郭云龍 陳洪強(qiáng) 孫 斌

（1.中交一公局第三工程有限公司，北京 101102；2.哈爾濱地鐵集團(tuán)有限公司，黑龍江哈爾濱 150080）

型鋼混凝土柱是在混凝土中配置型鋼的組合構(gòu)件；部分情況下，構(gòu)件內(nèi)配置適當(dāng)鋼筋。型鋼混凝土柱以配置型鋼為主，剛度較大；截面尺寸相同時(shí)，承載力顯著高于鋼筋混凝土構(gòu)件；型鋼會(huì)對(duì)混凝土具有約束作用，能夠顯著提高構(gòu)件延性，改善構(gòu)件抗震性能。構(gòu)件中的型鋼骨架可以直接承擔(dān)施工荷載，在混凝土未完全達(dá)到強(qiáng)度前支撐上部結(jié)構(gòu)的施工荷載，以縮短工期，節(jié)約施工成本。鋼管混凝土柱是在空鋼管內(nèi)澆筑混凝土并共同受力的組合構(gòu)件。鋼管混凝土柱中，外包鋼管對(duì)核心混凝土具有較強(qiáng)的約束作用，混凝土處于三向受力狀態(tài)，有效提高了構(gòu)件承載力、延性及耗能能力。同時(shí)，外包鋼管在施工時(shí)可以作為永久施工模板，能夠提前承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)施工荷載，節(jié)省工期，降低施工成本。目前，相關(guān)學(xué)者對(duì)上述兩類鋼-混凝土組合柱的靜力[1-2]、動(dòng)力[3-4]、抗火[5-6]性能以及框架節(jié)點(diǎn)[7-8]性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，提出相關(guān)設(shè)計(jì)與計(jì)算方法。兩類鋼-混凝土組合柱在（超）高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)中均得到廣泛運(yùn)用。但是，目前缺乏二者力學(xué)性能的對(duì)比分析，在設(shè)計(jì)施工時(shí)如何有效選擇兩類構(gòu)件尚存疑惑。因此，本研究以哈爾濱軌道交通3號(hào)線車輛基地工程中典型的組合柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)為例，采用通用有限元軟件ABAQUS，利用實(shí)體單元建模，對(duì)比型鋼混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)與鋼管混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)，分析兩者的優(yōu)劣勢(shì)，為施工設(shè)計(jì)提供相應(yīng)建議。

1 有限元模型建立

1.1 構(gòu)件尺寸

型鋼混凝土柱-型鋼梁采用哈爾濱軌道交通3號(hào)線車輛基地工程中典型節(jié)點(diǎn)尺寸。

型鋼柱截面尺寸如圖1所示。

圖1 型鋼柱截面尺寸（單位：mm）

型鋼梁截面尺寸如圖2所示。

圖2 型鋼梁截面尺寸（單位：mm）

型鋼梁截面為H型鋼，鋼梁高度1 250 mm，翼緣寬度500 mm，腹板厚度20 mm，翼緣厚度40 mm，具體長(zhǎng)度根據(jù)相關(guān)資料計(jì)算，為2.75 m；型鋼混凝土柱截面為1 800 mm×1 600 mm，內(nèi)部型鋼為十字形鋼，高度為建筑單層高度，取5 m。

鋼管柱截面如圖3所示。

圖3 鋼管柱截面尺寸（單位：mm）

鋼管混凝土柱截面尺寸與型鋼混凝土柱尺寸相同，為1 800 mm×1 600 mm；為保證其用鋼量與型鋼混凝土柱一致，厚度為18 mm，長(zhǎng)度為5 m。

1.2 材料本構(gòu)

本研究模型中型鋼與外包鋼管均為Q355鋼，屈服強(qiáng)度取345 MPa。鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型采用理想彈塑性模型，鋼材彈性模量取206 000 MPa，泊松比為0.3。

式中：σs——鋼材應(yīng)力（MPa）；Es——鋼材彈性模量（MPa）；fy——鋼材屈服強(qiáng)度（MPa）；εy——鋼材屈服應(yīng)變。

型鋼混凝土柱與鋼管混凝土柱中的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C50，采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。其中，抗壓強(qiáng)度23.1 MPa，抗拉強(qiáng)度1.9 MPa，彈性模量34 500 MPa?；炷聊Ｐ途捎肁BAQUS中內(nèi)置的塑性損傷模型。型鋼混凝土柱的混凝土本構(gòu)采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中提出的素混凝土本構(gòu)。

式中：σc——混凝土應(yīng)力（MPa）；εc——混凝土應(yīng)變；Ec——混凝土彈性模量（MPa）；fcr——混凝土單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）；εcr——混凝土單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變；dc——混凝土單軸受壓損傷演化參數(shù)；ρc——混凝土配筋率；αc——混凝土的工作承擔(dān)系數(shù)。

鋼管混凝土柱的核心混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用韓林海等[10]提出的方法，考慮約束效應(yīng)影響的約束混凝土本構(gòu)；混凝土受拉采用線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系本構(gòu)。

式中：fc'——混凝土抗拉強(qiáng)度（MPa）；εtr——混凝土受拉峰值應(yīng)變；εtu——混凝土受拉極限應(yīng)變；β0——應(yīng)力水平指標(biāo)；ε0——混凝土峰值應(yīng)變；η——偏心距增大系數(shù)；ξ——約束效應(yīng)系數(shù)。

1.3 模型單元選取及網(wǎng)格劃分

有限元模型中，型鋼梁、型鋼混凝土柱結(jié)構(gòu)及鋼管混凝土柱中核心混凝土均采用8節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的實(shí)體單元（C3D8R）；鋼管混凝土柱外包鋼管采用4節(jié)點(diǎn)線性減縮積分殼單元（S4R）。為協(xié)調(diào)計(jì)算效率與計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分時(shí)進(jìn)行敏感度分析，保證較高的計(jì)算效率，網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響小于0.1%。

型鋼梁組合柱實(shí)體有限元模型如圖4所示。

圖4 型鋼梁組合柱實(shí)體有限元模型

2 鋼管混凝土柱與型鋼混凝土柱節(jié)點(diǎn)區(qū)受力性能對(duì)比分析

2.1 型鋼混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)受力性能

型鋼混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 型鋼混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

由圖5可知，在哈爾濱軌道交通3號(hào)線車輛基地工程特定荷載作用下，梁端剪力對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)柱構(gòu)件受力影響較小，型鋼混凝土柱中混凝土與內(nèi)部型鋼應(yīng)力均較小，核心混凝土應(yīng)力最大值為11.7 MPa，出現(xiàn)在型鋼梁受壓側(cè)與型鋼混凝土柱交界處。鋼材最大應(yīng)力出現(xiàn)在型鋼梁與型鋼混凝土柱交界面的受壓側(cè)，最大應(yīng)力為166.7 MPa，與梁端受拉側(cè)連線形成較為明顯的剪力帶。

2.2 鋼管混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)受力性能

鋼管混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 鋼管混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

由圖6可知，在哈爾濱軌道交通3號(hào)線車輛基地工程特定荷載作用下，梁端剪力對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼管混凝土柱受力影響較小，柱中混凝土與外包鋼管應(yīng)力較小，核心混凝土應(yīng)力最大為7.1 MPa，出現(xiàn)在型鋼梁受壓側(cè)與鋼管混凝土柱交界處。鋼材最大應(yīng)力出現(xiàn)在型鋼梁與鋼管混凝土柱交界面的受壓側(cè)，最大應(yīng)力為150.8 MPa。

2.3 對(duì)比分析

在哈爾濱軌道交通3號(hào)線車輛基地工程特定荷載作用下，兩節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力分布相似，混凝土及全模型最大應(yīng)力均出現(xiàn)在型鋼梁與組合柱交界面的受壓側(cè)。在相同用鋼量下，鋼管混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土最大應(yīng)力比型鋼混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)降低39.3%，鋼材最大應(yīng)力降低9.5%，表面在相同用鋼量下，鋼管混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)受力性能顯著優(yōu)于型鋼混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

型鋼混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在型鋼梁與型鋼混凝土柱交界面的受壓側(cè)，最大應(yīng)力為166.7 MPa；混凝土與柱內(nèi)部型鋼應(yīng)力較小，核心混凝土應(yīng)力最大值為11.7 MPa。鋼管混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在型鋼梁與鋼管混凝土柱交界面的受壓側(cè)，最大應(yīng)力為150.8 MPa；混凝土與外包鋼管應(yīng)力均較小，核心混凝土應(yīng)力最大值為7.1 MPa。兩節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力分布相似，混凝土及鋼材最大應(yīng)力均出現(xiàn)在型鋼梁與組合柱交界面的受壓側(cè)。在相同用鋼量下，鋼管混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)受力性能優(yōu)于型鋼混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)，鋼管混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土最大應(yīng)力比型鋼混凝土柱-型鋼梁節(jié)點(diǎn)降低39.3%，鋼材最大應(yīng)力降低9.5%。