T型鋼-方鋼管鋼筋混凝土十字形柱抗震性能研究

韋 玨 安

（廣西土木建筑工程有限公司，南寧 537400）

0 引言

異形柱結構以L、T、十字形等異形截面柱取代傳統的矩形柱，因為具有房間不凸出柱楞、使用面積增大、外形美觀等優點被廣泛應用。[1]隨著社會對建筑要求的增高，對異形柱的荷載要求也加大。普通鋼筋混凝土（Reinforced Concrete，簡稱RC）異形柱因柱肢細長，故承載力低、抗震性能差，在超高層和高地震烈度地區的應用受限。而鋼-混凝土組合（Steel Reinforced Concrete，簡稱SRC）異形柱能將型鋼和混凝土有效結合在一起，具有剛度大、延性好、承載能力強、抗震性能好的特點，應用前景良好。目前，對SRC 異形柱在抗震性能方面的研究已取得了一系列的成果，[2-4]研究結果表明，使用型鋼可以增強異形柱的抗震性能，提高延性和承載力。然而現有文獻的研究主要針對實腹式型鋼或空腹式型鋼，對于型鋼-鋼管的組合形式研究較少。王朋等[5]、王秋維等[6]、趙憲忠等[7]均對矩形截面配T 型鋼-鋼管的混凝土柱進行低周反復加載試驗，結果表明，型鋼翼緣可以起到受力縱筋的作用，減少柱中縱筋數量，同時型鋼翼緣可以改善鋼管外混凝土的力學性能，減小傳統鋼管混凝土疊合柱中鋼管內外混凝土的力學性能差異。因此，T 型鋼加方鋼管是一種具有廣闊應用前景的優化混凝土柱的配鋼形式。

對于T 型鋼-鋼管優化十字形異形柱的方式，李艷艷[8]等對型鋼-鋼管十字形混凝土柱進行了抗震性能試驗研究，結果表明配鋼形式為T 型鋼加方鋼管的試件除剛度退化外，其他性能均優于實腹型配鋼試件。然而現有文獻對此種配鋼的研究僅將不同軸壓比作為變化參數，如需進一步推進該種組合柱的研究，有必要進行更多參數的分析。鑒于此，本文在文獻[8]的試驗結果和有限元模擬結果的基礎上，研究了十字形截面鋼-混凝土組合異形柱損傷演化過程，探討了軸壓比和T 型鋼翼緣厚度對組合柱抗震性能的影響，為SRC 的工程應用提供參考。

1 試驗概況

選取文獻[8]中軸壓比為0.34 的試件（編號SRC-4）作為基準模型，試件構造截面如圖1 所示。試件及拓展分析試件詳細設計參數如表1 前3 列所示。試驗所用T 型鋼及鋼管屈服強度fy= 405 MPa，極限強度fu= 538 MPa；混凝土強度等級為C40，立方體抗壓強度為41.1 MPa。

表1 各試件設計參數及計算結果

圖1 試件構造示意圖

2 有限元模型的建立及分析

2.1 材料屬性

模型的建立參考了文獻[9-10]。ABAQUS 軟件提供了混凝土塑性損傷模型( Concrete Damaged Plasticity，簡稱CDP）用以描述混凝土在受力過程中的損傷發展。由于文獻[8]的試驗采用普通混凝土，因此應力-應變關系可以選用《混凝土結構設計規范》GB10010—2010 中規定的單軸本構方程。[11]對于鋼筋及鋼骨，文獻[12]提出了多種本構關系，包括雙折線、三折線等，為了保證計算效率和模型的收斂性，選用雙折線彈塑性模型，屈服后應力不再增大，應變持續增大。

2.2 相互作用

若考慮黏結滑移，則計算成本較大，且現有研究在對型鋼十字形異形柱抗震性能模擬時考慮了黏結滑移，但對結果影響不大，[13]因此省略了鋼筋、鋼管、T 型鋼與混凝土之間的黏結特性，使用嵌入方式與混凝土結合，同時忽略了加載裝置及加載端頭的建模，直接在加載點設置耦合參考點，在此參考點施加荷載。

2.3 邊界條件及加載方式

根據抗震試驗基本實驗方法，柱腳需要固定，因此約束試件底部3 個方向的位移及轉動，并在參考點施加恒定軸壓力，隨后在下一個分析步施加與試驗加載制度一致的往復位移荷載。

2.4 網格劃分

經試算，混凝土網格尺寸采用邊長為25 mm 的立方體時可以保證較高的計算精度及計算效率，建立完成的模型如圖2 所示。

圖2 網格劃分后的ABAQUS 有限元模型

2.5 模型驗證

滯回曲線對比結果見圖3。由圖3 可見，有限元計算的滯回曲線出現了與試驗一致的“捏攏”（見圖3曲線中部），包裹面積和加卸載剛度基本一致，承載力和初始剛度有一定誤差主要是因為未考慮鋼筋在混凝土中的黏結滑移，且試驗存在不可避免的誤差，因此前期剛度較大。

圖3 滯回曲線對比圖

圖4 為試驗與有限元破壞形態對比。由圖4 可見，有限元結果得到的混凝土受拉損傷云圖與試驗結果裂縫圖十分相似，混凝土均出現了間隔開裂。根據觀察發現，裂縫間距與箍筋間距接近，試驗實測SRC-4 極限抗剪承載力和延性系數分別為207.1 kN 和4.58，有限元分析結果極限抗剪承載力和延性系數分別為203.2 kN 和4.86，平均誤差在10%以內，說明此模型能可靠地模擬T 型鋼-方鋼管混凝土柱的抗震性能。

圖4 破壞形態對比

2.6 應力分析

圖5 為不同加載位移下鋼材的塑性應變，當鋼材出現塑性應變時視為鋼材屈服。試件處于彈性階段以前，鋼材并未出現屈服，而當位移達到10 mm 時，受壓及受拉區T 型鋼翼緣首先出現屈服；當達到極限荷載附近時，縱筋及T 型鋼腹板出現屈服；隨著水平位移不斷增大，核心區鋼管出現屈服。由此可見，增大T 型鋼翼緣厚度是提高抗震性能的有效方式。

圖5 不同加載位移下鋼材的塑性應變

3 參數分析

以SRC-4 模型作為基準，以軸壓比n和T 型鋼翼緣厚度tf為變化參數設計了9 個模型進行計算，具體參數及計算結果見表1。圖6 為各試件骨架曲線對比。對比不同參數下試件的性能，可得到如下結論：

圖6 不同參數下的試件骨架曲線

1) 隨著軸壓比的增大，試件的極限承載力逐漸降低，而延性呈先上升后降低的趨勢。與軸壓比為0.34 的試件相比，軸壓比為0.4、0.5、0.6、0.7 的試件的極限承載力分別降低了1.2%、3.9%、8.3%、13.9%；軸壓比為0.4 的試件延性增大了3.2%，軸壓比為0.5、0.6、0.7 的試件延性分別降低了20.4%、18.4%、21.9%。這說明軸壓比是影響T 型鋼-方鋼管混凝土柱抗震性能的關鍵影響因素，參照相關規范對延性系數的要求發現，T 型鋼-方鋼管混凝土柱在高軸壓比下仍具有較好的抗震性能。

2) 隨著T 型鋼翼緣厚度的增大，試件的極限承載力和延性逐漸增大。與T 型鋼翼緣厚度為4 mm 的試件相比，厚度為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm 的試件的極限承載力分別增大了3.7%、6.4%、10.6%、14.5%，延性分別增大了4.6%、8.2%、10.6%、14.9%。

4 結論

通過對9 個T 型鋼-方鋼管混凝土異形柱進行的抗震性能有限元建模分析得到以下結論：①模型的破壞形態、分析所得的滯回曲線和骨架曲線與試驗結果誤差在10%以內，吻合較好。②試件處于彈性階段以前，鋼材并未出現屈服，隨后受壓及受拉區T 型鋼翼緣先出現屈服。在極限荷載附近時，縱筋及T 型鋼腹板出現屈服，水平位移不斷增大，核心區鋼管出現屈服，增大T 型鋼翼緣厚度是提高抗震性能的有效方式。③軸壓比增大時，試件的極限承載力和延性出現退化，但采用T 型鋼-方鋼管的配鋼形式可以使十字形柱在高軸壓比下抗震性能滿足規范要求。隨著T 型鋼翼緣厚度的增大，試件的極限承載力和延性逐漸增大，延性最大增幅達14.9%。