苏 宇 王欣然

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 研究背景

型钢混凝土组合结构，是指通过在普通钢筋混凝土构件内配置型钢，使钢材与混凝土材料互相约束，令各自性能充分发挥，从而具备更好的受力性能的一种结构形式。当今建筑结构高度、跨度不断增大，型钢混凝土组合结构被广泛应用于重要建筑结构的关键部位。

随着可持续发展理念的深入，国家设立“十二五”科技支撑计划“钢结构民用建筑高性能结构钢成套应用技术研究与示范”项目，促进高强钢材在建筑领域的应用，推动建筑行业实现绿色健康发展。将高强钢材应用于型钢混凝土组合结构，可降低钢材消耗量，压缩截面尺寸，提供更大的使用空间，减少焊材及涂层材料的消耗量，带来显著的经济效益。

然而，受到现行组合结构设计规范适用范围的限制，工程中使用Q420以上强度等级钢材时需要开展专项论证，造成成本的提高和工程进度的延误，阻碍了高强型钢混凝土组合结构的推广使用。目前，高强型钢应用于型钢混凝土组合结构的设计规定尚不完善，相关研究亦处于起步阶段。

李灏[1]对14根实腹式高强型钢混凝土梁进行静载试验，对其破坏特征、刚度和延性等展开研究，并讨论规范计算公式的适用性，研究结果说明简单叠加法应用于高强型钢混凝土框架梁的抗震设计时偏于不安全。杨怡亭等[2]基于实际工程进行研究，对2根缩尺模型试件进行轴压试验，建立并验证有限元分析模型，研究Q460高强型钢混凝土柱的受力性能。通过与各国规范计算结果对比发现：现行设计规范应用于高强型钢混凝土柱设计偏于保守。Binglin Lai等[3]将C90混凝土与550 MPa级别高强型钢结合，设计12根高强型钢混凝土柱试件，并与欧美现行规范计算结果进行对比，发现试件轴压承载力计算值低于实测值。林明强[4]对8根高强型钢混凝土柱进行轴心静载试验，提出混凝土和高强型钢两种材料间存在应力—应变关系不协调的现象。

由于两种材料存在应变不协调现象，高强钢材所发挥的抗压强度受到混凝土压应变的限制，我国GB 50010—2010混凝土结构设计规范中提出将轴心受压构件中500 MPa 级别钢筋的抗压强度取为400 MPa。然而研究表明，约束作用可提高混凝土的变形性能，进而提高其与钢材间的协同工作能力，而作为常见的约束措施，箍筋约束对高强型钢混凝土组合构件受压性能的影响尚有待探究。

2 有限元模型的建立及试验设计

2.1 模型建立

本文通过ABAQUS有限元分析软件建立高强型钢混凝土组合柱分析模型，考察其在轴心压力作用下的力学性能。结合课题组现有Q345型钢混凝土组合柱轴压试验，按试件几何条件建立分析模型，试件高1 200 mm，箍筋间距100 mm，截面详图如图1所示，为防止试件发生局压破坏，在两端200 mm范围内进行箍筋加密。模型建立过程中，将混凝土按照约束条件的差异划分为保护层及箍筋约束区，钢材选用理想弹塑性模型，混凝土材料选用Mander[5]提出的混凝土本构关系曲线。综合考虑模拟结果的准确程度及时间成本，选择1∶1∶2.5的网格划分比例[6]，如图2所示。其中型钢和混凝土采用C3D8R实体单元进行模拟，钢筋选用T3D2桁架单元。钢筋采用嵌入式约束，型钢与混凝土间定义接触，摩擦系数为0.25，以模拟型钢与混凝土间的粘结作用。通过施加轴向位移的方式对模型施加轴压力。

模拟分析结果与试验结果的对比如图3所示。由于有限元分析模型较为理想化，而实际构件在制作与试验过程中不可避免地存在一定的初始缺陷及误差，承载力模拟值略高于试验值；模拟加载初期，由于八节点单元存在体积闭锁效应[7]，模型刚度略大于试件刚度。总体上，模拟结果与试验结果的荷载位移曲线较为吻合，破坏形式较为一致，该有限元分析模型能够准确模拟型钢混凝土组合柱在轴心压力作用下的受力过程，可用于后续的影响因素分析。

2.2 模拟柱设计

为了研究约束作用对高强型钢混凝土组合柱轴压承载能力的影响，基于上述分析模型设计6根型钢混凝土轴压柱，混凝土立方体抗压强度为58 MPa，模拟柱详细信息见表1。

表1 模拟柱参数

(1)

(2)

其中，ρs为配箍率；fyh为箍筋屈服强度；ke为有效约束系数；w′,s′分别为相邻纵筋、箍筋净距；bc,dc分别为矩形箍筋的长度、宽度；ρcc为纵筋面积与约束区面积之比。

对于型钢的约束作用，赵宪忠等[9]提出了其有效约束力的计算方法，文献[10]提出型钢和箍筋共同约束区域所受到的约束作用为二者约束力的线性叠加。结合三者的理论分析可知H型钢的约束作用对该类试件的承载力影响小于2%，故此处仅讨论箍筋约束作用的影响。

忽略约束作用的影响时，全部混凝土采用无约束混凝土本构；考虑箍筋约束作用时，对本次模拟的试件可按式(3)计算混凝土强度提高系数k，对箍筋约束区内的混凝土本构关系进行修正[5]。修正后的混凝土本构关系如图5所示。

(3)

其中，fc0为混凝土轴心抗压强度。

3 箍筋约束作用影响分析

3.1 忽略约束作用的模拟结果

各试件承载力模拟结果见表1。配置Q235型钢的试件A1C0Q2，由于模拟分析软件自身在一定程度上考虑了混凝土的双轴受压，如图6所示，试件破坏时，纵筋与箍筋交汇处约束作用最强，混凝土压应力最高，而约束较弱的区域混凝土应力略微降低，约为43.2 MPa，相较于其理论分析强度49.2 MPa降低了12.2%。忽略约束作用导致低估了约束区域混凝土的抗压强度，会导致一定程度的材料浪费。配置Q460型钢的试件A2C0Q4，如图7所示，试件破坏时型钢应力约为502 MPa，未能屈服。配置Q690型钢的试件A3C0Q6破坏时型钢应力与Q460型钢接近(505 MPa)，试件达到极限承载力时型钢远未屈服，其模拟承载力与配置Q460型钢的试件相比几乎未得到提高。

3.2 考虑箍筋约束作用

由于基于箍筋约束作用修正后的混凝土本构关系模型考虑了混凝土在约束作用下受压能力和变形性能的提升，配置高强型钢的试件达极限承载力时，混凝土的压溃破坏晚于型钢屈服，高强型钢能够充分发挥其力学性能，如图8所示。

与忽略约束作用的试件相比，如图9所示，配有Q235，Q460和Q690型钢的试件考虑约束作用后承载力分别提升4.6%，9.7%和22.4%，箍筋约束作用对型钢混凝土组合柱轴压承载力的影响随型钢强度等级的提高而增大。

通过上述讨论可以看出，箍筋的约束作用对高强型钢混凝土组合柱的轴压承载力有着显著的影响，应在结构设计中予以考虑：一方面约束作用能够增强混凝土的抗压能力，考虑箍筋的约束作用能够在一定程度上避免材料浪费；另一方面约束作用能够显著增强混凝土的变形能力，设计使用高强钢材的构件时，可通过增加所配箍筋的方式确保高强钢材性能能够充分发挥。

4 结语

本文通过ABAQUS有限元分析软件建立模型，讨论约束作用对高强型钢混凝土柱轴压性能的影响，得出以下结论：

1)箍筋的约束作用对高强型钢混凝土组合柱的轴压承载力有较大影响，且影响程度随型钢强度等级的提高而增大，对于配有Q235，Q460和Q690型钢的试件，考虑箍筋对混凝土的约束作用的积极影响后，试件模拟承载力分别提高了4.6%，9.7%和22.4%。

2)约束作用可以影响混凝土的抗压性能和高强钢材所发挥的抗压强度，设计时不应忽略其对承载力的积极贡献。

3)建立了H型钢混凝土轴压柱ABAQUS有限元分析模型，可较为准确地模拟该类试件在轴心压力作用下的受力行为。