自密实轻骨料钢管混凝土柱力学性能有限元分析

何林峰 吴辉琴 胡强 李佳成 朱真 刘星池

摘 要：为深入研究自密实轻骨料钢管混凝土柱的力学性能，探讨偏心距、套箍系数、长细比等参数对自密实轻骨料钢管混凝土柱力学性能的影响规律，应用ABAQUS有限元软件对已完成的自密实轻骨料钢管混凝土柱轴压试验进行非线性分析，验证模型的有效性，建立了不同参数下的构件模型。结果表明分析结果与试验结果吻合良好：构件的承载力随着偏心距的增大而大幅度下降；长细比对构件的承载力影响相对于套箍系数略大；加载初期，钢管对混凝土的约束作用不明显，达到峰值荷载后，构件在1/2高度处的环向应力迅速增加，钢管对混凝土有顯著的约束作用；构件的破坏类型均属于失稳破坏。

关键词：自密实混凝土；轻骨料混凝土；钢管混凝土柱；承载力；偏压

中图分类号：TU528.2 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.03.006

0 引言

如今高层、超高层以及大跨度的建筑已经比较普遍，但这类建筑往往需要有更加合理的材料和结构才能满足其实际的要求[1-3]。钢管混凝土柱具有良好的承载能力，钢管对混凝土的约束作用抑制了混凝土裂缝的延伸，提高了混凝土的耐久性和承载能力，混凝土加到钢管中也使得钢管的延性和稳定性增大[4-6]。普通混凝土虽然有良好的力学性能，但其自重大，抗裂性能差，搅拌需要人工振捣，施工不便。研究人员研发出一种新型技术——轻骨料混凝土技术，具有代表性的轻骨料有页岩陶粒、粉煤灰陶粒等，轻骨料混凝土具有自重轻、耐火性好、抗震性能佳的优势，可满足大跨、高层结构的建筑要求，但其流动性不强，灌溉还需振捣，导致施工不便[7-8]。而自密实混凝土可以有效解决这一难题，自密实混凝土流动性强，无需振捣，稳定性强，耐久性高，能有效缩短工期[9-10]。目前自密实混凝土、轻骨料混凝土和钢管混凝土在欧美国家的应用已经相当广泛，但因其技术尚未成熟，在国内实际工程中的应用还较少。近年来，我国开始大力推动建筑新技术的研发，《2021年建筑业10项新技术》中包括了自密实混凝土、轻骨料混凝土、钢管混凝土组合结构3项技术。

目前对自密实混凝土、轻骨料混凝土、钢管混凝土方面的相关研究取得了一定的进展。郑宏宇等[11]以陶粒作为轻骨料，以混凝土强度、套箍系数作为变量，研究薄壁圆钢管约束轻骨料混凝土柱的轴心受压性能；曾志伟等[12]以混凝土的强度为参数，研究高强钢管混凝土柱的轴压力学性能；王晓琴等[13]把不同骨料形状、不同骨料占比作为参数，研究自密实混凝土的单轴力学性能。

当前把自密实混凝土、轻骨料混凝土、钢管混凝土组合结构3项技术结合起来研究也有相关文献报道。李书明等[14]对钢管自密实轻骨料混凝土和钢管普通混凝土进行对比分析，研究轴压应力-应变变化规律；胡强等[15]以含钢率、长细比为参量，以陶粒作为轻骨料，分析钢管自密实轻骨料混凝土柱的轴压力学性能。这些研究结果表明钢管自密实轻骨料混凝土柱的轴压力学性能优异，其自重轻、承载力高且施工方便，可应用于高层和大跨度建筑结构中，但目前大多数学者仅对自密实轻骨料钢管混凝土的轴压力学性能进行研究。考虑到实际工程中构件往往会受到偏压荷载的影响，因此，本文将自密实混凝土、轻骨料混凝土、钢管混凝土组合结构3项技术相结合，构建自密实轻骨料钢管混凝土柱，并以实际工程情况和需求为基础，应用ABAQUS有限元软件对自密实轻骨料钢管混凝土柱的偏压力学性能进行深入探讨，为实际工程提供理论参考。

1 试验概况

试验设计了7根C50轻骨料钢管混凝土柱[15]，在构件轴心受压状态下，考虑偏心距（e）、套箍系数（η）、长细比（λ）等对构件受力性能的影响。试件使用900圆球型免烧结粉煤灰陶粒，P·O52.5级普通硅酸盐水泥，Ⅱ区河沙，一级粉煤灰，普通自来水以及减水剂和膨胀剂。钢管外直径为159、194、219 mm，壁厚为4、5、6 mm，高为650、800、970、1 000、1 100 mm；钢管上下垫板尺寸均为220 mm×220 mm×10 mm；陶粒轻骨料基本性能见表1，自密实轻骨料混凝土配合比见表2。

试验采用500 t液压万能试验机进行竖向静力加载。构件位于压力机中心轴处，加载方向竖直向上，构件采用分级单调加载制度，在压力机下板左右各放置一个位移计（A1，A2），在构件中部位置两侧各布置一个位移计（A3，A4）；在钢管外表面中部位置每隔90°布置一个纵向和横向的应变片。加载装置、位移计、应变片布置位置及实物图如图1所示。

2 有限元模型建立

采用ABAQUS有限元软件对构件进行分析，首先对已完成试验的构件进行数值模拟并验证模拟结果的有效性；然后拓展其参数变化，分析其对构件受力性能的影响。模拟构件参数见表3。

2.1 材料本构关系

2.1.1 混凝土本构与损伤因子

混凝土选用塑性损伤模型，混凝土的材料属性由前期试验得出，见表4。很多钢管混凝土柱中核心混凝土的本构关系都是根据单轴应力-应变关系全曲线统一计算式得出，导致实验与模拟出来的结果相差过大。由于构件为钢管和混凝土的组合结构，核心轻骨料混凝土受到钢管的套箍作用，故混凝土本构关系采用轴对称三轴受压本构模型[16]，其公式为式（1），本构曲线如图2所示。采用的压缩和拉伸塑性损伤因子参照文献[17]，考虑拉伸刚度恢复因子为0，压缩刚度恢复因子为1，拉伸到压缩时裂缝闭合，刚度恢复，从压缩到拉伸裂缝仍然存在，刚度不恢复。

2.1.2 钢管本构

钢管为Q235，钢材在弹性阶段的类型选为各向同性，钢材材料性能由前期试验得出，见表5。钢管混凝土柱中的钢管在受压状态下往往会经历弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和二次塑流阶段4个阶段，因此钢材的本构关系采用弹塑性模型[18]，其计算公式为式（2），模型图如图3所示。

2.2 单元选取

混凝土和上下垫板选取C3D8R（八结点线性六面体减缩积分）三维实体单元，钢管厚度方向的剪切变形量较小，厚度与跨度的比值小于1/15时属于薄壁壳，故本文中的模型选用S4R（四结点曲面薄壳减缩积分）壳单元。网格划分如图4所示。

2.3 界面关系处理

接触分析中的接触是由主面和从面构成，在模拟过程中接触方向总是主面的法线方向，从面上的结点不会穿过主面，但主面能穿过从面，所以主面应考虑刚度较大的部件。本次模型由4个部件组成：钢管、混凝土、上垫板、下垫板。部件之间需要进行接触分析：1）将上垫板的下底面设为主表面，混凝土的上顶面设为从表面，对混凝土与上垫板进行绑定；2）下垫板的上顶面设为主表面，混凝土的下底面设为从表面，对下垫板和混凝土进行绑定；3）混凝土的侧表面设为主表面，钢管的内表面设为从表面，对混凝土和钢管进行绑定；4）在下垫板的下底面设置参考点RP-1，将RP-1点和下垫板的下底面进行耦合；5）在上垫板的上顶面设置参考点RP-2，将RP-2点和上垫板的上顶面进行耦合。

3 模型验证

为了验证模型与试验构件力学性能数据的吻合度，证明模型的有效性，本文对试验构件进行有限元分析。以A-0为例，模拟结果如图5所示，在轴向力作用下，有限元模型破坏形态与试验相同，钢管中部发生弯曲，钢管上下两端有微小鼓起。由图6可知，试验与模拟的荷载-位移曲线的上升段、下降段、强化段一致；模拟的峰值荷载略高，与试验的峰值荷载相差9%。因此，说明了该有限元模型的有效性。

4 参数分析

4.1 构件参数

在轴压试验的基础上，将加载方向沿压力机中心轴处水平向右移动，以A-0构件为基础，考虑不同偏心距、套箍系数和长细比的影响，分析构件在偏压荷载状况下的力学性能。构件基本信息见表6，各构件均属于中长柱，上下垫板尺寸设为270 mm×270 mm×40 mm。

4.2.1 变形能力

各构件的变形过程基本相似。构件初始侧向变形很小，此时构件处于理想的受压状态；随着承载力的增加，侧向变形加大，构件截面处于偏压状态；当承载力达到极限时，柱子发生失稳破坏，该破坏属于弹塑性失稳破坏，破坏形态见图7。

4.2.2 荷载-位移曲线

图8为构件的荷载-位移曲线图。从图8（a）可知，偏心距对构件的强度影响较大。随着偏心距的增大，极限承载力大幅下降，A-3较A-1承载力下降了38.6%；同时曲线下降段逐渐变得平稳；初始刚度略微降低，这是由于偏心距改变了构件截面纵向应力的梯度分布，进而改变截面横向应力的梯度分布，减弱钢管对混凝土的套箍作用，使得构件承载力急剧下降。

从图8（b）可知，随着套箍系数的增加，曲线上升几乎不变，初始刚度几乎无变化，但下降段变陡，而极限承载力出现小幅度增加，B-2较A-2承载力提高5.3%。钢管混凝土柱在受荷初期套箍效应较弱，各构件相差不大，到后期钢管对混凝土产生的套箍作用增大，构件具有较明显的强化段，增加了混凝土的韧性和强度。

中长柱在纵向受荷状态下会出现较大的挠曲导致附加弯矩产生，尤其是在偏压状态下这种现象更为显著。由图8（c）可知，隨着长细比的加大，构件的挠度增加越快，更易产生二阶效应，极限承载力降低越快。C-2较A-2承载力降低10.5%，且初始刚度略微降低；到后期阶段，A-2有明显的强化段，C-1没有强化段，C-2只有下降段，表明该阶段钢管对混凝土的约束能力随着长细比的加大而减少。

4.2.3 荷载-应力曲线

以构件A-3为例，研究其1/2高度处受拉侧、受压侧和形心轴处的荷载-应力曲线，如图9所示，介绍纵向应力与环向应力。由图9可以看出，加载初期，受拉侧的环向应力几乎为0，纵向应力增长缓慢，受压侧和形心轴处的环向应力较低，但纵向应力迅速增加，说明钢管对受拉侧混凝土的约束作用在加载初期时较小，而对受压侧和形心轴处混凝土的约束作用略大；峰值荷载后，受拉侧、受压侧和形心轴处的环向应力迅速增加，由横向的压应力过渡为拉应力，受压侧和形心轴处的纵向压应力均缓慢减少。当荷载下降至峰值荷载的80%左右时，受压侧和形心轴处的环向应力变化几乎一样，钢管受拉侧处于双向受拉状态。

5 结论

1）有限元模型分析结果与试验结果吻合。分析结果表明，自密实轻骨料钢管混凝土柱具有较好的力学性能。

2）自密实轻骨料钢管混凝土柱在受偏压荷载初期，其中部的环向应力较小，钢管对混凝土几乎无约束作用；峰值荷载之后构件A-3钢管受拉侧环向应力从-10 MPa过渡到100 MPa，受压侧环向应力从0过渡到140 MPa，形心轴处环向应力从-8 MPa过渡到130 MPa，环向约束力有增强的趋势。

3）偏心距的改变会引起自密实轻骨料钢管混凝土柱截面横向应力梯度分布的改变，大大减少钢管对混凝土的套箍作用，构件A-3较A-1承载力下降了38.6%，偏心距对自密实轻骨料钢管混凝土柱的承载力影响较大。

4）偏压荷载下，构件A-2、B-1和B-2的承载力逐步提高，其中B-2较A-2承载力提高5.3%，可得出，随着套箍系数的加大，自密实轻骨料钢管混凝土柱的承载力增加，构件强化阶段明显，可加强混凝土的强度和韧性。

5）构件A-2、C-1和C-2的承载力逐渐减少，其中C-2较A-2承载力降低10.5%，可得出：随着长细比的增加，偏压状态下自密实轻骨料钢管混凝土柱产生的挠度增大，产生的二阶效应更为明显，构件的承载力降低。

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Finite element analysis of mechanical properties of self-compacting lightweight aggregate concrete-filled steel tube columns

HE Linfeng， WU Huiqin*， HU Qiang， LI Jiacheng， ZHU Zhen， LIU Xingchi

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： To study the mechanical properties of self-compacting-lightweight aggregate-concrete-filled steel tube columns （SLCST） and explore the effect of eccentric distance， hoop coefficient and slenderness ratio on the mechanical properties of SLCST， ABAQUS finite element software is used to carry out nonlinear analysis on the completed axial compression test of SLCST， verify the effectiveness of the model and establish the component model under different parameters. The results show that the analytical results are in good agreement with the experimental results： The bearing capacity of the component decreases significantly with the increase of eccentric distance; The slenderness ratio has a greater effect on the bearing capacity than the hoop coefficient; At the beginning of loading， the steel pipe has a weak constraint effect on concrete， after the peak loading， the hoop stress at 1/2 height of the component increases rapidly， and the steel pipe has a significant constraint effect on concrete hoop; The failure types of components all belong to instability failure.

Key words： self-compacting concrete; lightweight aggregate concrete; concrete-filled steel tube columns; bearing capacity; eccentric compression

（责任编辑：罗小芬）