張 科

(衡陽公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南 衡陽 421000)

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)大力發(fā)展，修建的結(jié)構(gòu)物不斷朝著高層、超高層發(fā)展，而傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱延性差、混凝土易開裂、易壓碎破壞，限制了高層與超高層建筑的發(fā)展，同時也不利于結(jié)構(gòu)抗震[1-2]。對此，郭子雄等[3]提出了核心型鋼-混凝土組合構(gòu)件，即在混凝土柱內(nèi)埋置型鋼結(jié)構(gòu)并配置一定的鋼筋量，形成一種新型的組合結(jié)構(gòu)；該結(jié)構(gòu)不僅能同時發(fā)揮鋼筋混凝土和型鋼結(jié)構(gòu)的特點，而且截面尺寸小、承載力高，同時型鋼外包混凝土可有效防止型鋼在復(fù)雜環(huán)境下的銹蝕，解決防火問題，避免了鋼材局部屈曲，彌補了傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)延性不足的缺陷，可大大提高結(jié)構(gòu)的抗震能力[4-5]。

目前，對于型鋼-混凝土柱結(jié)構(gòu)的研究越來越多，成為近年來研究的熱點問題之一?；荽娴萚6]以實際工程中矩形截面的型鋼-混凝土柱為背景，開展了軸心和偏心荷載下的單調(diào)加載試驗研究，發(fā)現(xiàn)型鋼-混凝土柱結(jié)構(gòu)具有很好的塑性變形能力和延性。Ellobody等[7-8]也開展了型鋼-混凝土組合柱在軸心、偏心和溫度荷載下的力學(xué)性能研究，發(fā)現(xiàn)混凝土柱內(nèi)嵌型鋼可有效提高組合柱的受力性能。Tokgoz等[9-10]開展了核心型鋼-L型鋼纖維高強鋼筋混凝土組合柱的雙向偏心受壓試驗研究，以研究組合柱的受壓性能。賈磊鵬等[11]開展了核心型鋼-混凝土組合柱的軸心受壓試驗和ABAQUS有限元分析，研究其軸心受壓性能和設(shè)計方法。劉陽等[12]進行了核心型鋼-混凝土組合柱的抗震性能和軸壓比限值試驗的低周往復(fù)擬靜力試驗研究，提出了組合柱軸壓比限值的建議取值。周樂等[13-14]開展了核心型鋼-混凝土組合柱的軸壓試驗，研究其在負載下加固后的力學(xué)性能和破壞模式。李奉閣等[15]開展了2榀型鋼混凝土柱-鋼梁框架的低周往復(fù)擬靜力試驗研究，分析了其滯回性能、耗能能力等。馬輝等[16]開展了9根圓形鋼管型鋼-再生混凝土組合短柱的軸心受壓試驗，分析了徑厚比和含鋼率對其軸壓性能的影響。含鋼率為影響核心型鋼-混凝土組合柱受壓性能的重要參數(shù)，然而，當(dāng)前對于在不同含鋼率影響下組合柱的破壞特征和極限承載力的計算研究還不多，仍有待進一步深入分析。

為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用ABAQUS數(shù)值分析與理論計算相結(jié)合的方法對核心型鋼-混凝土組合柱在軸向荷載下的受壓破壞特征與極限承載力計算展開研究，在現(xiàn)有鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件計算理論的基礎(chǔ)上考慮含鋼率的影響，并對不同含鋼率下組合柱的極限受力行為進行了深入分析，為組合柱的設(shè)計計算與相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

1 核心型鋼-混凝土組合柱的設(shè)計與有限元建模

為了進一步確定核心型鋼-混凝土柱設(shè)計的合理性，本文在文獻[15]的基礎(chǔ)上對其受壓力學(xué)性能計算分析，文獻[15]采用的是鋼骨混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)，本文僅取其鋼骨混凝土柱作為計算模型，并與文獻[15]采用相同的核心型鋼-混凝土柱截面尺寸以及混凝土、型鋼和鋼筋的基本力學(xué)參數(shù)。

含鋼率研究參數(shù)分別為0%、2.83%、3.54%、4.25%、5.66%和7.08%，分別命名為S-RC-0～S-RC-5。核心型鋼-混凝土柱高H為1.2 m，采用尺寸200 mm的正方形截面，混凝土柱內(nèi)配置了4Φ12縱向鋼筋和Φ6@100箍筋，鋼筋保護層厚度為15 mm。

采用ABAQUS通用有限元軟件進行核心型鋼-混凝土柱的建模分析，假定混凝土與型鋼澆筑牢固，采用面面綁定(Tie)，縱向鋼筋與箍筋合并成一個鋼筋籠嵌入(Embedded region)混凝土柱內(nèi)，同時于柱底面設(shè)置一塊截面尺寸為b×h×t=600 mm×500 mm×100 mm的混凝土墊塊，核心型鋼-混凝土柱底面與混凝土墊塊頂面進行Tie約束，混凝土墊塊底面采用固結(jié)。

分析中，采用分步位移軸向加載，設(shè)定最終加載位移為10 mm，加載增量2 mm。在柱頂10 mm位置處設(shè)置參考點RP，參考點與柱頂面采用耦合(Coupling)，位移施加在參考點之上。有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型及其邊界約束

2 核心型鋼-混凝土組合柱受壓性能計算分析

2.1 外包混凝土柱的破壞行為

圖2給出了受不同含鋼率影響的外包混凝土柱受壓破壞情況，圖3給出了外包混凝土柱最嚴重破壞位置與含鋼率關(guān)系，其中，最嚴重破壞高度是指破壞位置至柱頂?shù)木嚯x。

由圖2可知，組合柱的含鋼率增大，外包混凝土的塑性應(yīng)變隨之減小，混凝土壓碎破壞有所改善，同時混凝土破壞的范圍更寬，減小了應(yīng)力集中，可有效改善混凝土柱的局部破壞。此外，由圖3可以發(fā)現(xiàn)，外包混凝土柱的破壞位置與含鋼率表現(xiàn)為非線性關(guān)系，關(guān)系曲線存在2個不同階段，分別為無含鋼率和受含鋼率影響階段。當(dāng)含鋼率逐漸減小至0時，外包混凝土柱的破壞位置會逐漸朝著柱底部發(fā)展，不利于結(jié)構(gòu)整體受力，這是引起整體結(jié)構(gòu)垮塌的主要原因。而當(dāng)含鋼率逐漸增大時，引起組合柱的內(nèi)力重分布，外包混凝柱的破壞位置逐漸朝柱中部發(fā)展，受力更為均勻。

a)S-RC-1

b)S-RC-2

c)S-RC-3

d)S-RC-4

e)S-RC-5

f)S-RC-0

圖3 外包混凝土柱最嚴重破壞位置-含鋼率的關(guān)系曲線

2.2 內(nèi)嵌型鋼柱的破壞行為

圖4給出了受不同含鋼率影響的內(nèi)嵌型鋼柱受壓破壞情況，圖5給出了內(nèi)嵌型鋼柱最嚴重破壞位置與含鋼率關(guān)系，其中不包括S-RC-0組合柱，因其含鋼率為0，即無內(nèi)嵌型鋼柱，圖中給出的最嚴重破壞高度是指破壞位置至柱頂?shù)木嚯x。

a)S-RC-1 b)S-RC-2 c)S-RC-3

d)S-RC-4 e)S-RC-5

由圖4可知，組合柱設(shè)計的含鋼率越大，內(nèi)嵌型鋼的塑性應(yīng)變越小，外包混凝土有效地保護了型鋼的受力，可延緩型鋼柱過早屈服，同時破壞的范圍也更寬，可有效避免型鋼的局部屈曲現(xiàn)象。由圖5可知，內(nèi)嵌型鋼柱的破壞位置與含鋼率表現(xiàn)為近似線性關(guān)系，隨著含鋼率增大，內(nèi)嵌型鋼柱的最嚴重破壞位置沿著柱中部發(fā)展，與外包混凝土柱破壞的發(fā)展規(guī)律相似。

2.3 組合柱受壓極限承載力計算

對組合柱極限承載力的極限進行分析，此處采用承載力占比ξsc來定義內(nèi)嵌型鋼柱在組合柱中承受外部荷載的貢獻，可通過式(1)進行計算：

(1)

式中:Fsc為組合柱的極限承載力,kN;Fc為外包混凝土柱的極限承載力,kN。

圖5 內(nèi)嵌型鋼柱最嚴重破壞位置-含鋼率的關(guān)系曲線

通過式(2)可計算出不同含鋼率下型鋼柱承載比變化情況，詳見圖6。由圖6可以看出型鋼柱承載比隨著含鋼率增大而提高。通過線性擬合方法，可得到型鋼柱承載比與含鋼率成正相關(guān)，如圖6所示，變異系數(shù)R2=0.999 4，說明了擬合曲線能很好地體現(xiàn)兩者變化情況。

ξF=72.32ρa+0.004 16

(2)

圖6 型鋼承載比-含鋼率曲線

我國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2010)[17]和《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 138—2001)[18]分別規(guī)定了鋼筋混凝土軸心抗壓柱和型鋼-混凝土軸心抗壓柱的極限承載力計算，詳見式(3)～式(5)。

Nc=0.9φ(fcAc+fyAy)

(3)

Nsc=φ(fcAc+fyAy+fsAs)

(4)

Nsc=(1+ξsc)·0.9φ(fcAc+fyAy)

(5)

式中:Nc為鋼筋混凝土柱軸向壓力設(shè)計值,N;Nsc為型鋼-混凝土組合柱的軸向壓力設(shè)計值,N;φ為鋼筋混凝土柱的穩(wěn)定系數(shù);fc為混凝土軸心抗壓設(shè)計值,MPa;A為構(gòu)件截面面積,mm2;fy為鋼筋抗壓強度設(shè)計值,MPa；Ay為全部縱向鋼筋截面面積,mm2;fs為型鋼抗壓強度設(shè)計值,MPa；As為型鋼截面面積,mm2;

采用式(3)可計算得到鋼筋混凝土軸心抗壓柱的極限承載力值，通過考慮型鋼柱承載力占比ξsc系數(shù)的影響，即可計算得到不同含鋼率下組合柱的極限承載力，如圖7所示。由圖7可知，采用式(4)和式(5)可較為準(zhǔn)確地計算型鋼-混凝土組合柱的極限承載力，相比式(5)的計算精度較好，進一步驗證了數(shù)值計算模型的合理性。

圖7 型鋼-混凝土組合柱的極限承載力計算值

3 結(jié)論

以核心型鋼-混凝土組合柱為研究對象，基于有限元與理論分析相結(jié)合的方法，通過ABAQUS軟件建立了組合柱的三維實體有限元模型，研究了不同含鋼率對外包混凝土柱和內(nèi)嵌型鋼柱的破壞特征以及對組合柱極限承載力的影響，結(jié)論如下：

1)組合柱的含鋼率增大，外包混凝土的塑性應(yīng)變隨之減小，混凝土壓碎破壞有所改善，同時混凝土的破壞范圍更寬，減小了應(yīng)力集中，可有效改善混凝土柱的局部破壞。

2)組合柱設(shè)計的含鋼率越大，內(nèi)嵌型鋼的塑性應(yīng)變越小，外包混凝土可有效保護型鋼的受力，延緩型鋼柱過早屈服，同時破壞的范圍也更寬，能有效避免型鋼的局部屈曲現(xiàn)象。

3)外包混凝土柱的破壞位置與含鋼率表現(xiàn)為非線性關(guān)系，內(nèi)嵌型鋼柱的破壞位置與含鋼率表現(xiàn)為近似線性關(guān)系。而型鋼承載比隨著含鋼率增大而提高，兩者成正相關(guān)。

4)考慮型鋼承載比的鋼筋混凝土柱極限承載力理論公式，可更為準(zhǔn)確地計算組合柱的極限承載力，且較好地與有限元計算結(jié)果吻合，驗證了有限元模型的合理性。