張 磊，杜木子

1.西安石油大學(xué)實(shí)驗(yàn)室管理處（實(shí)驗(yàn)中心），陜西 西安 710065；2.陜西市政建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710021

1 引言

方鋼管混凝土柱具有承載力強(qiáng)、抗彎承載力、建筑布置方便等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，在方鋼管混凝土柱中配置型鋼可以更顯著的提高其承載力、抗彎剛度、耐火性等特點(diǎn)［3］，但方鋼管內(nèi)配置型鋼類(lèi)型對(duì)承載力影響的研究還很少見(jiàn)，本文基于Abaqus 軟件建立了10 個(gè)配置不同型鋼類(lèi)型的方鋼管混凝土柱，研究型鋼類(lèi)型對(duì)其承載力的影響，從而發(fā)現(xiàn)最合理、最安全、最經(jīng)濟(jì)的型鋼配置形式。

2 模型的建立與驗(yàn)證

2.1 模型建立

本文構(gòu)件包括如下部件，外鋼管、內(nèi)配型鋼、混凝土、內(nèi)混凝土、墊板等。因部分鋼管厚度較大，故為保證計(jì)算精度且能體現(xiàn)各部件之間的相互作用關(guān)系，所有部件均采用減縮積分形式的八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元（C3D8R）。

本文中涉及的本構(gòu)關(guān)系主要有鋼材、混凝土以及墊板。其中墊板采用彈性模型，鋼材采用雙折線模型，鋼管內(nèi)混凝土采用混凝土塑性損傷模型，其抗壓及抗拉應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均采用韓林海提出的單軸抗壓抗拉應(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式［4］。

本文除構(gòu)件與墊板之間采用綁定約束外，其他接觸均采用硬接觸。

2.2 模型驗(yàn)證

表1 模型計(jì)算結(jié)果

3 模型結(jié)果分析

3.1 內(nèi)配型鋼的方鋼管混凝土柱軸力-應(yīng)變關(guān)系分析

相同截面含鋼率的條件下，內(nèi)配不同型鋼的方鋼管混凝土柱軸力-應(yīng)變關(guān)系如圖1 所示，其中構(gòu)件外鋼管和型鋼均采用Q235 鋼材，鋼管內(nèi)混凝土采用C60 混凝土。

由圖1 可知鋼管厚度相同時(shí)，內(nèi)配圓鋼管的方鋼管混凝土柱承載力最大且沒(méi)有下降段或者下降段不明顯，表明方鋼管內(nèi)配圓鋼管可以給柱內(nèi)混凝土提供有效的約束，從而使混凝土可以在內(nèi)外鋼管雙重約束下，承載力與殘余承載力得到提高。

未配置型鋼的構(gòu)件軸壓承載力大于內(nèi)配工字鋼和十字型鋼的構(gòu)件，這是因?yàn)橥怃摴芎穸仍黾訉?duì)混凝土的約束效應(yīng)增強(qiáng)的效果大于因?yàn)榕渲霉ぷ咒摵褪中弯摱鴮?duì)混凝土提供的雙重約束效應(yīng)增強(qiáng)的效果。

圖1 內(nèi)配不同型鋼的方鋼管混凝土柱軸力應(yīng)變曲線

對(duì)比內(nèi)配工字鋼和十字型鋼的構(gòu)件可知，兩者的極限承載力及殘余承載力都非常接近，而工字鋼抗扭強(qiáng)度更好，制作更方便，因此建議選擇工字鋼作為方鋼管混凝土柱的內(nèi)配型鋼。

3.2 內(nèi)配不同型鋼時(shí)軸力-厚度關(guān)系

內(nèi)配不同型鋼的方鋼管混凝土柱軸力-配骨指標(biāo)關(guān)系如圖2 所示。

圖2 內(nèi)配不同型鋼的方鋼管混凝土柱軸力-配骨指標(biāo)關(guān)系

由圖2 可知，當(dāng)方鋼管混凝土柱內(nèi)配圓鋼管時(shí)，承載力隨著配骨指標(biāo)即就是圓鋼管面積的上升而增大。配置工字鋼和十字型鋼時(shí)，其承載力隨著配骨指標(biāo)的上升而下降。因此柱截面含鋼率相同時(shí)，如內(nèi)配圓鋼管，可以適當(dāng)提高圓鋼管的配置管徑，如配置工字鋼和十字型鋼，可以適當(dāng)降低型鋼配置面積。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)鋼管厚度相同時(shí)，在鋼管混凝土柱內(nèi)配置圓鋼管承載力最高，而配置工字鋼與十字型鋼承載力相差不大。

（2）內(nèi)配圓鋼管的方鋼管混凝土柱的殘余承載力最好，工字鋼和十字型鋼的殘余承載力相近，考慮制作方便和抗扭性能好，建議選擇工字鋼作為內(nèi)配型鋼。

（3）當(dāng)方鋼管混凝土柱內(nèi)配圓鋼管時(shí)，承載力隨著配骨指標(biāo)上升而上升；配置工字鋼和十字型鋼時(shí)，其承載力隨著配骨指標(biāo)的上升而下降。