摘 要：使用ABAQUS有限元軟件，對(duì)普通鋼管混凝土組合T形截面短柱、彎折鋼板與鋼管組成的T形截面短柱，以及多室式鋼管混凝土組合T形截面短柱進(jìn)行有限元分析，得到三種截面類(lèi)型鋼管混凝土組合T形短柱的荷載—撓度曲線，分析偏心距、偏心方向、鋼管厚度等因素對(duì)三種截面類(lèi)型鋼管混凝土組合T形短柱偏心受壓承載能力的影響。結(jié)果表明，多室式鋼管混凝土組合T形截面短柱具有更高的承載能力。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；T形截面；短柱；偏心受壓；有限元

中圖分類(lèi)號(hào)：TU398" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：1673-260X（2025）01-0055-05

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展與鋼材產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)，對(duì)建筑環(huán)保性能的需求也越來(lái)越高，鋼結(jié)構(gòu)住宅因此得到迅猛發(fā)展?？蚣堋误w系以及框架—混凝土剪力墻體系多應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)建筑中，常選用鋼柱、鋼管混凝土柱或鋼骨混凝土柱等作為框架柱[1，2]。對(duì)比鋼柱，鋼管混凝土柱更節(jié)省鋼材，能夠有效降低工程造價(jià)。近年來(lái)鋼管混凝土柱的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，很多已建的住宅采用了鋼管混凝土柱[3]。

T形截面柱常用于結(jié)構(gòu)的中柱，能夠避免房間內(nèi)墻體的局部凸起，便于室內(nèi)空間的合理規(guī)劃。相比于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土T形柱，鋼管混凝土T形柱中的核心混凝土受到周?chē)摴艿募s束，處于三向受壓狀態(tài)，提高了混凝土強(qiáng)度，進(jìn)而節(jié)省材料，并且能夠縮短工期，更加符合建筑節(jié)能的要求。

目前，不同學(xué)者對(duì)三種截面類(lèi)型鋼管混凝土組合T形柱進(jìn)行了研究，包括圖1所示的普通組合T形截面柱[4，5]、圖2所示的彎折鋼板與鋼管組成的T形截面柱[6-8]，以及圖3所示的多室式鋼管混凝土組合T形截面柱[9-11]。但針對(duì)不同類(lèi)型截面鋼管混凝土組合T形截面短柱的偏心受壓性能仍未有對(duì)比研究，因此本文將通過(guò)有限元軟件ABAQUS對(duì)上述三種鋼管混凝土組合T形截面短柱進(jìn)行偏心受壓模擬，對(duì)比分析其偏心受壓性能的不同。

1 材料本構(gòu)模型

1.1 混凝土本構(gòu)模型

鋼管混凝土組合T形截面柱由多個(gè)矩形鋼管混凝土分室組成，每個(gè)分室中，混凝土受到來(lái)自鋼管的約束作用，進(jìn)而長(zhǎng)期處于三向受壓狀態(tài)，因此素混凝土的本構(gòu)模型在鋼管混凝土組合T形柱中并不適用。韓林海約束混凝土模型[12]通過(guò)引入約束效應(yīng)系數(shù)，能夠更真實(shí)地反映出約束狀態(tài)下鋼管混凝土中核心混凝土的受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，因此本文將采用該約束混凝土模型來(lái)描述核心混凝土的受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系：

y=2·x-x2" （x≤1）"（xgt;1）" （1）

式中：x=？著/？著0；y=？滓/？滓0；？著0=？著c+800·？灼0.2·10-6；

？著c=（1 300+12.5f′c）·10-6；？灼=fyAs/fckAc；

？滓0=f′c；？濁=1.6+1.5/x；？茁0=f′c0.1/（1.2）。

采用損傷塑性模型作為約束混凝土的本構(gòu)模型[13]，模型中的具體參數(shù)如下：混凝土膨脹角為35°，流動(dòng)勢(shì)偏心率為0.1，雙軸抗壓強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度之比f(wàn)b0/fc0=1.16，拉壓子午線第二應(yīng)力不變量之比K為0.667，粘性參數(shù)為0.001。

受拉本構(gòu)模型采用Schneider模型[14]，表達(dá)式為：

？滓t=Ec？著t （0lt;？著t≤0.1f′c/Ec）f′c[0.1-（？著t-0.1f′c/Ec）] （0.1f′c/Eclt;？著t） （2）

1.2 鋼材本構(gòu)模型

鋼材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系選用文獻(xiàn)[12]建議的雙折線模型，其中強(qiáng)化階段的斜率為0.01倍彈性模量，表達(dá)式為：

？滓=Es？著 （0lt;？著≤fy/Es）fy+0.01Es（？著-fy/Es） （？著gt;fy/Es）" （3）

2 有限元模型建立

應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對(duì)三種截面類(lèi)型鋼管混凝土組合T形短柱進(jìn)行偏心受壓模擬，鋼管選用4節(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元（S4R），混凝土選用8節(jié)點(diǎn)三圍減縮積分單元（C3D8R），材料屬性由上述本構(gòu)關(guān)系得出。

為便于構(gòu)件的網(wǎng)格劃分，裝配時(shí)不同部件均設(shè)置為非獨(dú)立實(shí)例。鋼管之間的相互作用采用點(diǎn)集-點(diǎn)集的綁定約束的方式，鋼管和上下蓋板之間的相互作用方式也采用綁定約束。鋼管與核心混凝土之間的相互作用采用表面與表面接觸，以混凝土接觸面為主表面，鋼管接觸面作為從表面，接觸屬性中，切向行為的摩擦公式選用“罰”，摩擦系數(shù)取為0.25，法向行為選擇“硬”接觸，允許材料在計(jì)算過(guò)程中分離，但不允許材料在這個(gè)過(guò)程中相互穿透。試件上下端的蓋板在有限元分析時(shí)定義為剛體。

荷載通過(guò)設(shè)置邊界條件實(shí)現(xiàn)，兩端蓋板在加載點(diǎn)處的邊界條件設(shè)為鉸接，設(shè)置兩個(gè)分析步，對(duì)上端蓋板設(shè)置位移加載，第一個(gè)分析步設(shè)置位移變量為0.1mm，第二個(gè)分析步設(shè)置位移變量為10mm，有限元模型如圖4所示。

3 模型驗(yàn)證

本次模擬對(duì)照文獻(xiàn)[9]中的兩組試驗(yàn)工況，截面幾何尺寸如圖5所示，第一組多室式鋼管混凝土組合T型柱截面尺寸a×b×c為60mm×100mm×80mm，高度為450mm，鋼管厚度t為2.5mm；第二組截面尺寸a×b×c為60mm×120mm×60mm，高度為500mm，鋼管厚度t為2.5mm，兩組均承受軸心荷載作用。模擬與試驗(yàn)結(jié)果的荷載—撓度曲線對(duì)比如圖6所示，模擬曲線與試驗(yàn)曲線整體上吻合良好，說(shuō)明本文選用的混凝土本構(gòu)模型以及建立的ABAQUS有限元模型可以用于分析鋼管混凝土構(gòu)件組合T型截面柱的受壓性能。

4 模擬結(jié)果

設(shè)計(jì)有限元模型時(shí)，為了便利于后期的試驗(yàn)驗(yàn)證，有限元模型截面尺寸為：翼緣60mm×160mm，腹板60mm×100mm，上下兩端蓋板200mm×200mm ×10mm，鋼管厚度2.5mm，柱高500mm?；炷吝x用C40，鋼管選用Q345。按照上述過(guò)程，在ABAQUS軟件中建立三種截面類(lèi)型鋼管混凝土組合T形短柱的有限元模型，模型與圖4類(lèi)似。

4.1 偏心距的影響

以圖4中T形截面對(duì)稱(chēng)軸x軸正向?yàn)槠木嗾较?，?dāng)偏心距e分別為0mm、±10mm、±20mm時(shí)，三種截面類(lèi)型鋼管混凝土組合T形短柱的荷載—撓度曲線如圖7所示，可以看出，沿著同一方向偏心受壓時(shí)，三種截面類(lèi)型鋼管混凝土組合T形短柱的承載能力均隨著偏心距的增大而減少，與普通鋼管混凝土T形截面短柱保持一致。這是因?yàn)殡S著偏心距的增大，試件承受的軸向壓力保持不變，而試件承受的附加彎矩隨之增大，這將逐漸削弱試件的承載能力。

4.2 偏心方向的影響

由圖7（a）可以看出，軸心受壓時(shí)，多室式組合截面短柱的承載能力最高，彎折鋼板組合截面短柱與普通組合截面短柱的承載能力相差不多。這是因?yàn)槎嗍沂浇M合截面將整個(gè)T形截面劃分為三個(gè)分室，三個(gè)分室中的核心混凝土在承受軸向壓力的同時(shí)，也承受來(lái)自周?chē)摴艿膫?cè)向壓力，處于三向受壓狀態(tài)。彎折鋼板組合截面雖然也將整個(gè)T形截面劃分為三個(gè)分室，但由于只在翼緣的外伸部分進(jìn)行了分室劃分，中間的腹板部分延伸至截面頂部，使得這部分矩形尺寸較大，對(duì)核心混凝土的約束效應(yīng)沒(méi)有其他兩種截面中腹板的約束效應(yīng)顯著。普通組合截面將整個(gè)T形截面劃分為兩個(gè)分室，對(duì)比多室式組合截面，翼緣部分沒(méi)有進(jìn)行分室劃分，因此該類(lèi)截面翼緣部分核心混凝土的約束效應(yīng)不顯著，使得該類(lèi)截面短柱的承載能力低于多室式組合截面短柱的承載能力。同時(shí)相比于彎折鋼板組合截面，普通組合截面在腹板部分進(jìn)行了分室劃分，因此腹板部分核心混凝土的約束效應(yīng)更為顯著，彌補(bǔ)了翼緣部分約束效應(yīng)不足的短板，使得該類(lèi)截面短柱和彎折鋼板組合截面短柱的承載能力相差不多。

由圖7（b）—（c）可以看出，當(dāng)偏心方向?yàn)檎驎r(shí)，荷載偏向翼緣方向，多室式組合截面短柱的承載能力仍保持最高，彎折鋼板組合截面短柱的承載能力明顯高于普通組合截面短柱。這是因?yàn)槠姆较驗(yàn)檎驎r(shí)，荷載施加在翼緣部分，多室式組合截面翼緣部分的兩個(gè)分室會(huì)對(duì)其中的核心混凝土產(chǎn)生較好的約束效應(yīng)。彎折鋼板組合截面同樣將翼緣部分進(jìn)行了分室劃分，但由于只劃分了外伸部分，對(duì)于中間部分沒(méi)有進(jìn)行分室劃分，使得鋼管對(duì)核心混凝土的約束效應(yīng)提升有限，導(dǎo)致其承載能力低于多室式截面短柱。對(duì)于普通組合截面，由于該類(lèi)截面并未對(duì)翼緣部分進(jìn)行分室劃分，使得鋼管對(duì)其內(nèi)部核心混凝土的約束效應(yīng)最弱，導(dǎo)致其承載能力最低。

由圖7（d）—（e）可以看出，當(dāng)偏心方向?yàn)樨?fù)向時(shí)，荷載偏向腹板方向，多室式組合截面短柱的承載能力仍保持最高，普通組合截面短柱的承載能力與多室式組合截面短柱接近，且明顯高于彎折鋼板組合截面短柱。這是因?yàn)槠姆较驗(yàn)樨?fù)向時(shí)，荷載施加在腹板部分，多室式組合截面與普通組合截面對(duì)腹板部分的分室劃分相同，對(duì)腹板部分核心混凝土產(chǎn)生了相同的約束效應(yīng)，但多室式組合截面翼緣部分的進(jìn)一步分室劃分使翼緣部分的核心混凝土性能得到進(jìn)一步提升，使得多室式組合截面短柱的承載能力略高于普通組合截面短柱。彎折鋼板組合截面對(duì)于腹板部分沒(méi)有進(jìn)行分室劃分，因此腹板核心混凝土的約束效應(yīng)低于其他兩種截面，使得彎折鋼板組合截面短柱的承載能力最低。

4.3 鋼管厚度的影響

以偏心距e=10mm以及e=-10mm為例，將鋼管厚度t分別設(shè)置為1.5mm、2.5mm與3.5mm，分析鋼管厚度對(duì)三種截面類(lèi)型鋼管混凝土組合T形短柱偏心受壓性能的影響，荷載—撓度曲線如圖8所示。

圖8（a）為多室式組合截面短柱的荷載-撓度曲線，相比于t=1.5mm短柱，e=10mm條件下t為2.5mm與3.5mm時(shí)，承載能力分別提升了34.60%與73.07%，e=-10mm條件下t為2.5mm與3.5mm時(shí)，承載能力分別提升了34.9%與70.6%。圖8（b）為彎折鋼板組合截面短柱的荷載—撓度曲線，相比于t=1.5mm短柱，e=10mm條件下t為2.5mm與3.5mm時(shí)，承載能力分別提升了31.79%與64.51%，e=-10mm條件下t為2.5mm與3.5mm時(shí)，承載能力分別提升了31.5%與63.97%。圖8（c）為普通組合截面短柱的荷載—撓度曲線，相比于t=1.5mm短柱，e=10mm條件下t為2.5mm與3.5mm時(shí)，承載能力分別提升了30.08%與61.18%，e=-10mm條件下t為2.5mm與3.5mm時(shí)，承載能力分別提升了32.32%與65.5%。因此，在同一偏心距不同偏心方向時(shí)，鋼管厚度的增大對(duì)于三種截面類(lèi)型鋼管混凝土T形短柱承載能力的提升幅度相差不大。當(dāng)偏心方向?yàn)檎驎r(shí)，鋼管厚度的增大對(duì)多室式組合截面短柱承載能力的提升幅度最大，對(duì)彎折鋼板組合截面短柱承載能力的提升略高于普通組合截面短柱，兩者相差不大。當(dāng)偏心方向?yàn)樨?fù)向時(shí)，鋼管厚度的增大對(duì)多室式組合截面短柱承載能力的提升幅度仍為最大，對(duì)普通組合截面短柱承載能力的提升略高于彎折鋼板組合截面短柱，兩者同樣相差不大。

5 結(jié)論

（1）三種截面類(lèi)型鋼管混凝土組合T形短柱的承載能力均隨著偏心距的增大而減少，與普通鋼管混凝土T形截面短柱保持一致。

（2）荷載偏向翼緣方向時(shí)，多室式組合截面短柱的承載能力最高，彎折鋼板組合截面短柱的承載能力明顯高于普通組合截面短柱；荷載偏向腹板方向時(shí)，多室式組合截面短柱的承載能力仍保持最高，普通組合截面短柱的承載能力與多室式組合截面短柱接近，且明顯高于彎折鋼板組合截面短柱。

（3）鋼管厚度的增大對(duì)多室式組合截面短柱承載能力的提升幅度最大，荷載偏向翼緣方向時(shí)，對(duì)彎折鋼板組合截面短柱承載能力的提升略高于普通組合截面短柱；荷載偏向腹板方向時(shí)，對(duì)普通組合截面短柱承載能力的提升略高于彎折鋼板組合截面短柱。

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