楊志堅，彭書存，李幗昌,叢曉磊

(1.沈陽建筑大學土木工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.中建二局第四建筑工程有限公司，天津 300457)

空心鋼管混凝土被廣泛應用于輸電和變電工程中，全國已建成使用的空心鋼管混凝土結構輸電塔架多達上百個[1]?？招匿摴芑炷僚c實心鋼管混凝土結構相比，耗鋼量相同，但內部空心節(jié)約混凝土，自重較輕[2]，便于運輸和施工；與鋼結構相比，可以節(jié)約大量鋼材?？招匿摴芑炷两Y構既可以充分發(fā)揮鋼材和混凝土的力學性能,又避免了兩種材料在單獨應用時的缺點,具有良好的共同工作能力和力學性能[3]。為了進一步提升空心鋼管混凝土結構的受力性能，楊志堅等[4]提出了一種新型配筋空心鋼管混凝土組合結構，這種結構由鋼管混凝土與預應力高強混凝土管柱組成。預應力高強混凝土管柱(PHC管柱)是在工廠采用先張法預應力和離心成型工藝，經過高溫高壓蒸養(yǎng)而制成的一種空心構件。鋼管與PHC管柱之間澆筑混凝土從而形成配筋空心鋼管混凝土構件。

近年來，國內很多學者對實心鋼管混凝土、空心鋼管混凝土以及配筋鋼管混凝土結構進行了眾多試驗研究，而關于配筋空心鋼管混凝土結構的研究較少。丁發(fā)興等[5]采用試驗和有限元分析結合的方法對方鋼管混凝土軸壓短柱進行了研究，提出了一種新的承載力計算公式。韋建剛等[6]對9根圓高強鋼管超高性能混凝土短柱軸壓受力性能進行試驗，分析了含鋼率、鋼材強度和混凝土強度變化對其力學性能的影響，并建立了有限元模型進行參數變化擴展分析。徐禮華等[7]通過對21根鋼管自應力自密實高強混凝土柱進行偏心受壓試驗，分析了試件的破壞形態(tài)和各參數變化對偏壓試件受力性能的影響，并且根據試驗數據推導出了試件在偏心受壓下承載力計算公式。王宏偉等[8]進行了55根不同截面的空心鋼管混凝土柱軸壓試驗，研究表明圓形截面與其他類型截面的試件相比承載力更大，隨著空心率減小構件的承載力逐漸增大，并且根據試驗結果驗證了空心鋼管混凝土柱軸壓強度標準計算公式的準確性。趙均海等[9-13]通過方鋼管螺旋筋混凝土柱軸心受壓試驗，分析了構件破壞機理、受力過程及各參數對其受力性能的影響，并推導了方鋼螺旋筋混凝土的承載力計算公式。陳宗平等[14]對方鋼管螺旋筋混凝土柱進行了偏壓試驗研究，分析試件的受力全過程和破壞形態(tài)，研究了各參數對試件偏心受壓力學性能的影響規(guī)律，建立了試件偏心受壓的承載力計算公式。H.S.Hu等[15]對方形螺旋約束高強鋼管混凝土柱進行了軸壓及偏壓試驗，研究表明混凝土破碎是導致混凝土承載能力降低的主要原因，螺旋鋼筋對提高承載能力效果不明顯，但是可以顯著改善試件的延性，并且基于試驗結果推導了構件承載力計算公式。

傳統的空心鋼管混凝土構件承載力較低，抗震性能稍差，而實心鋼管混凝土構件承載力較高但自重較大。為改善空心鋼管混凝土構件和實心鋼管混凝土構件的不足，筆者利用有限元軟件ABAQUS建立了配筋空心方鋼管高強混凝土偏壓短柱模型，對構件的受力全過程進行分析，研究鋼材屈服強度、混凝土強度、偏心距和含鋼率等參數對其受力性能的影響，為配筋空心方鋼管混凝土組合柱試驗研究提供參考依據。

1 構件設計

配筋空心方鋼管高強混凝土柱內部為圓形空心高強混凝土，外部為方形鋼管。由外至內依次為方鋼管、夾層混凝土、PHC管柱、預應力筋和螺旋箍筋。構件高度為1 200 mm，截面長×寬為400×400 mm。PHC管柱外徑為150 mm，內徑為80 mm,混凝土強度等級為C80。箍筋屈服強度為650 MPa，預應力筋屈服強度為1 420 MPa，普通鋼筋型號為HRB400。構件參數見表1,構件截面形式如圖1所示。

表1 構件參數

圖1 構件截面形式

2 建立有限元模型

2.1 材料本構關系

構件使用鋼材包括鋼管、預應力筋、普通鋼筋和箍筋。鋼管采用低碳鋼五折線模型[2]；鋼筋采用二折線模型[2]，分為彈性段和強化段，強化段的彈性模量為彈性段的0.01倍，取0.01Es。構件中混凝土包括PHC管柱和夾層混凝土。PHC管柱在構件中處于無約束受力狀態(tài)，采用過鎮(zhèn)海[17]提出的混凝土單軸受壓本構模型；由于外鋼管和PHC管柱對夾層混凝土的約束效應，使其處于三向受力狀態(tài)，選用韓林海[2]提出的鋼管混凝土受壓應力-應變關系。

2.2 模型建立

配筋空心方鋼管高強混凝土偏壓短柱中蓋板、鋼管、夾層混凝土和PHC管柱均采用C3D8R實體單元；預應力筋、普通鋼筋和箍筋均采用T3D2桁架單元。蓋板在材料屬性中將其等同于剛體。考慮到外鋼管與夾層混凝土之間的摩擦滑移作用，將接觸界面定義為法線方向硬接觸和切線方向庫倫摩擦，界面摩擦系數取0.6[2]?；炷僚c蓋板之間采用法線方向硬接觸，夾層混凝土與PHC管柱之間為綁定約束(Tie)，預應力筋、普通鋼筋和箍筋內置嵌入PHC管柱中，采用降溫法施加預應力。加載方式采用位移加載，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3 有限元模擬分析

3.1 受力全過程分析

選取ERHCFST-16構件作為典型構件，對配筋空心方鋼管高強混凝土偏壓短柱進行受力全過程分析。其荷載-中截面撓度(Nu-Δ)曲線如圖3所示。構件的受力全過程大致可分為以下四個階段。

圖3 ERHCFST-16構件荷載-中截面撓度曲線

彈性階段(OA)。構件在加載初期時，鋼管、夾層混凝土和PHC管柱均處于彈性工作階段，荷載-撓度曲線呈線性增長，鋼管與夾層混凝土各自單獨受力工作，鋼管對夾層混凝土沒有產生約束作用。A點時構件均處于全截面受壓狀態(tài)，鋼管近似于進入彈塑性階段的起點,受壓區(qū)Mises應力接近345 MPa，預應力筋和普通鋼筋處于彈性階段。構件受到的荷載約為極限承載力73.62%。

彈塑性階段(AB)。隨著荷載繼續(xù)增加，鋼管受壓區(qū)Mises應力達到345 MPa，發(fā)生屈服，而受拉區(qū)仍處于彈性狀態(tài)。夾層混凝土的受壓側鼓曲變形，因此外鋼管對夾層混凝土開始逐漸產生約束作用，抑制混凝土鼓曲變形的發(fā)展。夾層混凝土受到鋼管和PHC管柱約束作用而處于三向受力狀態(tài)，因此混凝土壓應力得到提升?？缰薪孛嬷泻洼S緩慢向受壓側移動，預應力筋和普通鋼筋仍處于彈性狀態(tài)。構件受到的荷載約為極限承載力的89.93%。

塑形強化階段(BC)。受壓側鋼管和部分普通鋼筋已經屈服進入塑性變形階段，鋼管對夾層混凝土約束效應逐漸增強，使兩者之間接觸壓力不斷增加。在特征點C時，構件中截面撓度變形增大，夾層混凝土中和軸逐漸向受壓側移動，中截面夾層混凝土發(fā)生開裂。構件的承載力達到最大值。

下降階段(CD)。在特征點C之后構件進入下降階段，中截面?zhèn)认驌隙炔粩嘣黾?。鋼管不能再為混凝土提供有效約束，混凝土縱向應力分布也變得不均勻，鋼管中截面塑性區(qū)域不斷向內部發(fā)展。構件的整體剛度持續(xù)減小，剩余承載力逐漸趨于穩(wěn)定。

3.2 應力分析

3.2.1 夾層混凝土的縱向應力

構件ERHCFST-16夾層混凝土中截面的縱向應力分布如圖4所示。從圖中可以看出，在特征點A和特征點B時，夾層混凝土縱向應力分布均勻且最大值集中在受壓區(qū)，分別為0.95fc和1.01fc，在A點時混凝土受拉側應力達到最大值，大約為3.89 MPa，混凝土發(fā)生開裂。在特征點C時構件達到極限承載力，夾層混凝土受壓側角部區(qū)域應力達到最大值，約為1.26fc，受壓側應力增加至1.11fc，受拉側應力減小至3.69 MPa。鋼管對混凝土有效約束集中在角部區(qū)域。在特征點D時，構件處于下降階段，夾層混凝土縱向應力持續(xù)降低且分布不均勻，受壓側應力減小至0.35fc，而受拉側應力減小至2.75 MPa。在整個受力階段中性軸逐漸向受壓區(qū)移動。

圖4 夾層混凝土縱向應力分布

3.2.2 PHC管柱的縱向應力

構件ERHCFST-16的PHC管柱混凝土中截面縱向應力分布如圖5所示。從圖中可以看出，在特征點A和B時，PHC管柱縱向應力分布均勻且最大值集中在受壓區(qū)，分別為0.76fc和0.93fc。在彈性和彈塑性階段PHC管柱處于全面受壓狀態(tài)。在特征點C點時，PHC管柱受壓側縱向壓應力逐漸增加至0.96fc，受拉區(qū)應力大約為1.94 MPa。在特征點D時，PHC管柱縱向應力分布不均勻，受壓側應力逐漸減小至0.51fc，受拉側應力增加至3.20 MPa，混凝土發(fā)生開裂。

圖5 PHC管柱縱向應力分布

3.2.3鋼管Mises應力

構件ERHCFST-16的鋼管Mises應力云圖如圖6所示。從圖中可以看出，在特征點A時，鋼管Mises應力從受拉側至受壓側呈帶狀均勻分布，在彈性段鋼管接近發(fā)生塑性應變狀態(tài)，最大應力約為345 MPa，最小應力約為74.68 MPa，鋼管整體處于全截面受壓狀態(tài)。隨著荷載繼續(xù)增加，在彈塑性階段受壓側鋼管Mises應力持續(xù)增加，鋼管開始發(fā)生屈服且受壓側屈服區(qū)域持續(xù)擴大。在特征點B時，受壓側最大應力大約為受拉側4.12倍，應力分布規(guī)律與彈性段大致相同。在特征點C時，構件達到極限承載力狀態(tài)，鋼管屈服區(qū)域進一步向受拉側擴大，鋼管受拉側Mises應力大約為77.12 MPa。在特征點D時，構件進入下降階段，隨著剩余承載力的持續(xù)減小，鋼管中截面塑性區(qū)域繼續(xù)向受拉側發(fā)展，但鋼管端部受拉側未達到屈服狀態(tài)。

圖6 鋼管Mises應力云圖

3.2.4 預應力筋Mises應力

預應力筋在初期剩余預拉力為801.7 MPa，由于彈性階段構件處于全截面受壓狀態(tài),預應力筋受壓后Mises應力逐漸減小。預應力筋Mises應力云圖如圖7所示。從圖中可以看出，在特征點A時，受壓側與受拉側預應力筋Mises應力相差較大，受壓側應力大約為受拉側1.34倍。在特征點B時，受壓側與受拉側預應力筋Mises應力不斷減小。從特征點C至D時，受壓側預應力筋Mises應力逐漸增加且達到屈服狀態(tài)，而受拉側Mises應力減小至461.7 MPa。

圖7 預應力筋Mises應力云圖

4 參數分析

4.1 鋼材強度的影響

鋼管屈服強度對構件荷載-撓度影響曲線如圖8所示。從圖中可以看出，構件在彈性階段曲線幾乎重合，初始剛度基本相同。構件在彈塑性階段以后，曲線呈非線性增長。鋼材屈服強度Q460與Q235相比，構件極限承載力增加了24.14%。隨著鋼材屈服強度增大，構件的極限承載力和剩余承載力越大，后期的延性也變好。

圖8 鋼管屈服強度對荷載-撓度曲線的影響

4.2 混凝土強度的影響

夾層混凝土強度對構件荷載-撓度影響曲線如圖9所示。從圖中可以看出，夾層混凝土強度對構件受力性能的影響主要在塑性強化段,荷載-撓度曲線呈非線性增長?；炷翉姸鹊燃塁100與C60相比，構件極限承載力增加了19.61%。增加夾層混凝土強度可以提高構件極限承載力，但后期的延性變差。

圖9 混凝土強度對荷載-撓度曲線的影響

4.3 偏心距的影響

偏心距對構件荷載-撓度影響曲線如圖10所示。從圖中可以看出，偏心距對構件受力性能的影響從彈性階段開始，偏心距增加構件初始剛度和剩余承載力逐漸減小。隨著偏心距增大，構件側向撓度逐漸增加，極限承載力逐漸降低。

圖10 偏心距對荷載-撓度曲線的影響

4.4 含鋼率的影響

含鋼率對構件荷載-撓度影響曲線如圖11所示。從圖中可以看出，含鋼率對構件力學性能影響在彈塑性階段以后。含鋼率α=0.106與α=0.06相比，構件極限承載力增加了22.82%。隨著含鋼率的增加，構件的剩余承載力逐漸增大，延性越好。

圖11 含鋼率對荷載-撓度曲線的影響

4.5 普通鋼筋的影響

普通鋼筋對荷載-撓度影響曲線如圖12所示。從圖中可以看出，配普通鋼筋對構件的受力性能影響主要在塑性強化段。普通鋼筋主要改善了PHC管柱的受力性能，由此來提高構件的極限承載力，使構件后期延性變好。從圖12可以看出，PHC管柱有普通鋼筋和無普通鋼筋構件相比，極限承載力提高3.94%。當鋼筋直徑從16 cm增加至18 cm時，極限承載力提高不明顯；當鋼筋直徑增加到20 cm時，極限承載力和初始剛度顯著提高，與鋼筋直徑18 cm構件相比，極限承載力提高2.98%。

圖12 普通鋼筋對荷載-撓度曲線的影響

5 結 論

(1)配筋空心方鋼管高強混凝土偏心受壓短柱受力全過程分為彈性階段、彈塑性階段、塑性強化段和下降階段。其中夾層混凝土和PHC管柱承擔主要荷載，當構件達到極限承載力時，鋼管和普通鋼筋均達到屈服狀態(tài)，核心混凝土發(fā)生破壞，充分發(fā)揮了材料受力性能。

(2)提高鋼材屈服強度和混凝土強度能夠增加構件的極限承載力，其中鋼材屈服強度提高使構件的延性變好，而混凝土強度提高使構件的延性變差；偏心距越大構件的極限承載力越小，初始剛度和剩余承載力也逐漸減小。

(3)增加含鋼率使構件的極限承載力顯著提高，同時具有較好的延性；配普通鋼筋可以改善構件的延性和受力性能，提高構件的極限承載力。