钢管混凝土叠合柱研究综述

2023-01-12贾康

工程技术与管理 2022年10期

贾康

华北理工大学，中国·河北唐山 063000

1 引言

叠合柱是由在混凝土柱中心位置放置钢管，管内浇筑混凝土，之后在管外浇筑钢筋混凝土而成。混凝土具有承载力高，抗压能力强的特点，将混凝土填充进钢管，钢管约束形成套箍效应，增强管内混凝土的承载力。钢材具有强度高，塑性、韧性好的优点，但是耐腐蚀性和耐火性差，管外浇筑的钢筋混凝土可以对钢管起到保护隔绝作用，延长钢管的使用寿命。两者的结合可以减小柱的截面尺寸，增大室内使用空间，加快施工进度。叠合柱的应用与革新离不开对叠合柱的力学性能的探讨，这有着重要意义。虽然针对叠合柱的力学性能研究已开展了大量的工作，但仍存在众多问题需要做进一步的分析与讨论。

2 钢管混凝土叠合柱力学性能试验概述

钢管和混凝土的相互结合使得两者优势互补具有良好的复合作用，叠合柱在世界各地的各种结构中得到了越来越广泛的应用。主要从20世纪60年代开始，已经进行了大量的试验和分析研究来了解叠合柱的力学性能。根据这些研究，各国制定了不同的设计规范，以反映各自国家的设计理念和实践，如澳大利亚、中国[1]、日本、美国和欧洲国家。

近十几年来，许多商业软件的存在如ABAQUS和ANSYS，使得有限元技术在叠合柱建模中变得越来越流行。钢和混凝土构件之间的复合作用可以简便和直观通过有限元软件模拟出来，可以更精确地考虑不同的因素对结构力学性能的影响，如局部和整体缺陷，残余应力和边界条件。然而，有限元模型的预测精度受输入参数的影响很大，越精准的参数越需要大量的试验提供数据。为了达到这个目的，需要收集足够的试验数据来用于验证模拟的准确性。

从上世纪60年代开始，国外就对叠合柱开展研究，Tao等[5]对偏压长柱试验进行研究，分析得出试件在接近极限荷载时会在受压区出现较大破坏，钢材达到屈服，但混凝土并没有屈服且抗压强度只有30%。所以长细比较小的柱能具有更出色的抗压能力，而且对于压弯构件来说影响因素最大的是偏心率和承载力。Zhang[6]等制作10根高长细比混合柱，并对试件展开抗震性能检测。分析得出，影响试件抗震性能的主要因素为长细比和施加的荷载大小，长细比对于试件抗震性能的影响是最显著的。

Moon等[7]结合管内混凝土的约束效用推导出新的钢管混凝土轴压极限承载力的计算方法。结果表明，α随着D/t的增大而减小并且D/t对α的影响要比fc/fy显著得多，分析得出新公式可以的计算结果和试验的实测值有很不错的吻合度，可以用来计算钢管混凝土的轴压极限承载力。

3 钢管混凝土叠合柱有限元分析

尧国皇等[2]，以康洪震等[4]试验数据做参考，经由选用合理的材料本构关系模型，分别采用纤维模型法和有限元数值分析方法研究叠合柱轴压性能。经过有限元软件计算分析，模拟分析结果和实际进行的试验结果符合。

钢材和砼之间的有限元模拟经常选择面和面接触，可以限定由钢管的内表面和核心混凝土的外表面组成的接触面对。可以为界面指定法线方向上为“硬接触”，这允许界面在拉伸时分离，而在压缩时不穿透。但是短柱有不一样的设置，这是因为短柱中钢材和砼之间的滑移十分微小可以忽略。因此，柱的性能对钢和混凝土之间摩擦系数的选择影响十分微小。在目前的有限元模型中，砼和钢的泊松比分别取为0.2和0.3，这些数值经常在有限元数值模拟当中引用。

有很好的研究可以得到验证，初始局部缺陷和钢管初应力对钢管的性材性有十分显著的作用。然而，对于叠合柱，局部缺陷和初应力的影响会通过混凝土填充达到最小化，在当前的数值分析模拟中容易被忽略。蔡景明等[3]对4根钢筋增强叠合柱和7个组合柱进行抗震性能检测，研究多种因素对结构抗震性能的影响效果。结果表明，钢管强度的提高可以组合柱提高抗震性能，提高轴压比和钢管内混凝土的强度只对构件刚加载时刚度和峰值荷载有优化，对于构件屈服后的延性的影响较弱。

4 结语

①加载条件、长细比、含钢率和偏心率对于钢管混凝土叠合柱的承载力有明显影响，初应力、含钢率、钢材和混凝土强度，对叠合柱的强度有适度的影响。

②建立了钢管混凝土叠合柱的应力—应变关系，并考虑了钢管上初应力的影响。一般来说，在模拟值和实验值之间，应力—应变关系和极限强度得到了合理的一致。

③应该注意的是，约束混凝土总是很难精确建模。ABAQUS和大多数其他软件在反映这一点上有局限性，需要进一步研究来测量钢管内混凝土在加载过程中的侧向膨胀。因此，可以提出一个模型来描述钢管混凝土叠合柱中核心混凝土的轴向应变—侧向应变关系。然后可以为ABAQUS开发用户定义的材料子程序，以定义更合理的应变函数。这样，钢管与混凝土之间的围压可以由两个构件之间的相互作用来确定，应变规律不会与截面的几何参数直接相关。