)而形成的組合構(gòu)件，是一種結(jié)合鋼管與混凝土各自優(yōu)點，具有良好承載力、抗震、延性及耐火性能的結(jié)構(gòu)［1-2］。相比普通截面鋼管混凝土，異形鋼管混凝土實際應(yīng)用時恰好能解決柱體凸出墻面形成棱角的問題。因此，為了了解異形鋼管混凝土的力學(xué)性能，國內(nèi)外學(xué)者主要對異形鋼管混凝土柱的力學(xué)性能開展了大量研究。李振宇等［3］對采用綴條連接方鋼管形成的新型十字形鋼管混凝土柱力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并提出了適用于該類新型十字形鋼管混凝土柱承載力計算方法。郝彬等［4］提出了一種通過4塊開孔鋼板焊接5根方鋼管混凝土單肢形成的十字形鋼管混凝土柱并對其力學(xué)性能進(jìn)行了研究，最后對該類十字形鋼管混凝土柱的連接鋼板提出優(yōu)化建議。Hassam［5］對由4根方鋼管沿棱角垂直焊接而成的十字形鋼管混凝土柱力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并提出了該類十字形鋼管混凝土柱承載力的簡化計算方法。徐傳國等［6］提出了一種由方鋼管芯柱和槽鋼翼柱焊接而成的新型十字形鋼管混凝土柱并對其力學(xué)性能進(jìn)行了研究，研究表明該類新型十字形鋼管混凝土柱具有較好的承載力和延性。曹兵等［7-8］在總結(jié)現(xiàn)有異形鋼管混凝土柱研究基礎(chǔ)上，提出了一種施工方便的改進(jìn)組合式異形鋼管混凝土柱，并對改進(jìn)組合式L形、T形鋼管混凝土柱力學(xué)性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明寬厚比越大、越易發(fā)生局部鼓曲，但對于改進(jìn)組合式十字形鋼管混凝土柱力學(xué)性能并未研究。因此，本文采用有限元軟件ABAQUS對改進(jìn)組合式十字形鋼管混凝土柱力學(xué)性能進(jìn)行分析，分析了鋼管厚度、混凝土強度、試件長度和偏心距對其承載力和延性性能的影響，研究結(jié)果可為該類改進(jìn)組合式十字形鋼管混凝土柱的工程應(yīng)用提供參考。

1 有限元設(shè)計

改進(jìn)組合式十字形鋼管混凝土柱直接由1個矩形鋼管和2個U形槽鋼焊接形成，其截面示意圖如圖1所示。為了研究改進(jìn)組合式十字形鋼管混凝土柱力學(xué)性能，主要考察鋼管厚度、混凝土強度、試件長度和偏心距對其力學(xué)性能的影響，共設(shè)計了22個有限元試件（13個軸壓試件、9個偏壓試件），有限元試件參數(shù)及極限承載力如表1所示。

表1 有限元試件參數(shù)及試件極限承載力

續(xù)表（表1）

2 有限元建模

采用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元建模時，混凝土本構(gòu)模型直接采用混凝土塑性損傷模型，鋼材本構(gòu)模型直接采用塑性模型?；炷良颁摬牡膽?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均采用文獻(xiàn)［9］中提供的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。矩形鋼管、U形槽鋼、混凝土以及上下蓋板均采用三維實體建模，U形槽鋼與矩形鋼管之間采用Tie約束，上、下蓋板與矩形鋼管、U形槽鋼及混凝土之間也采用Tie約束，矩形鋼管與混凝土以及U形槽鋼與混凝土之間均采用面-面接觸模型，法向接觸采用“hard”接觸，切向接觸采用庫倫摩擦模型，其摩擦系數(shù)取0.25［10-11］。加載方式采用位移加載，約束x、y方向的自由度，釋放z方向的自由度。有限元模型如圖2所示。

3 有限元計算結(jié)果分析

3.1 變形形態(tài)分析

改進(jìn)組合式十字形鋼管混凝土柱的典型變形形態(tài)圖如圖3所示。從圖3可以看出，試件主要表現(xiàn)為3種典型變形形態(tài)：中部鼓曲變形、中上部鼓曲變形以及彎曲變形。對于短柱主要發(fā)生中部鼓曲變形；對于中長柱主要發(fā)生中上部鼓曲變形；對于長柱主要發(fā)生彎曲變形。對于軸心受壓試件，隨著試件長度的增加，鼓曲變形的位置逐漸從試件中部向上部轉(zhuǎn)移；對于偏心受壓試件，隨著偏心距的增大，彎曲變形的幅度越大。

3.2 鋼管和混凝土應(yīng)力分析

3.2.1 鋼管縱向應(yīng)力分析

選取試件 SJ-S2、SJ-S5、SJ-S6、SJ-S10達(dá)到極限承載力時的鋼管縱向應(yīng)力云圖進(jìn)行對比分析，如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)試件達(dá)到極限承載力時，鋼管的大部分區(qū)域具有較大的縱向應(yīng)力；U形槽鋼上部縱向應(yīng)力較小，隨試件長度增加，小應(yīng)力區(qū)域越向頂部集中；采用較厚鋼管的試件，在矩形鋼管中部的縱向應(yīng)力小于薄壁試件；在鋼管焊接處和鋼管角部的縱向應(yīng)力也相對較弱，這些區(qū)域的約束作用較弱；偏心受壓試件在柱頂部偏壓一側(cè)的鋼管角部縱向應(yīng)力較小，且底部縱向應(yīng)力相對試件整體偏弱。

3.2.2 鋼管環(huán)向應(yīng)力分析

選取試件 SJ-S1、SJ-S3、SJ-S7、SJ-S10達(dá)到極限承載力時的鋼管環(huán)向應(yīng)力云圖進(jìn)行對比分析，如圖5所示。

從圖5可以看出，當(dāng)試件達(dá)到極限承載力時，鋼管環(huán)向應(yīng)力在大部分區(qū)域較??；鋼管的環(huán)向應(yīng)力在矩形鋼管和U形槽鋼焊接處的中上部區(qū)域、U形槽鋼外側(cè)中上部區(qū)域較大，厚壁鋼管在此區(qū)域的環(huán)向應(yīng)力大于薄壁鋼管，表明厚壁鋼管所提供的約束作用更大；在各試件頂部的部分區(qū)域內(nèi)，鋼管環(huán)向應(yīng)力明顯小于其他區(qū)域，主要體現(xiàn)在頂部矩形鋼管和U形槽鋼焊接處和U形鋼管外側(cè)，表明這些區(qū)域約束作用較弱。

3.2.3 混凝土縱向應(yīng)力分析

選取試件 SJ-S2、SJ-S5、SJ-S6、SJ-S10達(dá)到極限承載力時的混凝土縱向應(yīng)力云圖進(jìn)行對比分析，如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)試件達(dá)到極限承載力時，采用薄壁鋼管的試件，混凝土縱向應(yīng)力集中在矩形鋼管內(nèi)混凝土的上部、下部區(qū)域，以及U形槽鋼內(nèi)混凝土的中部區(qū)域；采用較厚壁鋼管的試件，縱向應(yīng)力集中在中下部區(qū)域并向上部逐漸延伸，縱向應(yīng)力較大處，約束作用也相應(yīng)較大；試件頂部混凝土的縱向應(yīng)力大小分部不均勻，且應(yīng)力值相差較大，存在縱向應(yīng)力薄弱區(qū)；偏心受壓試件在柱頂部偏壓一側(cè)的鋼管焊接處，混凝土縱向應(yīng)力大于另一側(cè)，表明偏壓一側(cè)約束作用更大。

3.3 鋼管與混凝土接觸壓力分析

定義無焊縫的U形槽鋼側(cè)面為接觸面1，未焊接U形槽鋼的矩形鋼管側(cè)面為接觸面2，如圖1所示。以試件SJ-S1為例進(jìn)行分析，其鋼管與混凝土接觸壓力變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，隨著位移的增加，接觸面1和接觸面2的接觸壓力均在不斷增加，接觸面1的接觸壓力增長速率明顯高于接觸面2，表明鋼管對混凝土產(chǎn)生了約束作用，U形槽鋼對混凝土的約束作用高于矩形鋼管。

3.4 鋼管與混凝土承載力分析

以試件SJ-S1為例進(jìn)行分析，其鋼管與混凝土承載力變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出，矩形鋼管、矩形鋼管內(nèi)混凝土的承載能力明顯大于U形槽鋼和U形槽鋼內(nèi)的混凝土，表明達(dá)到極限承載力之前主要由矩形鋼管混凝土承擔(dān)荷載。U形槽鋼的承載力變化曲線與其他3個曲線存在明顯差異，在達(dá)到極限承載力后沒有出現(xiàn)下降趨勢，表明達(dá)到極限承載力之后U形槽鋼具有較強的承載力。

3.5 承載力參數(shù)影響分析

3.5.1 鋼管厚度

鋼管厚度對改進(jìn)組合式十字形鋼管混凝土柱承載力-位移曲線影響如圖9所示。從圖9及表1可以看出，采用較厚鋼管的試件，其極限承載力明顯高于采用較薄鋼管的試件；當(dāng)鋼管厚度較厚時，隨著鋼管厚度的增加，其極限承載力增加幅度基本變化不大；當(dāng)達(dá)到極限承載力后，厚鋼管試件的曲線下降趨勢比薄鋼管試件要緩。由此表明，增大鋼管厚度能夠有效提高改進(jìn)組合式十字形鋼管混凝土柱的極限承載力，且能夠優(yōu)化試件的延性；鋼管厚度控制在16 mm作用最為合適。

3.5.2 混凝土強度

混凝土強度對改進(jìn)組合式十字形鋼管混凝土柱承載力-位移曲線影響如圖10所示。從圖10及表1可以看出，采用強度高的混凝土試件，其極限承載力明顯高于強度低的混凝土的試件；當(dāng)達(dá)到極限承載力后，強度高的混凝土試件的曲線下降較為迅速，承載力損失明顯；隨混凝土強度的提高，試件延性下降。由此表明，增大混凝土強度等級能夠有效提高改進(jìn)組合式十字形鋼管混凝土柱的極限承載力，但對試件整體延性不利。

3.5.3 試件長度

試件長度對改進(jìn)組合式十字形鋼管混凝土柱承載力-位移曲線影響如圖11所示。從圖11及表1可以看出，當(dāng)試件長度較小時，隨著試件長度的增加，其極限承載力有所減小，減小幅度相對較小，但其變形能力有較大程度提高；當(dāng)試件長度較長時，隨著試件長度的增加，其極限承載力減小幅度將有所增加。由此表明，在一定范圍內(nèi)增加試件的長度對其極限承載力影響較小，對提高試件的延性有較大作用。

3.5.4 偏心距

偏心距對改進(jìn)組合式十字形鋼管混凝土柱承載力-位移曲線影響如圖12所示。

從圖12（a）及表1可以看出，不同偏心距下試件承載力-位移曲線基本相同，表明試件長度較小時，改變偏心距對試件承載力和延性性能影響不大。從圖12（b）及表1可以看出，不同偏心距下試件承載力-位移曲線發(fā)生了一定變化，偏心距越大，試件承載力越低，達(dá)到峰值承載力后下降越快，表明試件長度較大時，改變偏心距對試件承載力和延性影響較大。

4 結(jié)論

1）改進(jìn)組合式十字形鋼管混凝土柱具有良好的力學(xué)性能，其在加載后主要有中部鼓曲、中上部鼓曲及整體彎曲等3種典型變形形態(tài)。

2）鋼管厚度越大，鋼管對混凝土的約束作用越強；增加鋼管厚度對提高試件極限承載力的作用更明顯；提高混凝土強度等級對試件延性不利；試件長度不大時，偏心距的增加對試件承載力及延性的影響均較小。