方钢管混凝土柱内配不同型钢对承载力的影响

张 磊，杜木子

1.西安石油大学实验室管理处（实验中心），陕西 西安 710065；2.陕西市政建筑设计研究院有限公司，陕西 西安 710021

1 引言

方钢管混凝土柱具有承载力强、抗弯承载力、建筑布置方便等优点［1-2］，在方钢管混凝土柱中配置型钢可以更显著的提高其承载力、抗弯刚度、耐火性等特点［3］，但方钢管内配置型钢类型对承载力影响的研究还很少见，本文基于Abaqus 软件建立了10 个配置不同型钢类型的方钢管混凝土柱，研究型钢类型对其承载力的影响，从而发现最合理、最安全、最经济的型钢配置形式。

2 模型的建立与验证

2.1 模型建立

本文构件包括如下部件，外钢管、内配型钢、混凝土、内混凝土、垫板等。因部分钢管厚度较大，故为保证计算精度且能体现各部件之间的相互作用关系，所有部件均采用减缩积分形式的八节点线性六面体单元（C3D8R）。

本文中涉及的本构关系主要有钢材、混凝土以及垫板。其中垫板采用弹性模型，钢材采用双折线模型，钢管内混凝土采用混凝土塑性损伤模型，其抗压及抗拉应力应变关系均采用韩林海提出的单轴抗压抗拉应力应变表达式［4］。

本文除构件与垫板之间采用绑定约束外，其他接触均采用硬接触。

2.2 模型验证

表1 模型计算结果

3 模型结果分析

3.1 内配型钢的方钢管混凝土柱轴力-应变关系分析

相同截面含钢率的条件下，内配不同型钢的方钢管混凝土柱轴力-应变关系如图1 所示，其中构件外钢管和型钢均采用Q235 钢材，钢管内混凝土采用C60 混凝土。

由图1 可知钢管厚度相同时，内配圆钢管的方钢管混凝土柱承载力最大且没有下降段或者下降段不明显，表明方钢管内配圆钢管可以给柱内混凝土提供有效的约束，从而使混凝土可以在内外钢管双重约束下，承载力与残余承载力得到提高。

未配置型钢的构件轴压承载力大于内配工字钢和十字型钢的构件，这是因为外钢管厚度增加对混凝土的约束效应增强的效果大于因为配置工字钢和十字型钢而对混凝土提供的双重约束效应增强的效果。

图1 内配不同型钢的方钢管混凝土柱轴力应变曲线

对比内配工字钢和十字型钢的构件可知，两者的极限承载力及残余承载力都非常接近，而工字钢抗扭强度更好，制作更方便，因此建议选择工字钢作为方钢管混凝土柱的内配型钢。

3.2 内配不同型钢时轴力-厚度关系

内配不同型钢的方钢管混凝土柱轴力-配骨指标关系如图2 所示。

图2 内配不同型钢的方钢管混凝土柱轴力-配骨指标关系

由图2 可知，当方钢管混凝土柱内配圆钢管时，承载力随着配骨指标即就是圆钢管面积的上升而增大。配置工字钢和十字型钢时，其承载力随着配骨指标的上升而下降。因此柱截面含钢率相同时，如内配圆钢管，可以适当提高圆钢管的配置管径，如配置工字钢和十字型钢，可以适当降低型钢配置面积。

4 结论

（1）当钢管厚度相同时，在钢管混凝土柱内配置圆钢管承载力最高，而配置工字钢与十字型钢承载力相差不大。

（2）内配圆钢管的方钢管混凝土柱的残余承载力最好，工字钢和十字型钢的残余承载力相近，考虑制作方便和抗扭性能好，建议选择工字钢作为内配型钢。

（3）当方钢管混凝土柱内配圆钢管时，承载力随着配骨指标上升而上升；配置工字钢和十字型钢时，其承载力随着配骨指标的上升而下降。