足尺拼接式方形高强钢管混凝土柱轴压承载力数值分析

近年来，高强钢（屈服强度不小于460MPa）生产制造工艺不断提升，在装配式钢管混凝土建筑中推广使用高强钢，可进一步降低材料用量，提升建造速度，促进建筑结构轻质高强化发展。但是采用高强钢后，相比于普通强度钢材，柱子管壁薄壁化显著，径厚比会超出结构设计规范限值。实际工程中足尺高强薄壁钢管混凝土柱能否具有足够的轴压承载力，其性能如何仍需进一步研究。结合某装配式钢管混凝土工程，对采用新型拼接式截面的方形高强钢管混凝土柱进行足尺数值模拟，分析关键参数对其轴压承载力的影响规律，评估现行规范的适用性，以期为该类新型高强钢管混凝土柱的推广应用提供参考。

1 足尺柱有限元建模

装配式钢管混凝土工程拟采用如图1所示的高强方钢管混凝土柱，柱子内部设有不同形式的缀材，第一种截面缀材为十字交叉形，第二种截面缀材呈菱形布置。此类柱设置缀材的目的是改善施工阶段混凝土浇筑对薄壁钢管的侧壁压力，且柱子边长中部设有加劲肋，加强方钢管板件的抗局部屈曲能力。

（a）

（b）

图1 新型柱截面示意

（a）十字交叉形；（b）菱形

有限元模型中钢材本构采用双线性强化模型。

通过ABAQUS非线性程序进行该类新型足尺钢管混凝土柱的精细化承载力模拟，并开展关键参数分析。结合工程实际，确定了数值分析的基准工况：柱边长500mm，壁厚6mm，柱高6m，钢管及缀材采用Q460钢材，混凝土等级C60；内部十字形交叉缀材间距1m，缀材宽度50mm，厚度同钢管壁厚，加劲肋平直段长度为2倍壁厚。有限元建模分析时，钢管及缀材采用S4R壳单元，核心混凝土采用C3D8R实体单元；柱子模型底部固定，柱子上部仅释放轴向自由度以便施加轴压荷载。采用静力通用分析模块，进行轴压承载力计算。

为研究实际工程中关键参数对该类组合柱承载能力的影响规律，针对两类截面形式的组合柱开展了参数分析，参数包括混凝土立方体抗压强度（ f _cu ）、钢材屈服强度（ f _y ）、缀材间距（ D _z ）和截面宽厚比 （ B / t ）。参数分析工况汇总见表1和表2。

表1 参数分析概况

表2 工况计算参数

2 有限元计算结果分析

分析轴压荷载下足尺组合柱的破坏模式，以表2 中算例编号为1和10为例进行说明。为便于观察局部变形，采用变形缩放系数进行局部放大，随着轴压荷载的施加，两类不同截面形式的组合柱在加载端（柱子顶部）产生明显的轴压局部破坏，钢管向外局部鼓曲，核心混凝土被压溃，柱底部固定端也产生一定的局部屈曲变形，但相比于柱顶部局部屈曲变形较小。

各参数对该类柱轴压荷载–位移曲线的影响规律如图2~图4所示。

（a）

（b）

（c）

（d）

图2 第1种截面形式下荷载–位移曲线变化规律

（a）钢材强度的影响；（b）混凝土强度的影响；

（c）缀材的影响；（d）宽厚比的影响

（a）

（b）

（c）

（d）

图3 第2种截面形式下荷载–位移曲线变化规律

（a）钢材强度的影响；（b）混凝土强度的影响；

（c）缀材的影响；（d）宽厚比的影响

（a）

（b）

（c）

（d）

图4 关键参数对承载力的影响规律

（a）钢材强度的影响；（b）混凝土强度的影响；

（c）缀材的影响；（d）宽厚比的影响

同种参数影响下两种截面形式的柱子荷载–位移曲线及承载力变化规律基本一致，如钢材屈服强度从345MPa提升至460MPa时，第1种和第2种组合柱承载力分别提高了9.13%和9.42%；保持钢材强度不 变时，混凝土立方体抗压强度从50MPa分别提高至80MPa时，组合柱承载力显著提高，第1种截面形式柱子承载力提高了14.88%、28.16%和43.02%，第2种截面形式柱子承载力提高了14.61%、27.80%和42.37%。对于缀材间距，其对两种截面形式的柱子承载力影响规律一致，如缀材间距由1m加密至0.5m时，承载力无明显影响，但是相比于无缀材的柱子，其承载力仍有所提升；对于第2种截面形式柱子，缀材间距加密后其延性显著提高，如图4（c）所示。宽厚比增大时，即宽厚比从83.3增大至100时，第1种和第2种组合柱承载力分别降低了5.08%和5.00%。材料强度和宽厚比对承载力影较为显著，该类附设缀材的截面拼接式方形高强钢管混凝土柱荷载–位移曲线可分为弹性、弹塑性及破坏阶段，具有延性变形能力。

采用GB50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》中关于无缀材的普通方形截面钢管混凝土柱承载力计算方法，基于有限元数值模拟结果，验证规范对该类组合柱的适用性。计算时组合柱的约束效应系数取值方法保持与普通方形截面钢管混凝土柱一致，不考虑缀材及加劲肋对约束效应的影响；由于缀材不直接参与承受轴向压力，计算时予以忽略；按照实际截面构造形式计算核心混凝土与钢管的面积及截面组合强度。计算对比结果如图5所示，可看出规范计算结果与有限元计算结果较接近，规范预测值和有限元计算值的平均值为0.986，方差为2.35E–5，相比于有限元计算结果，规范值偏于保守，由于规范值不考虑加劲肋及缀材对约束效应的提高影响导致。在无相关试验验证结果时，可采用GB50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》对组合柱进行初步的计算设计。

图5 规范值计算结果对比

3 结束语

通过精细化有限元数值分析了两种附设缀材的拼接式方形截面高强钢管混凝土足尺柱轴压承载性能，揭示了该类高强组合柱破坏模式，分析了关键参数（混凝土强度、钢材强度、缀材间距和宽厚比）对其轴压承载力及荷载–位移曲线的影响规律，结果表明：同种参数影响下两种截面形式的柱子荷载–位移曲线及承载力变化规律基本一致；材料强度和宽厚比对承载力影较为显著；可采用GB50936—2014对该类新型组合柱进行初步的轴压承载力计算分析。本研究成果可为高强钢管混凝土柱实际应用提供有益参考借鉴。