中空夾層鋼套鋁管混凝土墩柱軸壓性能有限元分析

趙昱欽 麻子聰

摘要：為研究中空夾層鋼套鋁管混凝土墩柱的軸壓性能，文章采用ABAQUS有限元軟件對已有文獻的4個試件進行了模擬驗證，在可靠模型的基礎(chǔ)上進行了12個試件的參數(shù)分析，研究了長細比、鋼管屈服強度和鋁管屈服強度對該中空夾層鋼套鋁管混凝土墩柱軸壓性能的影響。結(jié)果表明：有限元計算得到的軸向荷載-位移曲線、破壞形態(tài)和峰值承載力與試驗結(jié)果吻合較高；隨著長細比的增大，試件的軸壓剛度和峰值承載力顯著降低，提高鋼管的屈服強度比提高鋁合金的屈服強度更能提高試件的軸壓承載力；通過最小二乘法提出了穩(wěn)定系數(shù)與長細比之間的數(shù)學關(guān)系式，并修正了該中空夾層鋼套鋁管混凝土墩柱現(xiàn)有軸壓承載力的計算方法，最大誤差在5%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：中空夾層；鋼套鋁管混凝土墩柱；軸壓性能；有限元分析

中圖分類號：U448.22? ?文獻標識碼：A

文章編號：1673-487（2024）01-0169-04

0 引言

中空夾層鋼管混凝土柱因其高承載能力和輕質(zhì)化特性而廣泛應(yīng)用于沉管隧道、橋墩、平臺柱、建筑結(jié)構(gòu)和高層建筑等領(lǐng)域［1］，其軸壓和抗震等力學性能已經(jīng)得到了廣泛研究［2-3］。然而，隨著對結(jié)構(gòu)輕量化需求的不斷增加，一些研究人員已經(jīng)開始研究鋁合金管混凝土柱的力學性能［4-5］。研究結(jié)果顯示，通過合理設(shè)計，鋁合金管可以替代鋼管成為主要的建筑材料。另外，在工程實踐中，中空夾層結(jié)構(gòu)存在內(nèi)管破壞或內(nèi)部放置重型設(shè)備而導致內(nèi)管侵蝕等問題［6-7］，這可能給整個結(jié)構(gòu)帶來不可逆轉(zhuǎn)的危害。而鋁合金管具有優(yōu)良的耐腐蝕性，可以有效應(yīng)對這一問題。對此，李兵等［8］對8根中空夾層鋼套鋁管混凝土短柱進行了軸心受壓試驗，結(jié)果表明，內(nèi)部鋁合金管的存在可以為夾層混凝土提供約束。

綜上所述，中空夾層鋼套鋁管混凝土柱具有廣闊的應(yīng)用前景和工程需求，然而對于該種組合柱的研究較為匱乏，且僅針對短柱進行研究，而在實際應(yīng)用中，長細比是影響組合柱性能的關(guān)鍵因素。因此，為進一步推進該種組合柱的研究和應(yīng)用，本文使用ABAQUS有限元軟件進行不同長細比、鋼管屈服強度和鋁合金強度的中空夾層鋼套鋁管混凝土柱的參數(shù)分析，并提出穩(wěn)定系數(shù)的計算方法，修正現(xiàn)有承載力計算公式，為該組合柱的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗概況

文獻［8］以截面中空率和內(nèi)鋁管壁厚為變化參數(shù)設(shè)計制作了8根中空夾層鋼套鋁管混凝土短柱，其中4根采用普通混凝土澆筑，4根采用輕質(zhì)混凝土澆筑，混凝土強度等級均為C30。試驗結(jié)果表明，采用輕質(zhì)混凝土澆筑的組合柱軸壓性能較差，因此本文僅選取了普通混凝土柱試件進行模擬驗證。所選取的試件截面設(shè)計構(gòu)造見圖1，設(shè)計參數(shù)見表1。

試驗所用的C30混凝土立方體的抗壓強度fcu=43.8 MPa。鋁合金管采用了3 mm和5 mm兩種厚度的鋁合金材料，其屈服強度fay分別為77.9 MPa和113.9 MPa，彈性模量分別為65 446 MPa和74 654 MPa，泊松比分別為0.35和0.32。試驗所用鋼管的屈服強度fy為306 MPa，彈性模量為16 400 MPa。

2 有限元模型的建立與驗證

2.1 材料本構(gòu)模型

混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［9］中提出的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，在ABAQUS軟件中為混凝土塑性損傷模型，該種模型可以較好地描述混凝土在受壓和受拉狀態(tài)下的力學行為。對于鋁合金材料，采用了Ramberg-Osgood等［10］提出的鋁合金模型。而對于普通碳鋼，采用雙折線彈塑性模型［11］。為了確保計算精度和效率，采用25 mm的全局網(wǎng)格。模型建立的結(jié)果如圖2所示。

2.2 相互作用

在當前的文獻中，針對管材與混凝土之間的有限元分析通?？紤]了接觸分離作用。因此，在本模型中采用了“面-面接觸”

來描述外部鋼管與混凝土、內(nèi)部鋁管與混凝土之間的接觸情況，摩擦系數(shù)取0.3［12-13］。為了便于計算收斂，上下端板與混凝土、鋼管、鋁管均采用“綁定”約束，并在端板表面設(shè)置耦合參考點RP-1和RP-2，以便施加軸向荷載與邊界條件。

2.3 邊界條件及加載方式

根據(jù)文獻中的試驗加載條件，約束了下部RP-2三個方向的位移和轉(zhuǎn)動，并在RP-1處施加了15 mm的軸向位移。

2.4 模型驗證

圖3給出了試件的軸向荷載-位移曲線和破壞形態(tài)與仿真結(jié)果的對比。由圖3（a）可知，有限元計算得到的荷載-位移曲線與實測結(jié)果具有較高吻合度，曲線均經(jīng)歷了彈性段、彈塑性段和下降段。表1給出了峰值承載力對比，計算結(jié)果表明，計算結(jié)果與實測結(jié)果的比值的平均值為1.029，方差為0.014，變異系數(shù)為0.014，這說明有限元計算結(jié)果從數(shù)據(jù)的準確度和穩(wěn)定性較高。由圖3（b）和圖3（c）可知，試驗中鋼管中部發(fā)生了應(yīng)力集中的屈曲、混凝土端部發(fā)生了壓潰，有限元計算結(jié)果較好地還原了試件的破壞形態(tài)。綜上，所建立的有限元模型得到驗證，可選擇可靠的模型進行參數(shù)分析。

3 參數(shù)分析

以HSCAC3-1作為基準進行參數(shù)分析，探討了長細比、鋼管屈服強度和鋁合金管屈服強度對中空夾層鋼套鋁管混凝土柱軸壓承載力和穩(wěn)定性的影響。各模型參數(shù)及結(jié)果如表2所示，表中長細比λ=L/D1。

3.1 荷載-位移曲線

下頁圖4為各試件在不同變化參數(shù)下的軸向荷載-位移曲線對比，得到如下結(jié)論：

（1）隨著長細比的增大，試件軸向荷載-位移曲線的初始剛度和峰值點都顯著減小。這是因為長細比的增大導致柱試件二階效應(yīng)顯著，容易發(fā)生失穩(wěn)，在發(fā)生材料失效之前就已經(jīng)發(fā)生了失穩(wěn)破壞。

（2）隨著鋼管屈服強度的增大，試件軸向荷載-位移曲線的初始剛度基本相等，但峰值點顯著向右上方移動。這是因為鋼材的彈性模量和強度均顯著高于混凝土和鋁合金，因此在試件受壓時提供的軸向承載力占比更大。

（3）鋁合金強度變化對該種組合柱的軸向荷載-位移曲線的影響較小，初始彈性階段的曲線基本重合。這是因為鋁合金的彈性模量相較于鋼管更小，軸壓剛度主要由鋼管提供，因此改變鋁合金的強度對其初始剛度影響較小。此外，鋁合金管的強度也相較鋼管更低，在墩柱受壓全過程中，鋁合金提供的荷載占比較小，因此曲線的峰值點變化不大。

3.2 軸壓承載力

表2給出所有試件的極限承載力對比，對比不同變化參數(shù)，得到如下結(jié)論：

隨著長細比的增加，中空夾層鋼套鋁管混凝土柱的極限承載力逐漸下降。當長細比從3增加至7.5時，試件的極限承載力減少了17.4%。這表明長細比是影響柱子性能的關(guān)鍵因素之一，因為隨著長細比的增加，試件整體失穩(wěn)，導致承載力減小。根據(jù)規(guī)范中的正截面承載力計算方法，穩(wěn)定系數(shù)φ與長細比λ直接相關(guān)。穩(wěn)定系數(shù)φ可表示為不同長細比試件的極限承載力與λ=3試件極限承載力之比。通過最小二乘法擬合得出關(guān)系式式（1），并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，如圖5所示，誤差指標R2為0.99，說明擬合結(jié)果與實驗結(jié)果高度吻合。

φ=-0.42λ+0.08λ2-0.005λ3+1.66（1）

隨著鋼管屈服強度和鋁合金強度的增大，試件的極限承載力呈增大趨勢。對于鋼管強度來說，與fy=306 MPa的試件相比，fy由400 MPa提高至500 MPa時，試件的軸壓承載力分別增大了5.4%、10.5%和11.9%。而對于鋁合金強度來說，與fay=113 MPa的試件相比，fy由130 MPa提高至250 MPa時，試件的軸壓承載力分別增大了0.8%、1.5%、1.2%和1.1%。明顯可見，提高鋼管的強度可以有效提高中空夾層鋼套鋁管混凝土柱的軸壓承載力，在鋁合金強度提高至150 MPa之后，組合柱的軸壓承載力提高幅度有限，甚至出現(xiàn)了降低。

4 承載力計算方法修正

根據(jù)文獻［8］提出的中空夾層鋼套鋁管混凝土短柱的軸壓承載力計算方法為：

Nu=Ascofscy+Aalfal（2）

式中：Nu——軸壓承載力；

Asco——鋼管和混凝土的面積之和；

fscy——鋼管和混凝土的組合強度；

Aal——鋁合金管的面積；

fal——鋁合金管的屈服強度。

本文主要針對式（2）進行修正，式（2）沒有考慮長細比穩(wěn)定系數(shù)的影響，仿真結(jié)果表明，隨著長細比的增大，承載力也會逐漸降低?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中明確指出，在計算柱構(gòu)件的軸壓承載力時，考慮軸壓穩(wěn)定系數(shù)對承載力的影響。因此在式（2）中引入式（1）進行修正，修正后的計算式為：

Nu=φ（Ascofscy+Aalfal）（3）

使用式（3）對本文參數(shù)分析試件進行計算，計算結(jié)果見圖6。由圖可知，修正前中空夾層鋼套鋁管混凝土柱軸壓承載力計算方法的誤差＞5%，修正后的誤差均在5%以內(nèi)，表明所修正的計算方法具有較高適用性。

5 結(jié)語

本文對中空夾層鋼套鋁管混凝土墩柱進行了有限元分析，并進行了12個試件的參數(shù)分析，研究了長細比、鋼管屈服強度和鋁合金強度對組合柱軸壓性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）使用ABAQUS軟件建立的中空夾層鋼套鋁管混凝土墩柱模型與試驗結(jié)果吻合較好，軸壓荷載-位移曲線具有較高吻合度，軸壓承載力誤差為2.9%，模型較好地還原了試驗中鋼管的應(yīng)力集中和混凝土端部壓潰。

（2）隨著長細比的增大，中空夾層鋼套鋁管混凝土柱的軸壓剛度和承載力顯著下降。當長細比從3增加至7.5時，承載力降低了17.4%。通過最小二乘法擬合了軸壓穩(wěn)定系數(shù)和長細比之間的數(shù)學關(guān)系，擬合結(jié)果的誤差指標R2為0.99。

（3）相較于鋁合金強度，提高鋼管屈服強度更能提高試件的極限承載力。在試驗范圍內(nèi)，鋼管屈服強度提高至500 MPa可以是使試件的軸壓承載力提高11.9%，而提高鋁合金屈服強度至150 MPa后，試件的承載力提高＜1.2%。

（4）通過引入長細比穩(wěn)定系數(shù)修正了現(xiàn)有的承載力計算模型，準確度得到顯著提高，誤差均在5%以內(nèi)。

參考文獻

［1］陶 忠，韓林海，黃 宏.圓中空夾層鋼管混凝土柱力學性能研究［J］.土木工程學報，2004，37（10）：41-51.

［2］Wan C，Zha X，Dassekpo M J.Analysis of axially loaded concrete filled circular hollow double steel tubular columns exposed to fire［J］.Fire Safety Journal，2017，88（5）：1-12.

［3］Uenaka K，Kitoh H，Sonoda K.Concrete filled double skin circular stub columns under compression［J］.Thin-Walled Structures，2009，48（1）：19-24.

［4］Guo J ，Wang Y ，Deng Z ， et al. Research on the axial compression performance of coral concrete-filled aluminum alloy tube columns［J］. Case Studies in Construction Materials，2024，20（7）：e02952.

［5］Yan F X ，Lin S ，Zhao G Y . Behaviour and confinement mechanism of circular concrete-filled aluminum alloy tubular stub columns under axial compression［J］. Marine Structures，2024，95（5）：103600.

［6］黃 宏，戚本豪，王慧智，等.大空心率圓中空夾層鋼管超高性能混凝土短柱軸壓力學性能研究［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2022，24（4）：24-31，46.

［7］黃 宏，左 勇，陳夢成，等.大空心率方中空夾層鋼管超高性能混凝土短柱軸壓力學性能研究［J］.實驗力學，2021，36（4）：543-552.

［8］李 兵，田立明，周 博.中空夾層鋼套鋁管混凝土短柱軸壓性能試驗研究［J］.建筑科學與工程學報，2023，40（6）：35-44.

［9］GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［10］Ramberg W，Osgood W R.Description of Stress-strain Curves by Three Parameters［M］.Washington：National Advisory Committee for Aeronautics，1943.

［11］許瑞天，陳宗平.CFRP-PVC管內(nèi)置螺旋筋混凝土柱抗震性能試驗研究［J］.土木工程學報，2024，57（1）：34-44.

［12］Zongping C，Weisheng X，Ji Z.Mechanical performance of marine concrete filled CFRP-aluminum alloy tube columns under axial compression：Experiment and finite element analysis［J］.Engineering Structures，2022，272（11）：1-16.

［13］Zongping C ，Ruitian X ，F(xiàn)an N ， et al. Compression behaviour and bearing capacity calculation of concrete filled double skin square steel columns［J］. Journal of Building Engineering，2021，42（10）：103022.

作者簡介：趙昱欽（1997—），助理工程師，主要從事工程施工管理工作。