錐形高強(qiáng)中空夾層薄壁鋼管混凝土構(gòu)件的彎扭性能研究

李正發(fā)，彭 星，梁巖濤，李博凡，黃林柯，王先鐵

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司建設(shè)分公司，甘肅 蘭州 730050；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件(Concrete-Filled Double Skin Steel Tubular，簡稱CFDST)是由同心放置的內(nèi)、外鋼管與夾層混凝土組成的一種組合構(gòu)件.這類構(gòu)件相比于鋼管混凝土構(gòu)件，截面更為開展，在復(fù)雜工況下承載力高且自重較輕.近年來，CFDST構(gòu)件在輸電桿塔、高架橋橋墩、風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒及海洋平臺柱等工程中得到廣泛應(yīng)用[1-2].為了減輕構(gòu)件自重，實(shí)現(xiàn)預(yù)制裝配，并適應(yīng)結(jié)構(gòu)的受力特征，可采用高強(qiáng)鋼與高強(qiáng)混凝土組成的大空心率、大徑厚比的錐形中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件.

國內(nèi)外學(xué)者對CFDST構(gòu)件的力學(xué)性能開展了一系列研究.堯國皇等[3]對CFDST構(gòu)件進(jìn)行了有限元分析，分析中考慮鋼管初應(yīng)力的影響，推薦了構(gòu)件抗彎剛度計算公式.史艷莉等[4]對8個大空心率的方套圓CFDST構(gòu)件進(jìn)行橫向撞擊試驗(yàn)，研究構(gòu)件的撞擊受力性能；Chen等[5]對7個十二邊形CFDST構(gòu)件進(jìn)行純彎試驗(yàn)研究和有限元分析；周緒紅等[6]研究了不同截面形式和空心率的CFDST柱在往復(fù)扭轉(zhuǎn)下的滯回性能；羅偉等[7]運(yùn)用有限元軟件ABAQUS建立了CFDST結(jié)構(gòu)塔筒在純扭往復(fù)荷載作用下的有限元模型，提出了該類構(gòu)件的抗扭承載力簡化計算方法.以往對錐形中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件的研究相對較少，且多集中于構(gòu)件軸壓與偏壓力學(xué)性能的研究.Han等[8]通過試驗(yàn)研究了錐度對中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件軸壓承載性能的影響；Ghasem等[9]對錐形CFDST構(gòu)件進(jìn)行抗震性能研究，外鋼管截面形狀為矩形，內(nèi)鋼管截面形狀分別為方形、菱形和圓形；韓祎等[10]采用有限元軟件ABAQUS分析了圓錐形CFDST構(gòu)件的壓彎剪受力性能，得到了構(gòu)件的破壞狀態(tài)與受力機(jī)理.上述研究多集中于普通強(qiáng)度鋼管和普通強(qiáng)度混凝土組成的CDFST構(gòu)件，且研究參數(shù)大多數(shù)在規(guī)范限值以內(nèi)，尚未開展采用高強(qiáng)材料且空心率和徑厚比超限的錐形中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件的彎扭性能研究.

對采用Q690鋼材和C120混凝土的錐形中空夾層薄壁鋼管混凝土構(gòu)件(Tapered High Strength Thin-Walled Concrete-Filled Double Skin Steel Tubular構(gòu)件，簡稱THSTW-CFDST構(gòu)件)開展彎扭性能研究，分析該類構(gòu)件的彎扭性能、破壞形態(tài)和受力機(jī)理，并研究不同參數(shù)對構(gòu)件彎扭性能的影響.

1 有限元模型

1.1 模型建立

錐形高強(qiáng)中空夾層薄壁鋼管混凝土構(gòu)件的示意圖如圖1所示，試件的主要參數(shù)為內(nèi)鋼管徑厚比(Di/ti)、外鋼管徑厚比(Do/to)、空心率(χ=Di/(Do-2to))以及內(nèi)外鋼管是否設(shè)置縱向加勁肋.其中：Di、ti分別為內(nèi)鋼管直徑和壁厚；Do、to分別為外鋼管直徑和壁厚.

采用有限元軟件ABAQUS對THSTW-CFDST彎扭構(gòu)件進(jìn)行單向荷載作用下的數(shù)值模擬分析.Q690鋼材選用雙折線模型，彈性模量取206 GPa，屈服強(qiáng)度取690 MPa，泊松比取0.3.混凝土立方體抗壓強(qiáng)度取120 MPa，彈性模量Ec取4.49×104MPa，泊松比取0.20.混凝土采用ABAQUS中的塑性損傷模型，其塑性參數(shù)取值如表1所示，選用的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變模型計算公式如下[11].

表1 混凝土塑性參數(shù)

(1)

(2)

σ0=fc

(3)

ε0=εc+800×10-6·ξ0.2

(4)

εc=(1 300+12.2fc)·10-6

(5)

η=2

(6)

(7)

(8)

式中：Ac為夾層混凝土的橫截面面積；As為鋼管的橫截面面積；fck為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fy為鋼材屈服強(qiáng)度；fc為混凝土的圓柱體抗壓強(qiáng)度.

內(nèi)、外鋼管采用4節(jié)點(diǎn)完全積分的殼單元(S4)，其余部分采用8節(jié)點(diǎn)減縮積分實(shí)體單元(C3D8R).對模型進(jìn)行劃分時，盡量使混凝土、內(nèi)鋼管、外鋼管和加勁肋的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格重合.內(nèi)外鋼管、加勁肋和混凝土之間為面-面接觸，界面接觸模型由法線方向的接觸和切向的粘結(jié)滑移組成.法向方向的接觸采用“硬”接觸模擬，切向方向采用庫倫摩擦模型，鋼與混凝土接觸摩擦系數(shù)取0.6[11]，鋼與鋼接觸摩擦系數(shù)取0.3[12]，加勁肋分別與內(nèi)外鋼管綁定，端板與內(nèi)外鋼管綁定.

THSTW-CFDST彎扭構(gòu)件有限元模擬邊界條件如圖2所示.

其中，底部端板完全固定，約束所有方向的平動和轉(zhuǎn)動，以模擬構(gòu)件底部固接.上端板與加載梁綁定，模擬試驗(yàn)加載情況，采用位移加載，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件彎扭受力.

1.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證有限元建模方法的準(zhǔn)確性，對文獻(xiàn)[13]中的試件進(jìn)行有限元建模分析.試件尺寸如表2所示.

表2 試件參數(shù)

有限元與試驗(yàn)的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線和破壞形態(tài)對比如圖3、圖4所示.

由圖可知，有限元與試驗(yàn)試件的初始剛度、極限承載力和破壞模式基本一致，說明該建模方法可準(zhǔn)確地模擬試件受力情況.

2 受力機(jī)理分析

基于上述建模方法，采用有限元軟件ABAQUS，建立THSTW-CFDST構(gòu)件的彎扭受力模型，構(gòu)件的基本參數(shù)如表3所示.根據(jù)構(gòu)件在實(shí)際不同工況下的受力狀態(tài)，結(jié)合文獻(xiàn)[14]中彎扭試驗(yàn)選取的彎扭比，確定彎扭比取值.

表3 彎扭構(gòu)件參數(shù)

2.1 破壞形態(tài)

各構(gòu)件破壞形態(tài)如圖5所示，其中，WN-1A-0.98中WN-1A為構(gòu)件編號，0.98為構(gòu)件的彎扭比.由圖可知，彎扭比對構(gòu)件的破壞形態(tài)影響較大.當(dāng)彎扭比較小(0.98)時，構(gòu)件發(fā)生明顯扭轉(zhuǎn)，受壓區(qū)明顯鼓曲，鼓曲呈45°螺旋狀，且鋼管表面出現(xiàn)明顯的45°應(yīng)力分布帶(圖5(a))；受拉區(qū)外鋼管底部與下端板連接處開裂(圖5(b))，且在扭矩作用下，開裂處向加載端環(huán)向延伸，為彎扭組合破壞.當(dāng)彎扭比為1.48時，構(gòu)件破壞形態(tài)類似于彎扭比較小的情況，但由于彎矩作用的增大，在受壓側(cè)外鋼管下部出現(xiàn)應(yīng)力集中，沒有明顯的45°應(yīng)力分布帶，且鼓曲更為水平(圖5(c))，斜率低于小彎扭比的情況；受拉側(cè)的斷裂與小彎扭比一致(圖5(d))，同樣出現(xiàn)45°的拉力帶，但并不明顯，同樣為彎扭組合破壞.當(dāng)彎扭比較大(2.95)時，構(gòu)件破壞形態(tài)類似于受彎構(gòu)件，在構(gòu)件底部受壓區(qū)出現(xiàn)明顯鼓曲(圖5(e))，部分構(gòu)件出現(xiàn)螺旋狀鼓曲，同時由于剪應(yīng)力的影響，角部混凝土處于三向受壓的復(fù)雜受力狀態(tài)，呈現(xiàn)出斜壓柱的傳力特點(diǎn).

2.2 構(gòu)件彎扭受力機(jī)理

保持構(gòu)件底面尺寸不變，對同等條件下無錐度的中空夾層鋼管混凝土彎扭構(gòu)件進(jìn)行有限元分析.圖6為兩類構(gòu)件的扭矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線對比.由圖可知，二者的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線趨勢基本一致，無錐度構(gòu)件的剛度略大于THSTW-CFDST構(gòu)件，二者的抗扭承載力差別不大，但變截面構(gòu)件的受力更合理.

通過對THSTW-CFDST構(gòu)件在彎扭荷載作用時各部件的應(yīng)力發(fā)展過程進(jìn)行分析，可知構(gòu)件的受力分為三個階段，如圖6所示.

(1)彈性階段(OA段)

A點(diǎn)為外鋼管截面纖維最大應(yīng)變?yōu)?0 000×10-6時對應(yīng)的扭矩[15].在此階段，隨著轉(zhuǎn)角的不斷增大，扭矩呈線性增長.在彎矩和扭矩共同作用下，受壓區(qū)外鋼管與混凝土之間幾乎沒有相互作用，內(nèi)鋼管與混凝土之間的相互作用力很小，鋼管和混凝土均單向受壓，雙向受剪；而受拉區(qū)外鋼管和內(nèi)鋼管的橫向變形被夾層混凝土限制，產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力.接近A點(diǎn)時，外鋼管開始屈服，并逐漸向內(nèi)發(fā)展，隨即外鋼管受壓區(qū)、加載端上部和內(nèi)鋼管受拉區(qū)達(dá)到屈服.

(2)彈塑性階段(AB段)

隨著荷載繼續(xù)增大，扭矩與轉(zhuǎn)角呈非線性關(guān)系.在彎矩和扭矩共同作用下，外鋼管受拉區(qū)屈服后，逐漸向內(nèi)發(fā)展，隨即外鋼管受壓區(qū)、加勁肋、內(nèi)鋼管受拉區(qū)和受壓區(qū)先后屈服，受壓區(qū)混凝土承受的縱向應(yīng)力和剪應(yīng)力繼續(xù)增加，受壓區(qū)外鋼管與夾層混凝土接觸，相互作用逐漸增大，鋼管與混凝土均處于復(fù)雜受力狀態(tài).隨著荷載增加，外鋼管受壓區(qū)出現(xiàn)鼓曲，彎扭比較小構(gòu)件的內(nèi)鋼管出現(xiàn)內(nèi)凹屈曲.B點(diǎn)為THSTW-CFDST構(gòu)件進(jìn)入塑性階段的起點(diǎn).

(3)塑性強(qiáng)化階段(BC段)

鋼管大面積屈服后，夾層混凝土雖然已經(jīng)出現(xiàn)了裂縫，但由于內(nèi)外鋼管的約束，仍不會發(fā)生破碎，且有效抑制了外鋼管的內(nèi)凹屈曲，從而使構(gòu)件的抗扭承載力繼續(xù)增大，構(gòu)件表現(xiàn)出良好的塑性.C點(diǎn)時構(gòu)件發(fā)生破壞.

2.3 界限彎扭比

不同彎扭比下，THSTW-CFDST構(gòu)件的破壞形態(tài)不同，為全面了解彎扭比對其受力性能的影響，選取空心率和徑厚比均超限的WN-1構(gòu)件為研究對象，分別在彎扭比m為0.25、0.33、0.4、0.5、0.67、0.84、1、1.11、1.25、1.47、1.67、2、3、4、5、6、8和10時對構(gòu)件進(jìn)行非線性有限元分析，得到的扭矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線圖7所示.按文獻(xiàn)[3]確定不同彎扭比時構(gòu)件的抗扭屈服承載力Tu，取構(gòu)件WN-1純扭狀態(tài)下的抗扭承載力為Tmax，繪制Tu/Tmax關(guān)系曲線，如圖8所示.

由圖可知，當(dāng)彎扭比m≤0.3時，隨著彎扭比增大，后期抗扭承載力減小，構(gòu)件小頭發(fā)生破壞.當(dāng)彎扭比0.36時，抗扭承載力的變化幅值開始減小，構(gòu)件后期延性降低，當(dāng)外鋼管開始鼓曲時，拉應(yīng)變較大，曲線沒有明顯屈服平臺，構(gòu)件承載力下降，最終在大頭處發(fā)生破壞.

綜上所述，當(dāng)彎扭比m≤0.3時，構(gòu)件發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞；當(dāng)0.36時，構(gòu)件發(fā)生彎曲破壞.當(dāng)m≤0.84時，破壞截面為構(gòu)件小頭；當(dāng)m>0.84時，破壞截面為構(gòu)件大頭.

3 參數(shù)分析

為明確不同參數(shù)對THSTW-CFDST彎扭構(gòu)件受力性能的影響規(guī)律，建立不同參數(shù)的足尺分析模型.參考110 kV鋼管輸電桿的截面尺寸，確定基本模型的幾何尺寸，構(gòu)件長度為8 000 mm，外鋼管大/小頭尺寸為?1 200/1 040×12，內(nèi)鋼管大/小頭尺寸為?970/810×11.鋼管均采用Q690鋼材，混凝土強(qiáng)度等級為C120.為延緩薄壁鋼管屈曲，增加了給內(nèi)、外鋼管配置縱向加勁肋的對比組.

3.1 空心率

彎扭比取m=1，空心率的變化范圍為0.62～0.92，構(gòu)件的外鋼管直徑和壁厚相同.在改變空心率的同時，內(nèi)鋼管徑厚比基本保持一致.THSTW-CFDST構(gòu)件的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖9所示.隨著空心率增大，構(gòu)件的極限承載力和剛度均增大.當(dāng)空心率由0.62增大到0.92時，無肋構(gòu)件的抗扭承載力提高43.52%，帶肋構(gòu)件的抗扭承載力提高40.41%，帶肋構(gòu)件抗扭承載力較無肋構(gòu)件高2.73%～5.01%.這是由于空心率增大是通過改變內(nèi)鋼管直徑實(shí)現(xiàn)，內(nèi)鋼管直徑增大，夾層混凝土厚度減小.考慮到在空心率達(dá)到0.86時，通過增大空心率的方法來提升構(gòu)件抗扭承載力的效率較低，并且過大的空心率會給構(gòu)件帶來局部穩(wěn)定問題，因此建議構(gòu)件的空心率不宜大于0.86.

不同空心率時，外鋼管與夾層混凝土之間的相互作用力在極限狀態(tài)下沿高度變化曲線如圖10所示，其中P和N分別為外鋼管與夾層混凝土在受壓區(qū)和受拉區(qū)的相互作用力，負(fù)號為受壓區(qū).隨著空心率增大，無肋構(gòu)件和帶肋構(gòu)件中外鋼管和夾層混凝土之間的相互作用均減小，無肋構(gòu)件的變化幅度大于帶肋構(gòu)件.由于加勁肋的設(shè)置，帶肋構(gòu)件相互作用力沿高度從上到下逐漸減小，斜率大于無肋構(gòu)件，這是由于加勁肋提高了構(gòu)件的整體性.上端板扭轉(zhuǎn)帶動外鋼管轉(zhuǎn)動，無肋構(gòu)件在加載后期上部鋼管變形較大，與混凝土產(chǎn)生擠壓，相互作用力增大.無肋構(gòu)件與帶肋構(gòu)件底部相互作用力突然增大，其原因?yàn)閺澗卦诘撞孔畲?，彎扭耦合作用下，?gòu)件底部發(fā)生應(yīng)力集中，混凝土被壓碎.

3.2 錐度

錐度的取值范圍為0.29～1.43，通過改變小頭截面尺寸改變構(gòu)件錐度.THSTW-CFDST構(gòu)件在彎扭比為1時的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖11所示.隨著錐度增大，構(gòu)件的極限承載力和剛度均減小，構(gòu)件極限扭轉(zhuǎn)角也減小.當(dāng)錐度由0.29增大到1.43時，無肋構(gòu)件的抗扭承載力降低95.71%，帶肋構(gòu)件的抗扭承載力降低92.71%，帶肋構(gòu)件抗扭承載力比無肋構(gòu)件大2.54%～4.87%，這是由于錐度變化導(dǎo)致構(gòu)件破壞截面發(fā)生變化.當(dāng)θ≥0.43時，構(gòu)件在彎扭比為1時的破壞截面為構(gòu)件小頭處；當(dāng)θ<0.43時，構(gòu)件在彎扭比為1時的破壞截面為構(gòu)件大頭處.建議構(gòu)件錐度不宜超過0.72.

不同錐度時，外鋼管與夾層混凝土之間的相互作用力在極限狀態(tài)下沿高度變化曲線如圖12所示，其中,P和N分別為外鋼管與夾層混凝土在受壓區(qū)和受拉區(qū)的相互作用力，負(fù)號為受壓區(qū).當(dāng)錐度較小(θ=0.29)時，構(gòu)件相互作用力沿高度大小基本一致，隨著錐度增大，構(gòu)件底部相互作用力減小，頂部相互作用力增大；當(dāng)θ=1.43時，受壓區(qū)在距頂部3/10處相互作用力與θ=0.29相等，受壓區(qū)在構(gòu)件中部的相互作用力與θ=0.29相等.錐度對無肋構(gòu)件的影響大于帶肋構(gòu)件，帶肋構(gòu)件的相互作用歷程曲線斜率大于無肋構(gòu)件，說明加勁肋提高了構(gòu)件的整體性，傳力更好.

3.3 外鋼管徑厚比

外鋼管徑厚比取值范圍為50～400，通過改變外鋼管壁厚改變外鋼管徑厚比.THSTW-CFDST構(gòu)件在彎扭比為1時的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖13所示.隨著外鋼管徑厚比增大，構(gòu)件抗扭承載力和剛度均減小.當(dāng)外鋼管徑厚比從50增大到150時，無肋構(gòu)件承載力下降94.76%，帶肋構(gòu)件承載力下降92.16%，設(shè)置加勁肋使構(gòu)件極限抗扭承載力分別提升0.94%、1.63%、1.82%、2.30%.隨著外鋼管徑厚比增大，其延性降低，對混凝土的約束減小，當(dāng)徑厚比較大時，加載后期，外鋼管僅中上部達(dá)到屈服，構(gòu)件頂部發(fā)生明顯扭轉(zhuǎn)破壞，建議外鋼管徑厚比不大于150.

圖14為不同外鋼管徑厚比時，外鋼管與夾層混凝土之間的相互作用力在極限狀態(tài)下沿高度變化曲線，其中，P和N分別為外鋼管與夾層混凝土在受壓區(qū)和受拉區(qū)的相互作用力，負(fù)號為受壓區(qū).隨著外鋼管徑厚比增大，外鋼管與混凝土之間的相互作用減小，其對帶肋構(gòu)件受壓區(qū)影響大于無肋構(gòu)件，對帶肋構(gòu)件受拉區(qū)影響小于無肋構(gòu)件，受壓區(qū)相互作用力大于受拉區(qū)，在彎矩作用下向受壓區(qū)彎曲，受拉區(qū)外鋼管約束混凝土裂縫擴(kuò)展.帶肋構(gòu)件歷程曲線斜率大于無肋構(gòu)件，說明加勁肋的設(shè)置可以提高構(gòu)件整體性.

3.4 內(nèi)鋼管徑厚比

內(nèi)鋼管徑厚比取值范圍為34～160，通過改變內(nèi)鋼管壁厚改變內(nèi)鋼管徑厚比.THSTW-CFDST構(gòu)件在彎扭比為1時的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖15所示.隨著內(nèi)鋼管徑厚比增大，構(gòu)件抗扭承載力和剛度均減小.當(dāng)內(nèi)鋼管徑厚比從34增大到160時，無肋構(gòu)件承載力下降70.55%，帶肋構(gòu)件承載力下降72.73%.設(shè)置加勁肋使構(gòu)件抗扭承載力分別提升2.85%、4.48%、1.82%、1.80%、1.54%、1.55%.

圖16為不同內(nèi)鋼管徑厚比時，外鋼管與夾層混凝土之間的相互作用力在極限狀態(tài)下沿構(gòu)件高度變化曲線，其中,P和N分別為外鋼管與夾層混凝土在受壓區(qū)和受拉區(qū)的相互作用力，負(fù)號為受壓區(qū).隨著內(nèi)鋼管徑厚比增大，構(gòu)件外鋼管與混凝土之間的相互作用減小，但影響較小，綜合整個構(gòu)件承載力變化可知，通過減小內(nèi)鋼管徑厚比提高構(gòu)件承載力容易造成材料浪費(fèi).

3.5 混凝土強(qiáng)度

不同混凝土強(qiáng)度等級的THSTW-CFDST構(gòu)件在彎扭比為1時的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖17所示.混凝土強(qiáng)度等級對構(gòu)件抗扭剛度影響較小，隨著混凝土強(qiáng)度等級提高，抗扭承載力有一定程度提高，但不明顯.當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級從C60提高到C120時，無肋構(gòu)件的抗扭承載力提高1.96%，帶肋構(gòu)件的抗扭承載力提高1.66%.設(shè)置加勁肋使構(gòu)件極限抗扭承載力分別提升2.11%、1.38%、1.79%、1.82%.混凝土對帶肋構(gòu)件的影響小于無肋構(gòu)件，這是由于無肋構(gòu)件在外鋼管達(dá)到屈服后，混凝土裂縫充分發(fā)展，受壓區(qū)裂縫間混凝土以“受壓桿”的形式繼續(xù)承擔(dān)荷載，而帶肋構(gòu)件由于加勁肋的設(shè)置，夾層混凝土形成密集的微裂縫，降低了混凝土的受壓承載力.

圖18為不同混凝土強(qiáng)度等級時，構(gòu)件外鋼管與夾層混凝土之間的相互作用力在極限狀態(tài)下沿構(gòu)件高度變化曲線，其中,P和N分別為外鋼管與夾層混凝土在受壓區(qū)和受拉區(qū)的相互作用力.混凝土強(qiáng)度等級對構(gòu)件外鋼管與混凝土之間的相互作用影響較小，各構(gòu)件相互作用變化趨勢基本一致.

3.6 內(nèi)鋼管強(qiáng)度

內(nèi)鋼管強(qiáng)度范圍為Q420～Q690.不同內(nèi)鋼管強(qiáng)度的THSTW-CFDST構(gòu)件在彎扭比為1時的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖19所示.內(nèi)鋼管強(qiáng)度對構(gòu)件抗扭剛度影響較小，隨著內(nèi)鋼管強(qiáng)度降低，抗扭承載力減小.當(dāng)內(nèi)鋼管強(qiáng)度等級從Q690降低到Q355時，無肋構(gòu)件的抗扭承載力降低19.73%，帶肋構(gòu)件的抗扭承載力降低20.15%.設(shè)置加勁肋使構(gòu)件的極限抗扭承載力分別提升1.82%、1.25%、1.40%、1.51%、1.46%.內(nèi)鋼管采用Q690和Q550鋼材的構(gòu)件，當(dāng)外鋼管開始屈服時，內(nèi)鋼管仍處于彈性階段；內(nèi)鋼管為Q355、Q420和Q460的構(gòu)件，當(dāng)外鋼管開始屈服時，內(nèi)鋼管已達(dá)到屈服強(qiáng)度.內(nèi)鋼管強(qiáng)度越低，構(gòu)件極限扭轉(zhuǎn)角越小，構(gòu)件越早達(dá)到極限承載力.內(nèi)鋼管對混凝土起到約束作用，影響構(gòu)件承載力，當(dāng)徑厚比或空心率較大時，內(nèi)鋼管強(qiáng)度較低越容易發(fā)生局部屈曲而降低承載力.因此，為充分發(fā)揮構(gòu)件材料的力學(xué)性能，建議內(nèi)鋼管強(qiáng)度與外鋼管保持一致.

不同內(nèi)鋼管強(qiáng)度時，外鋼管與夾層混凝土之間的相互作用力在極限狀態(tài)下沿構(gòu)件高度變化曲線如圖20所示，其中，P和N分別為外鋼管與夾層混凝土在受壓區(qū)和受拉區(qū)的相互作用力，負(fù)號為受壓區(qū).內(nèi)鋼管強(qiáng)度等級越低，外鋼管與夾層混凝土之間的相互作用力越小，其在極限承載力時材料強(qiáng)度發(fā)揮越不充分，各構(gòu)件的相互作用變化趨勢基本一致.

4 結(jié)論

(1)彎扭比對構(gòu)件的破壞形態(tài)影響較大.當(dāng)彎扭比較小時，構(gòu)件受壓區(qū)出現(xiàn)螺旋狀鼓曲，發(fā)生彎扭組合破壞.當(dāng)彎扭比較大時，構(gòu)件破壞形態(tài)類似于受彎構(gòu)件，在構(gòu)件底部受壓區(qū)鼓曲.帶肋構(gòu)件整體破壞形態(tài)與不帶肋構(gòu)件相似，縱向加勁肋的設(shè)置可以有效改善鋼管局部鼓曲；

(2)對于WN-1構(gòu)件，當(dāng)彎扭比m≤0.3時，構(gòu)件發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞；0.36時，構(gòu)件發(fā)生彎曲破壞；

(3)空心率、錐度、內(nèi)外鋼管徑厚比對錐形高強(qiáng)中空夾層薄壁鋼管混凝土彎扭構(gòu)件的抗扭承載力影響較為顯著，混凝土強(qiáng)度和內(nèi)鋼管強(qiáng)度對彎扭構(gòu)件的抗扭承載力影響較小.