吴平川 伍文科 谢露露

摘要：本文对PEC组合柱进行了轴向荷载作用下的静力试验研究，分析得到其试验过程特征和协同工作原理及组合作用，研究了该组合结构在轴向荷载作用下的破坏模式。对试验建立了ABAQUS有限元模型，通过与试验对比验证了模型的可靠性。采用此模型对4组共12根H型钢PEC柱进行分析，研究系杆间距、混凝土强度、型钢高厚比及含钢率对PEC柱轴向受力情况下的极限承载力以及其破坏形态的影响。结果表明：系杆间距与混凝土强度对PEC柱的受力性能影响并不明显;随着型钢高厚比的增加，其他条件不变时，PEC柱的变形能力不断增大;随着含钢率的增加PEC柱的极限承载力明显提升。

Abstract： In this paper， the static test of PEC composite column under axial load is carried out. The characteristics of the test process， the cooperative working principle and the combined action are obtained. The failure mode of the composite structure under axial load is studied. The ABAQUS finite element model is established for the test， and the reliability of the model is verified by comparing with the experiment. This model is used to analyze 12 H-shaped steel PEC columns in four groups. The effects of tie spacing， concrete strength， section steel thickness ratio and steel content on the ultimate bearing capacity and failure mode of PEC columns under axial loading are studied. The results show that the influence of tie spacing and concrete strength on the mechanical properties of PEC columns is not obvious; with the increase of section steel thickness ratio and other conditions unchanged， the deformation capacity of PEC columns increases; with the increase of steel content， the ultimate bearing capacity of PEC columns increases significantly.

關键词：PEC柱;组合结构;受力性能

Key words： PEC columns;composite structure;force performance

中图分类号：TU398.+9                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）13-0154-03

0  引言

部分包裹混凝土组合柱是一种新型组合结构形式，英文为Partially Encased Concrete Composite Column，简称PEC柱[1]，PEC柱是基于传统的全包裹H型钢组合柱，提出的一种新型部分包裹混凝土组合柱[2-3]。PEC柱具有施工速度快、承载力高、延展性好的特点，H 型钢PEC柱相比于传统 H 型钢柱以更小的横截面积提供了更高的承载力和刚度[4] 。H型钢PEC组合柱既可用于旧建筑的加固和改造，又可用于新建建筑物的多高层结构中[5]。

中国对PEC柱的研究起步较晚;2006年，赵根田教授[6-8]采用试验方法研究了轴心荷载下的PEC短柱，分析了PEC柱型钢与混凝土的粘结机理及影响PEC短柱力学性能的因素。2011年，毛小勇、徐悦军等人[9]分析了PEC柱耐火性能。2012年，方有珍[10]等人对足尺冷弯薄壁PEC柱试件进行了低周反复加载试验。

本论文在其他学者研究结论的基础上，通过改变系杆间距、混凝土强度、型钢高厚及含钢率等模型参数，以研究这些参数对PEC组合柱轴向受力性能的影响，得出一些有意义的结论，为工程设计提供指导。

1  PEC柱轴向加载试验

1.1 试验概况

1.1.1 几何参数

PEC柱试件截面尺寸为150×150×7×10mm，高1000mm，如图1所示。

1.1.2 材料特性

试件型钢为Q235，系杆钢筋为HPB300。试件采用强度等级为C25的混凝土，混凝土配合比见表1。

1.1.3 试验加载

试验采用液压式试验机施加反力架，选用配套的千斤顶和手动液压泵进行加载，加载方式为力控制分级加载，每级50kN，加载完成后持荷10分钟，连续慢速加载直到试件破坏。采用XL2118A16静态电阻应变仪采集柱体内应变片预埋位置的实际应变值，采用裂缝观测仪拍照读取混凝土的裂缝宽度。

1.2 试验结果及分析

1.2.1 PEC组合柱试验破坏特征

在试验的初始阶段，此时试件表面无明显变化，试件处于弹性变形阶段;随着加载的进行，荷载逐渐增大，试件混凝土表面出现裂缝，横向位移逐渐增大，柱中型钢发出响声，此时试件开始进入弹塑性工作阶段;随着加载继续进行，试件混凝土剥落，两系杆间的型钢出现局部屈曲，系杆局部屈服，试件开始进入破坏阶段;具体破坏形式如图2所示。

1.2.2 PEC柱试验荷载-挠度曲线

对测试数据进行整理和分析并绘制成荷载-挠度曲线，如图3所示。从图中可以看出， PEC柱试件在轴向荷载作用下的荷载-位移曲线分为直线上升阶段、曲线上升阶段和直线阶段。当试件处在弹性变形期，试件挠度与荷载近似成线性增长，当试件应力达到屈服强度后，部分混凝土屈服脱落，曲线斜率减小，进入弹塑性变形状态，此时挠度继续增大，但是试件轴向承载力增加速度逐渐减慢，混凝土与型钢开始分离，型钢开始屈服，达到极限荷载后，混凝土被压碎、型钢翼缘局部屈曲和钢筋系杆局部屈服，试件进入破坏阶段。

2  PEC柱有限元分析

采用ABAQUS有限元软件，建立模型对来模拟上述构件。

2.1 材料特性与本构关系

模型型钢与系杆钢筋等级与试件相同，采用理想弹塑性材料本构模型。由于研究型钢高厚比对PEC柱受力性能的影响，需要考虑柱在受压时弯曲变形较大导致构件失效的情况，故混凝土采用能反映材料拉压性能的差异、收敛性更好的塑性损伤模型。

2.2 建模及加载

混凝土和型钢都选用C3D8R实体单元，钢筋系杆选用T3D2桁架单元，分别建立三个实体部件，然后将三个组件在组装在正确的位置，钢筋部件嵌入混凝土中，混凝土与型钢采用绑定约束;PEC柱底边界条件为固定约束边界。

2.3 结果对比

对比分析试验与模拟的结果，如图4所示;在试验中，由于试件在制作过程中存在材料缺陷及加工误差，导致试件在试验中出现型混凝土被压碎、型钢翼缘和钢筋系杆局部屈曲等现象，然而数值模拟是在理想状态下进行，因此模拟的极限承载力要略高于试验结果;然而，试验与模拟曲线总体上趋于一致，因此可以认为数值模拟结果具有良好的精度。

3  参数分析

基于上面建立的ABAQUS有限元模型，分析了 4组12根PEC柱，如表2所示，使用MATLAB软件将参考点提取的数据，绘制成荷载-挠度曲线，分析得出 PEC柱的力学性能与系杆间距、混凝土强度、型钢高厚比及含钢率的关系。

3.1 PEC柱受力性能与系杆间距的关系

在不改变其他因素的前提下，荷载-位移曲线总体变化趋势随着钢筋系杆间距的改变没有明显的变化， PEC柱的极限承载力和延性随着系杆间距的增大而减小，如图5所示。

3.2 PEC柱受力性能与混凝土强度的关系

由于混凝土材料自身的特性，在不改变其他影响因素时，不同混凝土强度度下的曲线变化基本一致;随着混凝土强度的提高，初始刚度略有提高，破坏阶段曲线下降速率增大，但变化幅度都不明显，即混凝土强度对PEC柱受力特征的影响不大，如图6所示。

3.3 PEC柱受力性能与型钢高厚比的关系

随着型钢高厚比逐渐增大，在不改变其他影响参数的前提下，试件初始刚度和极限承载力随型钢高厚比的增加不断减小，但是试件变形能力随着型钢高厚比的增加不断增大，如图7所示。

3.4 PEC柱受力性能与含钢率的关系

在不改变其他影响因素的前提下，PEC柱的极限承载力以及初始刚度随含钢率的增大而增加，同时随着含钢率的增大，其变形能力和延展性更好，如图8所示。

4  結论

本文通过对PEC柱的轴向静载试验验证了数值模拟的可靠性，然后采用ABAQUS软件建立系列模型，分别研究PEC柱的受力性能与系杆间距、混凝土强度、型钢高厚比及含钢率的关系，得到以下结论：①由于试验中材料缺陷和加工误差，导致试件在试验中型混凝土被压碎、型钢翼缘和钢筋系杆局部屈曲，然而数值模拟是在理想状态下进行，因此模拟的极限承载力要略高于试验结果;但是试验与模拟曲线总体趋于一致，因此可以认为数值模拟结果具有良好的精度。②虽然系杆及混凝土对型钢有约束作用，系杆、混凝土与型钢共同作用能提高组合柱的承载力，但PEC柱在轴向受力时H型钢仍起着主要的作用。③在轴向荷载作用下，PEC柱的延性性能与系杆间距和构件的含钢率有关，并且随着系杆间距的减小及含钢率增加，构件的延展性增强。④PEC在轴向荷载作用下，型钢高厚比的增加会降低构架的初始刚度和极限承载力，但是可提高构件变形能力。⑤本文通过研究影响PEC柱轴向受力性能的因素，为此后开展PEC组合柱结构受力性能试验研究具有重要的意义。

参考文献：

[1]赵根田，高潮，宋鹤，等.端板与顶底角钢连接节点PEC柱-钢梁框架抗震性能比较[J].工程抗震与加固改造，2015，37（5）：28-34.

[2]Muise JL. Behaviour of simple framing connections to partially concrete encased H section columns [D].Toronto Canada： University of Toronto， 2000.

[3]殷占忠，陈伟，陈生林.单向荷载下 PEC 柱受力性能分析[A].第23届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅱ册）（C）.2014：298-301.

[4]方有珍. 新型卷边钢板组合截面 PEC 柱（强轴）滞回性能实验研究[J].工程力学， 2013，30（3）：181-190.

[5]赵根田，李鹏宇.型钢部分包裹混凝土组合短柱抗震性能的试验研究[J].内蒙古科技大学学报，2008，27（4）：351-354.

[6]赵根田，杭美艳，李永和.型钢混凝土短柱的粘结性能与极限承载力[J].工业建筑，2006，36（4）：36-39.

[7]赵根田，高志军.外包 H 型钢混凝土轴压短柱受力性能研究[J].哈尔滨工业大学学报，2007，39（增刊）：176-178.

[8]赵根田，郝志强，朱晓娟，等.部分包裹混凝土偏心受压短柱受力性能试验研究[J].内蒙古科技大学学报，2008，27（2）：178-182.

[9]徐悦军，毛小勇.标准升温下PEC柱的耐火极限分析[J].苏州科技学院学报，2011，24（2）：24-27.

[10]方友珍，陆佳，马吉，等.薄壁钢板组合 PEC 柱（强轴）滞回性能试验研究[J].土木工程学报，2012，45（4）：48-55.