朱浩 刘锋

（宿迁学院建筑工程学院 江苏宿迁 223800）

钢管混凝土作为一种适应建筑施工适应发展要求而出现的新型建筑材料，较之其他建材而言拥有更为先进、新颖的结构模式和运用形式，从其所具备的优势条件与适应能力可以看出，这种新型材料有很大的发展前景。钢管混凝土建材不仅可以应用于高楼大厦、工业建筑等独具时代特征的建筑物上，还可以运用于桥梁隧道、地下建筑等对施工技术要求比较高的建筑物上，这种建筑材料的使用不会轻易受到局限，应用广泛。一般情况下，钢管混凝土为了实现其结构优势是不会加入钢筋材料的，只有在其承受的压力超过了一个正常范围的时候，才会在管内使用到钢筋或者箍筋。钢管混凝土的广泛应用使得施工人员的技术水平达到了一个高度，可以充分把握好该建材的材质优势和应用模式，但是对钢管混凝土柱结构的内部情况和基本数据还需要加大研究力度，以获得最为优化的施工效果。

1 钢管混凝土柱结构

1.1 材料关系模型

钢管混凝土材料本身就是一种组合结构，其具体发挥效用是靠钢管和混凝土共同作用来完成的，二者在一般情况下都要承受较为复杂的受力情况。对钢管和混凝土的数据进行分析可以通过研究多线性随动强化本构模型来进行，对相关的数据资料进行计算分析，用以得到正确的钢材荷载力数据情况。对本构模型进行研究有利于建筑人员制定出更专业科学的施工计划，建立一个正确的材料模型。

1.2 单元类型划分

SOLID65实体单元可以帮助我们进行相关混凝土结构的模拟研究，探索其具备的一些功能，三维配筋和不配筋混凝土结构就具有收缩、拉伸等功能，在后续研究中可以通过关闭某功能来进行科学的计算。这个实体单元分八个节点，其中各个节点分别有八个自由度，可以将单元之间进行合理的划分，并且针对功能强度不一的单元节点实现区域网格加密工作，来保证计算结果的精确度。此外，对实体单元的方向尺寸还要做一个控制，将其最长边长控制在一个具体数值之内，这样计算结果才会更准确。

1.3 钢管与混凝土模型

三维面与面接触单元是比较常见的应用单元，可以更好地呈现出钢管混凝土结构中的具体受力情况，将钢管与混凝土之间的接触面展现出来，帮助计算研究。在指定的接触单元中，刚形体与柔性体分别表示钢管与混凝土，而“目标”面即为刚性面，“接触”面就是柔性面。而“目标”面和“接触”面分别以不同的单元格式来进行模拟操作，计算出相应的数值以及摩擦系数，那么我们可以得到钢管与混凝土之间的摩擦系数是0.45，如图所示的即为划分网格后得到的接触单元。

1.4 边界条件及加载方案

图1 基本试件实体模型图

我们可以将钢管混凝土与地面连接的情况假设一个模拟值，设定一个模型，将钢管混凝土柱结构柱底结点的自由度控制在一个数值范围中，对钢管混凝土在实际施工中的受力情况做一个模拟分析。在操作时对柱顶施加一定的轴向压力，而且还要施加一个水平力到相关的结点上，操作步骤都要按照严密的规范进行，这样才可以得到较为精确的结果，制定出最优的加载方案。

2 钢管混凝土柱结构受力性能分析

2.1 基本试件

在一般情况下钢管混凝土的功能不会受到较大影响，但我们还需要研究在特殊情况中的建材实际效用，为此可以模拟在地震情形中的材料受力状况。我们根据科学的资料文献可以得知，钢管混凝土材料中的格构柱平面为正方形，而且其方向一致，可以保证平面的稳定。平面的大小有一定的要求，边长和钢管柱肢、柱高等都控制为具体的数值，柱肢和缀板等部分都要进行严格的焊接。经过一系列的工程步骤，选取Q3钢材，而且保持混凝土的强度为C60。

图2 基本试件网格划分

2.2 受力性能

如图3所示，图中的各条曲线分别表示了含钢率不同的基本配件在单位条件下荷载力与位移的关系，以此可以看出含钢率在建材荷载力功能方面所发挥的作用。根据图形我们可以看到，在一定的弹塑性范围之内，含钢率数值越大，斜率也越大，曲线的坡度就越陡，那么建材的刚度也随之增大，含钢率对于钢管混凝土柱结构的刚度以及荷载力影响比较强。在图形中，钢材的位移数值和荷载力数值都会随着其含钢率的变化而产生相应的变化，而且是呈正相关，约束效应系数也是随含钢率的增加而增大。约束效应系数的大小也会对钢管混凝土的结构造成一定的影响，其与混凝土的延展性和荷载力呈正相关，反之亦然，如果约束效应系数越来越小，那么钢管在混凝土上的约束作用就随之减弱，建材的延展性和荷载力水平就下降。含钢率对钢管混凝土材料的属性和功效等都有很大的影响，从荷载力和位移的具体变化情况就可以看出，以不同含钢率的建材来做分析对比可以比较直观地得出结论，无论是处于弹性阶段还是非线性弹性阶段，含钢率的增加都可以提升建材的刚度等。

图3 基本试件位移荷载曲线

骨架曲线可以反映出建材配件在不同的荷载压力下的荷载力变化情况，即在循环压力中应力相连区段的总和，在钢管混凝土柱结构的研究工作中有一定的分析价值。如果在含钢率发生变化的情况下骨架曲线的形状并没有产生太大的不同，那就说明含钢率对于配件荷载力来说影响不大。骨架曲线的特征随着含钢率的增大会渐渐凸显出来，配件的荷载力与延展性等都会加强，表现出极佳的建筑功能。在荷载与位移因素单向表现出来时，骨架曲线的基本性能特征就得以展现出来。

2.3 应受力分析

建材配件的应力值会受到很多因素的影响而发生变化，在含钢率不同的材料受到单向水平荷载力时，钢管应力较强的区域在其顶部、底部以及柱肢和缀板连接的地方，尤其是在缀板的顶部区域。而当应力值超过了一定的范围，材料就会到达塑性变形阶段。应力的区域范围还会随着钢管壁的厚度变化而产生变化，应力幅度到达最高点时，钢管的应力集中现象也会发生得更加明显，因此，钢管壁的厚度要设计在一个合理的数值范围内，增强缀板的刚性，采用更优质的缀板形式，以解决应力过于集中问题。

图4 不同含钢率钢管混凝土柱应力图

含钢率对于钢管混凝土材料的结构影响比较显著，在一定程度上，含钢率的增加会提高建材的强度、延展性以及承载力等，给材料带来一定的优势条件。但是当含钢率增加到了一定的程度，就会产生副作用，这时的含钢率与材料的极限位移和荷载能力就呈负相关，含钢率越大，建筑材料的优势性能作用就越小。根据相关的工程施工规范条例来看，钢管混凝土材料的含钢率应该要控制在0.05～0.2之间，在这个科学的区间才有利于材料发挥出最大的利用效率。

随着钢含量的增加，柱底混凝土的应力逐渐增大，柱底的高应力范围逐渐扩大。这是因为随着钢含量比的增加，环系数增大，钢管对混凝土的约束能力增大，构件的刚度和承载力得到提高。当试样含钢量为α=0时，最大应力变化较大。在α=0.095时，最大应力大幅度增加，钢管应力集中更加严重。从经济应用的角度看，钢管钢含量可以提高，但钢含量不宜过大，钢管底部应力集中严重，钢含量过高，给施工带来不便。所有试件在循环荷载作用下的滞回曲线都是满的，没有夹点现象，表现出较好的耗能和延性。

3 结语

为了提高施工效率和建材功效，可以适当地增加钢管混凝土中的含钢率，这样可以增强建筑物施工的安全性，加强材料的承载力等性能的优势。但是含钢率的具体数值要经过科学的计算分析后得出，否则不仅达不到预期效果，还有可能造成不良影响。钢管材料的管壁厚度对应力的影响也比较大，要合理控制好管壁的厚度，保持缀板连接等区域的应力值在一个正常水平，减轻对钢管混凝土材料结构的破坏。对钢管混凝土材料结构的研究为建筑施工工作科学顺利进行提供了借鉴，做好这方面数据的计算分析，可以帮助提升建筑物施工的质量，而且还可以有效应用到地震的环境区域当中。在具体的曲线图形中，钢管混凝土材料呈现出饱满的线段，则表示材料的延展性和抗压性良好，即使在条件恶劣的环境中也可以发挥出材料优势，从最大程度上保证大家的生命和财产安全，值得对其进行广泛的研究与运用。