張玉芬 張 燕 賈宏鑫

(河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性韌性好、抗震性能及延性優(yōu)良、便于施工及經(jīng)濟安全等優(yōu)點，已在國內(nèi)外高層、超高層、拱橋和橋梁墩柱中得到較廣泛的應(yīng)用[1]。而復(fù)式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗彎剛度更大、承載力更高、塑性韌性更強，能夠有效減小軸壓構(gòu)件的截面尺寸，因此針對復(fù)式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)開展研究具有重要意義和廣闊的工程應(yīng)用前景。

目前關(guān)于復(fù)式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)最典型的截面形式有外圓內(nèi)圓、外矩形內(nèi)圓等，國內(nèi)外學(xué)者對此類組合結(jié)構(gòu)已進行深入、系統(tǒng)的研究。方小丹等對20個外圓內(nèi)圓復(fù)式鋼管高強混凝土軸壓短柱進行試驗研究，以混凝土抗壓強度、鋼管屈服強度、內(nèi)外鋼管直徑比等參數(shù)，對構(gòu)件破壞形態(tài)、受力機理及極限承載力進行了分析，并利用ABAQUS有限元結(jié)果，提出復(fù)式鋼管高強混凝土軸壓短柱承載力計算式[2]。矩形鋼管混凝土柱截面在受力時提供強弱軸不同抗彎剛度，更適用于板式建筑或橋梁墩柱，且梁柱連接處簡單。陶忠等對矩形套矩形中空夾層鋼管混凝土軸壓短柱進行了試驗研究[3]；謝力等對矩形套矩形的中空夾層鋼管混凝土軸壓短柱進行試驗與理論研究，主要分析內(nèi)外鋼管長寬比對其力學(xué)性能的影響[4-5]。劉禮等對矩形鋼管混凝土與2個矩形套圓形復(fù)式鋼管混凝土軸壓短柱進行試驗，研究二者破壞形態(tài)、承載力及延性的差異[6]。黃宏等對截面形式為矩形套矩形、矩形套圓形的中空夾層鋼管混凝土軸壓短柱進行試驗研究，研究了其破壞形態(tài)，并比較了矩形和相同含鋼率的圓鋼管對混凝土的約束效果[7]。因圓鋼管對混凝土的約束效果較好，能夠提高混凝土的抗壓性能，而矩形單鋼管僅在角部位置對混凝土約束較好，中部約束較差，故矩形單鋼管混凝土柱承載性能較差且易屈曲變形。因此，針對于橋梁墩柱截面逐漸大型化的趨勢，提出矩形內(nèi)配異心雙圓鋼管混凝土的新型截面形式墩柱(后文統(tǒng)稱為“新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱”)，既提高鋼管對混凝土的約束作用、節(jié)點連接方便，又兼顧矩形、圓鋼管的截面特點，且混凝土對鋼管的支撐作用能延緩鋼管的局部彎曲，從而可大大提高鋼管組合柱的穩(wěn)定承載能力。

在鋼管混凝土軸壓短柱承載力計算式方面，陳建偉等將極限平衡理論運用到外方內(nèi)圓復(fù)式鋼管混凝土軸壓短柱承載力計算中，提出外鋼管對夾層混凝土不提供約束和只有內(nèi)鋼管對內(nèi)層混凝土提供約束的計算假定，得出的計算公式結(jié)果吻合較好[8]。查曉雄等對圓形截面內(nèi)配異心及多層鋼管混凝土軸壓短柱進行試驗和承載力研究，根據(jù)極限平衡理論推導(dǎo)了承載力計算式，計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合較好[9]。龍躍凌等提出一種考慮矩形鋼管長短邊豎向強度差異和其對混凝土約束作用不同的矩形鋼管混凝土軸壓短柱承載力計算公式[10]。王娟等將矩形鋼管長短邊對核心混凝土的約束側(cè)壓力等效為圓，得出的矩形鋼管混凝土軸壓短柱承載力計算式與試驗結(jié)果吻合較好[11]。

根據(jù)極限平衡理論對“新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱”軸壓極限承載力計算式進行推導(dǎo)，并選取合理的鋼材及混凝土材料本構(gòu)關(guān)系，在驗證建模方法正確的基礎(chǔ)上，對“新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱”典型構(gòu)件的軸壓力學(xué)性能進行分析，揭示其破壞形態(tài)和軸壓受力機理，并研究混凝土抗壓強度、鋼管屈服強度、內(nèi)鋼管相同含鋼率時直徑變化、內(nèi)鋼管徑厚比、外鋼管徑厚比等參數(shù)對極限承載力的影響規(guī)律，最后將理論計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果進行對比驗證。

1 新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱軸壓承載力計算式推導(dǎo)

采用的計算基本假定[10-12]有：鋼管對混凝土的約束作用分為矩形鋼管對夾層混凝土的約束作用和圓形內(nèi)鋼管對內(nèi)層混凝土的約束作用兩部分；矩形外鋼管、夾層混凝土及內(nèi)圓鋼管混凝土三部分在軸壓荷載受力全過程中均沒有相對滑移，三者豎向應(yīng)變保持一致；當內(nèi)外鋼管達到屈服后，只考慮矩形外鋼管屈曲變形引起的長短邊縱向強度的差異，忽略內(nèi)圓鋼管的彎曲變形。

截面劃分示意如圖1所示，將“新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱”分成考慮長短邊變形縱向屈服強度差異的矩形外鋼管、內(nèi)外鋼管間的夾層混凝土和內(nèi)部圓鋼管混凝土三部分進行計算。忽略構(gòu)件的變形過程和材料本構(gòu)關(guān)系，由極限平衡理論得出新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱軸壓極限承載力Nuc計算式為：

圖1 截面劃分示意Fig.1 Schematic digrams of section partition

Nuc=Asrlfsrl+Asrwfsrw+Acrfcr+Nc

(1)

式中：Asrl、Asrw分別為矩形鋼管長短邊的橫截面面積；fsrl、fsrw分別為矩形鋼管長短邊的縱向屈服強度；Acr為夾層混凝土面積；fcr為矩形外鋼管約束作用下的夾層混凝土抗壓強度；Nc為圓鋼管混凝土承載力。

1.1 矩形鋼管長短邊縱向強度fsrl、fsrw的確定

矩形鋼管在達到極限承載力時長邊先于短邊屈曲變形，說明矩形鋼管長短邊對混凝土的約束側(cè)壓力作用大小不同，其對混凝土的約束與矩形箍筋對混凝土的約束效果相當。故采用Mander等[13]提出的約束混凝土等效側(cè)向約束力來確定矩形鋼管長、短邊對混凝土的等效側(cè)向約束應(yīng)力frl、frw，矩形鋼管等效側(cè)向約束應(yīng)力示意如圖2所示。

圖2 矩形鋼管等效側(cè)向約束應(yīng)力示意Fig.2 Equivalent confined stress on rectangular steel tubes

(2a)

(2b)

式中：k0為矩形鋼管對混凝土的有效約束系數(shù)[10-11]；fθl、fθw分別為矩形鋼管長短邊的環(huán)向應(yīng)力；D、B分別為矩形鋼管的長度、寬度；t為鋼管厚度;θl、θw為混凝土有效約束區(qū)的約束界線邊切角，如圖3所示；考慮到矩形鋼管長短邊約束混凝土作用不同，采用文獻[10]方法，將θl、θw用約束界線邊切角系數(shù)ξl、ξw分別表示：

圖3 有效約束區(qū)域(非陰影部分)Fig.3 Effective confined areas (unshaded area)

(3a)

(3b)

式中：fy為鋼管抗拉屈服強度。

當構(gòu)件達到極限承載力時，矩形外鋼管處于縱向和徑向受壓、環(huán)向受拉的三向應(yīng)力狀態(tài)。徑向壓應(yīng)力相對縱向壓應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力可忽略不計，則鋼管處于平面應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)von Mises屈服準則，鋼管屈服時有：

fsrl2-fsrlfθl+fθl2=fy2

(4a)

fsrw2-fsrwfθw+fθw2=fy2

(4b)

鋼管寬厚比是影響矩形鋼管混凝土軸壓短柱構(gòu)件破壞形態(tài)的主要原因，考慮長短邊寬厚比對矩形鋼管長短邊縱向強度的折減，分別定義矩形鋼管長、短邊的寬厚比參數(shù)Rl、Rw[10-14]：

(5a)

(5b)

式中：Es、υ分別為鋼管的彈性模量、泊松比；fy為鋼管屈曲強度。

當R>0.85(R為Rl或Rw)時，認為矩形鋼管長邊或短邊發(fā)生局部屈曲破壞，?。?/p>

(6)

當fsrl>0.89fy時，?。?/p>

fsrl=0.89fy

(7)

由式(4a)得：

(8)

當R≤0.85時，fsrl、fθl取值:

fsrl=0.89fy;fθl=-0.19fy

(9)

同理可求出fsrw、fθw取值。

1.2 夾層混凝土軸心抗壓強度fcr的確定

因夾層混凝土同時受到內(nèi)鋼管混凝土和外層矩形鋼管的約束，處于三向受壓狀態(tài)。故將矩形鋼管約束按鋼管與混凝土等截面面積思想等效為圓形鋼管混凝土[11]，則圓鋼管混凝土在軸壓作用下的應(yīng)力狀態(tài)為σ1=σ2>σ3，因外鋼管對夾層混凝土的約束作用，其軸心抗壓強度得到提高，取σ1=σ2=σr，由極限平衡理論得：

fcr=fc+γukσr

(10)

式中：fc為核心混凝土單軸抗壓強度；由文獻[15]取k=4?？紤]矩形鋼管非有效約束混凝土區(qū)域的折減系數(shù)：γu=1.67d-0.112，d為等效圓鋼管外直徑[16]，σr為夾層混凝土的側(cè)壓力約束，計算式為：

(11)

式中：frl、frw取相應(yīng)值的絕對值，即等效側(cè)壓力取矩形鋼管長短邊側(cè)向約束力平均值；R、r分別為等效圓鋼管的外半徑和內(nèi)半徑。其中：

(12a)

(12b)

將式(2)、(9)、(12)結(jié)果代入式(11)中化簡得出：

(13)

在極限狀態(tài)下，矩形鋼管混凝土一般長邊先屈服，即矩形鋼管長邊環(huán)向應(yīng)力先達到屈服。根據(jù)von Mises屈服準則，fθl取式(8)結(jié)果進行后續(xù)計算。在矩形鋼管角部處，長邊和短邊彎矩相同，從而可得：

(14)

由式(2a)、(2b)、(8)化簡可得：

(15)

將式(11)～(14)代入式(10)計算得：

(16)

1.3 內(nèi)圓鋼管混凝土軸壓承載力Nc的確定

圓鋼管混凝土軸壓短柱承載力算式研究已經(jīng)較成熟，“新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱”的內(nèi)部雙圓鋼管混凝土可以看成統(tǒng)一的組成部分，因此，采用的軸壓承載力公式[9]為：

Nc=2Accfcc(1+2θc)

(17)

式中：θc為內(nèi)圓鋼管的等效套箍系數(shù)；Asc為單個圓形鋼管面積；fsc為圓形內(nèi)鋼管屈服強度；Acc為單個圓鋼管內(nèi)層混凝土面積；fcc為圓形內(nèi)鋼管約束作用下的內(nèi)層混凝土抗壓強度。

“新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱”軸壓極限承載力由矩形鋼管、夾層混凝土和2個圓鋼管混凝土三部分組成，綜合上述算式代入式(1)求得承載力計算式為：

Nuc=Asrlfsrl+Asrwfsrw+

2Accfcc(1+2θc)

(18)

2 有限元模型的建立

2.1 材料本構(gòu)

采用ABAQUS軟件模擬新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱軸壓受力。內(nèi)外鋼管本構(gòu)采用劉威建議的等向強化彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線[17]，鋼管的彈性模量取2.06×105MPa、泊松比取0.3。混凝土受壓本構(gòu)繼續(xù)采用劉威提出的塑性損傷約束核心混凝土模型[17]，混凝土受拉本構(gòu)采用沈聚敏提出的能量破壞準則(應(yīng)力-斷裂能關(guān)系)[18]，考慮混凝土的軟化性能。

2.2 單元選取、接觸關(guān)系、邊界條件及網(wǎng)格劃分

內(nèi)外鋼管采用S4R殼單元，在殼單元厚度方向上采用9個積分點的Simpson積分；混凝土采用C3D8R三維實體單元。鋼管與混凝土界面考慮法向和切向接觸屬性，法向接觸為“硬接觸”，切向接觸為庫侖“罰”摩擦，摩擦系數(shù)μ取0.25[19]?！靶滦蛷?fù)式鋼管混凝土墩柱”上、下墊板采用剛性體，墊板與鋼管和混凝土之間分別采用“殼-實體耦合”、綁定約束。對不同的部件進行網(wǎng)格劃分，將圓鋼管與圓形混凝土截面四等分；橫截面采用按邊布種的方法，設(shè)置為8；部件沿高度方向采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，按尺寸布種，且網(wǎng)格尺寸縱向相同，設(shè)置為30。考慮設(shè)置參考點，對柱頂采用位移加載方式，施加5個方向約束，只允許Z軸的位移；柱底施加固定約束。由于模型受力及邊界條件的對稱性，有限元橫截面采用1/4模型，網(wǎng)格劃分情況及邊界條件如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分和邊界條件Fig.4 Meshing and boundary conditions of models

2.3 模型驗證

首先根據(jù)文獻[20-21]的矩形套矩形中空夾層鋼管、矩形實心鋼管、外方內(nèi)圓實心的軸壓短柱試驗，建立有限元數(shù)值模型對上述建模方法進行驗證分析。表1為已有試驗構(gòu)件具體參數(shù)，試驗實測極限承載力Nut、模型計算極限承載力Num及二者誤差百分比。模型計算得到的荷載-縱向位移曲線與試驗實測結(jié)果對比如圖5所示。由表1和圖5分析，在彈性、彈塑性及達到極限荷載階段，這4個試驗試件的模擬荷載-位移曲線與試驗實測結(jié)果基本吻合，得出的構(gòu)件極限承載力誤差在0.17%～1.59%之間，誤差較小。有限元模擬后期數(shù)據(jù)有一定偏差，是由于試驗中鋼管構(gòu)件開裂導(dǎo)致曲線下降段承載力較低。為了進一步驗證有限元結(jié)果的正確性，將矩形實心CFT-SC、外方內(nèi)圓I-CSCFT12有限元模型與試驗結(jié)果進行對比，如圖6所示，可以看出有限元結(jié)果與試驗破壞模態(tài)吻合較好。有限元結(jié)果分析說明本文采用的有限元建模方法能較準確地模擬軸壓短柱受力全過程曲線，可用于對新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱軸壓力學(xué)性能的研究。

表1 試驗構(gòu)件主要參數(shù)Table 1 Main parameters of specimens

a—矩形中空夾層DST-SC1;b—矩形實心CFT-SC;c—外方內(nèi)圓I-CSCFT12;d—外方內(nèi)圓II-CSCFT6。圖5 有限元結(jié)果與試驗結(jié)果對比Fig.5 Comparisons between FE results and test results

a—矩形實心CFT-SC；b—外方內(nèi)圓I-CSCFT12。圖6 破壞模態(tài)對比Fig.6 Comparisons of failure modes

3 受力機理分析

為深入分析新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱軸壓受力機理及承載力性能，采用上述方法進行數(shù)值建模。矩形內(nèi)配異心雙圓鋼管混凝土典型構(gòu)件示意如圖7所示。截面尺寸及材料物理參數(shù)為：矩形外鋼管長度Do=300 mm，寬度Bo=150 mm，厚度to=6 mm；圓形內(nèi)鋼管直徑di=88 mm，厚度ti=4 mm，內(nèi)外鋼管屈服強度均為fy=345 MPa，混凝土立方體軸心抗壓強度fcu=60 MPa。根據(jù)韓林海[1]建議軸壓短柱L/D=3，構(gòu)件高度取L=900 mm。

圖7 轉(zhuǎn)型復(fù)式鋼管混凝土、墩柱典型橫截面 mmFig.7 Typical cross sections of pier columns with new composite structure of steel tubes and concrete

3.1 軸壓破壞形態(tài)對比

有限元模擬得出的組合柱軸壓破壞模態(tài)及試驗破壞模態(tài)如圖8所示。試件破壞時外矩形鋼管均為向外鼓曲呈腰鼓形破壞模式，且長邊鼓曲現(xiàn)象較短邊明顯，褶皺嚴重。圖8a為新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱有限元軸壓破壞形態(tài)，鼓曲位置位于構(gòu)件高度1/4和3/4截面；圖8b為矩形單鋼管混凝土短柱有限元軸壓破壞形態(tài)，鼓曲位置位于構(gòu)件中部截面；圖8c為文獻[22]矩形單鋼管軸壓短柱試驗破壞形態(tài)，鼓曲位置發(fā)生在構(gòu)件高度一半處，可見矩形單鋼管混凝土短柱破壞形態(tài)主要為構(gòu)件中部位置。在軸壓荷載下，與普通的矩形單鋼管混凝土柱相比，新型墩柱的破壞位置發(fā)生了轉(zhuǎn)移，由試件中部向上下墊板移動，且由破壞云圖可以看出：有限元中矩形鋼管最大應(yīng)力分布位于破壞截面角部，且短邊的應(yīng)力值普遍比長邊大，說明角部對混凝土的約束作用最強，短邊約束混凝土強于長邊。

a—復(fù)式鋼管混凝土墩柱有限元；b—矩形單鋼管混凝土有限元；c—矩形鋼管混凝土試驗。圖8 軸壓破壞形態(tài)Fig.8 Failure modes under uniaxial compression

3.2 典型構(gòu)件受力全過程分析

為研究矩形外鋼管、夾層混凝土、圓形內(nèi)鋼管、內(nèi)層混凝土各構(gòu)件在受力全過程中所承擔(dān)的荷載變化，模擬得到的典型構(gòu)件整體及各部分荷載-位移曲線如圖9所示。

總荷載; 外鋼管； 夾層混凝土; 內(nèi)鋼管; 內(nèi)層混凝土。 圖9 典型構(gòu)件整體及各部分的荷載-位移曲線Fig.9 Load-displacement curves of integrated pier columns and componerts

從圖9中可見，當位移加載至2.5 mm時，內(nèi)、外鋼管最先達到其荷載峰值，此時整體構(gòu)件出現(xiàn)明顯屈服拐點，可見在加載前期主要是由內(nèi)外鋼管承擔(dān)構(gòu)件荷載；隨后外鋼管荷載值下降22.6%后承載力趨于穩(wěn)定，而內(nèi)鋼管承載曲線始終保持平緩。當位移加載至3.5 mm時，夾層混凝土荷載達到最大，構(gòu)件整體達到極限承載力，此時矩形外鋼管、夾層混凝土、圓形內(nèi)鋼管、內(nèi)層混凝土承載分別占構(gòu)件極限承載力的33.7%、36.1%、16.5%、13.7%。故在構(gòu)件達到極限承載力時，夾層混凝土所承擔(dān)的荷載最大，矩形外鋼管次之，內(nèi)圓鋼管混凝土承載最小。隨著位移繼續(xù)增加，靠近端部的外鋼管出現(xiàn)向外鼓曲現(xiàn)象，而內(nèi)層混凝土因受到的約束較強承載仍繼續(xù)增加。當位移加載至7.5 mm時，構(gòu)件整體承載力下降15.3%至穩(wěn)定承載力并保持平緩。從各構(gòu)件承載全過程曲線中可以得出：夾層混凝土承載曲線與整體構(gòu)件相似，內(nèi)層混凝土承載曲線由于受到外部的約束，在整個承載過程中始終保持緩慢上升趨勢，受到較好的約束作用。這是由于在承載前期，矩形外鋼管對夾層混凝土的約束效果較好，但隨著承載增加到極限承載力后，由于矩形外鋼管屈曲變形，不能對夾層混凝土產(chǎn)生有效的約束，導(dǎo)致夾層混凝土承載下降。內(nèi)鋼管由于內(nèi)、外混凝土的夾持作用，承載力保持穩(wěn)定。

4 承載力計算式驗證

以混凝土立方體軸心抗壓強度、鋼管屈服強度、內(nèi)鋼管同含鋼率時直徑變化、內(nèi)圓鋼管徑厚比、外鋼管寬厚比等為參數(shù)對新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱軸壓極限承載力的影響規(guī)律進行分析。各模型截面尺寸及高度均與典型構(gòu)件相同，并采用本文推導(dǎo)的式(17)計算不同參數(shù)下的新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱軸壓極限承載力。表2給出具體截面尺寸及物理材料參數(shù)，并列出ABAQUS有限元模型計算極限承載力Num與極限平衡理論計算極限承載力Nuc。由表2數(shù)據(jù)可以看出，由于理論計算時假定各組成構(gòu)件均處于極限狀態(tài)，故比有限元模擬結(jié)果偏大。但所有墩柱Num/Nuc比值的平均值為0.923，均方差為0.046。說明有限元模擬與極限平衡理論計算結(jié)果吻合較好，可以用來計算新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱軸壓極限承載力。

表2 新型復(fù)式鋼管混凝土軸壓承載力有限元模擬及理論計算結(jié)果Table 2 Bearing capacity of New-type composite concrete filled steel tubes under axial compression obtained from FE simulations and theoretical analysis

圖10為不同參數(shù)設(shè)置下有限元得出的軸壓曲線。如圖10a，與混凝土強度等級C60墩柱相比，內(nèi)填C50的墩柱軸壓極限承載力降低6.39%；當混凝土強度等級增加到C80、C100時，墩柱承載力比內(nèi)填C60的分別提高了17.69%、32.33%。如圖10b，與鋼管型號Q345墩柱相比，型號Q300的墩柱承載力降低4.90%，當鋼管型號增加到Q420、Q550時，承載力比型號Q345的提高10.43%、26.09%。如圖10c，各個墩柱含鋼率均不相同，與內(nèi)鋼管尺寸88 mm×4 mm墩柱相比，內(nèi)鋼管尺寸80 mm×4 mm墩柱的承載力降低6.08%；當內(nèi)鋼管尺寸增加到100 mm×4 mm、108 mm×4 mm時，承載力比88-4墩柱分別提高9.74%、12.65%。如圖10d，當內(nèi)鋼管含鋼率相同僅改變直徑時，與內(nèi)鋼管尺寸為80-5.6墩柱相比，內(nèi)鋼管90 mm×5 mm、108 mm×4 mm墩柱的承載力提高8.76%、14.75%。如圖10e，與外鋼管厚度6 mm墩柱相比，厚度7.5 mm墩柱的承載力提高9.97%，厚度5,3 mm墩柱的承載力比6 mm墩柱分別降低了5.18%和17.18%。因此，該類新型墩柱的極限承載力均隨混凝土抗壓強度、鋼管屈服強度增加而提高，隨外鋼管寬厚比增加而降低。當內(nèi)鋼管厚度相同僅改變其直徑時，Num、Nuc均隨內(nèi)鋼管徑厚比增加而提高。當內(nèi)鋼管含鋼率相同時僅改變直徑，Num隨內(nèi)鋼管直徑增加、包圍內(nèi)層混凝土面積增加，極限承載力也提高，但當內(nèi)鋼管直徑增大到一定程度時(約2/3外鋼管寬度)，Nuc基本沒有變化，說明理論計算式在一定程度上存在誤差。

5 結(jié)束語

通過對新型復(fù)式鋼管混凝土軸壓墩柱的有限元建模數(shù)值分析和極限平衡承載力理論計算研究，得出以下結(jié)論：

a—混凝土抗壓強度;b—鋼管屈服強度;c—內(nèi)鋼管徑厚比;d—內(nèi)鋼管直徑;e—外鋼管徑厚比。圖10 不同參數(shù)設(shè)置下的軸壓曲線Fig.10 Axial compression curves in cases of different parameters

1)有限元模擬得到的復(fù)式鋼管混凝土墩柱和矩形單鋼管混凝土軸壓短柱的破壞形態(tài)、極限承載力和荷載-位移曲線與試驗結(jié)果吻合較好。新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱模型破壞形態(tài)呈現(xiàn)出外鋼管向外鼓曲且長邊比短邊屈曲嚴重的腰鼓形破壞，墩柱整體及各部分的全過程承載位移曲線說明夾層混凝土承載曲線變化規(guī)律與整體構(gòu)件較為相似。極限狀態(tài)時，矩形鋼管、夾層混凝土、圓鋼管和內(nèi)混凝土承載分別占整體構(gòu)件的33.7%、36.1%、16.5%、13.7%。

2)在不同的參數(shù)設(shè)置下，軸壓極限承載力隨混凝土抗壓強度、鋼管屈服強度增加而提高，隨外鋼管寬厚比增加而降低。當內(nèi)鋼管厚度相同僅改變直徑時，極限承載力隨內(nèi)鋼管徑厚比增加而當內(nèi)鋼管含鋼率相同時僅改變直徑，內(nèi)鋼管直徑越大、包圍內(nèi)層混凝土面積越多，極限承載力越大，但當內(nèi)鋼管直徑增大到一定程度時(約2/3外鋼管寬度)對軸壓極限承載力影響不大。

3)根據(jù)極限平衡理論，假定矩形外鋼管對夾層混凝土產(chǎn)生約束，圓形內(nèi)鋼管對內(nèi)層混凝土產(chǎn)生約束，將其分成考慮長短邊變形屈服差異的矩形外鋼管、外鋼管約束的夾層混凝土和內(nèi)部的圓鋼管混凝土柱三部分進行計算，最終得出新型復(fù)式鋼管混凝土墩柱軸壓極限承載力計算式。將有限元模型計算值，與極限平衡理論推導(dǎo)出的理論公式計算值進行比較，所有墩柱Num/Nuc的平均值為0.923，均方差為0.046。通過數(shù)值建模分析驗證了理論計算式的準確性及適用性。