不同构造的轧制型材组合异形柱短柱轴压力学性能研究
刘洁1,2 张泽宇2,3 王月栋2,3 陈志华1 王晓锋2
1.天津大学建筑工程学院
2.中冶建筑研究总院有限公司
3.国家钢结构工程技术研究中心
刘洁,张泽宇,王月栋,等.不同构造的轧制型材组合异形柱短柱轴压力学性能研究[J].工业建筑,2024,54(8):87-95.
摘 要
为研究轧制型材组合异形柱在轴向荷载作用下的受力性能，采用ABAQUS软件平台建立不同构造、是否填充混凝土的组合异形柱短柱试件有限元模型。基于现有试验结果验证了建模方法的准确性，揭示了其在轴压荷载作用下的承载性能、破坏模式和受力机理，并分析了不同构造、是否填充混凝土对其轴压性能的影响规律。研究结果表明，轧制型材组合异形柱均为整体受压破坏，伴随钢管局部屈曲破坏；填充混凝土后能够明显改善组合异形柱的破坏模式，提高承载力；纯H型钢组合试件采用封口板形成闭口截面后承载力提升显著。采用现有标准/规范对轧制型材组合异形柱的承载力进行计算，相对差值在11%以内，计算值与模拟值吻合较好，计算值能够较好预测轧制型材组合异形柱短柱的轴压承载力。
引 言
随着我国经济的持续快速发展和人民生活水平的日益提高，群众对于建筑居住品质的要求也逐步提高，可实现大开间的装配式钢结构建筑和避免“凸梁露柱”的异形柱结构越来越受到人们的青睐。组合异形柱是采用钢管、钢板、H型钢、角钢、混凝土等搭配组合形成的L形、T形或十字形组合柱，能够随建筑需求隐藏在墙中，在满足结构安全性的前提下增大室内使用空间，具有良好的应用前景。
目前，国内已有学者对组合异形柱的构造形式和受力性能进行了大量研究。普通钢结构异形柱由钢板弯折形成异形截面，但纯钢柱的破坏模式和受力性能较差[1-2]，因此许多学者在管内填充混凝土，通过设置约束拉杆[3]、设置钢骨或加劲肋[4-5]、利用现有型材截面组合[6-7]等方式提高钢材与混凝土的组合作用。左志亮等[8]对设置约束拉杆的钢管混凝土组合异形柱进行了轴压试验研究，并采用纤维模型法进行受力全过程分析，得到试件承载力曲线；杜国锋等[9]进行了内置钢骨的T形钢管混凝土组合柱轴压试验研究，并通过试验数据拟合得到套箍指标和配骨指标的影响系数，建立基于“拟混凝土理论”的承载力计算公式；Tu[10]、Liu[11]等对多矩形焊接形成的钢管混凝土组合异形柱的轴压力学性能进行了试验研究，结果表明组合截面具有良好的协同受力和协调变形性能。进一步地，屠永清等[12]基于有限元建模和影响因素参数分析结果，提出了基于“统一原理”的组合异形柱短柱强度和长柱稳定计算公式。陈志华课题组进行了钢板连接-钢管混凝土组合异形柱的轴压[13]、偏压[14]和抗震[15]性能研究，提出了配套使用的外肋环板节点[16]并开展了结构体系[17]的系列研究，体系成果形成了《矩形钢管混凝土组合异形柱结构技术规程》。以上组合异形柱均可在工厂预制加工，现场装配式施工，大大提高了装配效率。
然而，现有装配式钢结构建筑体系众多但标准化程度较低，我国钢材供给结构不合理等因素对装配式钢结构的推广造成一定的阻力，而构件标准化和节点标准化是解决以上问题的重要途径。轧制型材规格多样、性能稳定且低碳环保，研究轧制型材的标准化及其在装配式建筑领域的应用是突破装配式钢结构建筑发展瓶颈的重要路径。因此，本文以轧制方钢管和热轧H型钢组合而成的异形柱为研究对象，基于现有试验结果进行了准确的ABAQUS有限元建模，研究不同构造、是否填充混凝土对轧制型材组合异形柱短柱的轴压性能影响，并采用现有标准/规范对组合异形柱承载力进行预测，为后续轧制型材组合异形柱的应用提供参考。
模型建立
1.1 建模方法
以现有试验[18]中双板连接的钢管混凝土组合异形柱试件为对象建立ABAQUS有限元数值模型，并将模拟结果与试验结果进行对比，验证本文建模方法的正确性。双板连接的钢管混凝土组合异形柱试件分别通过双钢板连接相邻的方钢管，并在方钢管和双钢板空腔内填充混凝土，从而形成L形组合异形柱。试件截面如图1所示，该试件为2/3缩尺试件，方钢管截面为100 mm×100 mm，壁厚为5.75 mm；钢板截面为100 mm×5.75 mm；试件长度为2000 mm。
图1 双钢板连接的钢管混凝土组合异形柱截面构造
采用有限元分析软件ABAQUS建立了双钢板连接的钢管混凝土组合异形柱有限元模型。钢材的本构采用多线性随动强化模型[19]，应力-应变曲线分为5个阶段，考虑了钢材弹塑性阶段和强化阶段，其中钢板和钢管的弹性模量及屈服应力采用材性试验实测值[18]。采用ABAQUS中定义的塑性损伤模型来考虑管内混凝土的损伤，混凝土受压本构采用韩林海[19]提出的混凝土应力-应变关系模型，考虑了钢管对内部混凝土的约束效应，混凝土受拉本构采用《混凝土结构设计规范》[20]中附录C.2.3中的公式，其中混凝土抗压强度采用材性试验实测值。钢管和内部混凝土采用摩擦接触，摩擦系数取0.45，其余接触关系均为绑定约束。上下端板分别与加载处参考点耦合，并在参考点上施加边界条件和加载位移。有限元模型及加载方式如图2所示。
图2 有限元模型
1.2 模型验证
试验与有限元模拟结果的承载力对比信息如表1所示，其中“E”后的数值表示加载点距离形心的距离，即偏心距。所有模型均为双向整体弯曲破坏，与试验试件弯曲方向相同。对比试验和有限元模拟的荷载-位移曲线(图3)可以发现，在加载初期模型和试验试件的刚度吻合良好，达到极限荷载后，有限元模型的承载力比试验试件下降较快，这是由于有限元模型未能考虑初始缺陷和初始弯曲的影响。5个试件的极限承载力相差0.99%~4.61%。可以认为数值模拟结果较为准确。本文采用的有限元建模方法能够有效较为准确反映组合异形柱的受压承载性能，可以采用此模型进行不同构造的轧制型材组合异形柱轴压力学性能研究。
表1 试验与有限元模拟结果对比
图3 试验与有限元模型荷载位移曲线对比
轧制型材组合异形柱的力学性能
2.1 模型建立
采用本文提出的有限元建模方法，建立了不同构造的5种轧制型材组合异形柱，研究不同构造和是否填充混凝土对组合异形柱轴压力学性能的影响，探究轧制型钢应用于组合柱的可行性。5种组合异形柱的构造详见图4。试件SJ1和SJ2中型钢布置方向不同，试件SJ1类似于上文提到的双钢板连接的组合异形柱，试件SJ2类似单钢板连接的组合异形柱；试件SJ3和SJ4由热轧H型钢组合形成，其中SJ3采用封口钢板将H型钢组合为闭口截面；试件SJ5仅在组合异形柱两端分别设置两道H型钢短梁，类似格构式组合柱。
图4 不同构造轧制型材组合异形柱截面构造
试验中使用的是2/3缩尺试件，本文为了便于型材选择，采用更加接近实际使用情况的方钢管和热轧H型钢尺寸。热轧H型钢的型号为HW150×150×7×10，方钢管截面为150 mm×150 mm，厚度为10 mm，所有组合异形柱高度均为600 mm，端板尺寸为550 mm×550 mm，厚度为40 mm。试件SJ3S是在SJ4的基础上焊接了3块封口钢板，封口钢板厚度为10 mm。为了便于对比分析，所有试件的钢材屈服强度取235 MPa，管内混凝土强度取25.6 MPa。以组合异形柱角柱端点作为坐标原点，不同构造组合异形柱根据横截面材料分布计算得出形心位置。5种组合异形柱的详细参数如表2所示。
表2 轧制型材组合异形柱试件参数
2.2 失效模式与承载性能
不同构造组合异形柱模型的失效模式与破坏现象如图5所示，模型试件的失效模式均为整体受压破坏，伴随钢管局部屈曲破坏。观察最终破坏形态：未填充混凝土的试件钢管失效时屈曲破坏严重，钢管发生了向外鼓曲和向内凹陷，钢管壁形成波浪形屈曲模态。试件SJ4-1为开口试件，热轧H型钢翼缘在开口处无侧向约束，屈曲现象更为明显；试件SJ3-1的封口钢板明显约束了H型钢翼缘的自由变形。填充混凝土后的试件破坏模式明显发生改善，所有试件的钢管屈曲现象明显减轻，内填混凝土约束了钢管向内的凹陷，仅发生向外的鼓曲。试件SJ4-C虽然是开口截面，但是相邻钢管空腔内混凝土的存在也对H型钢翼缘提供了侧向支撑作用，明显降低了H型钢翼缘的变形。试件SJ5-1和SJ5-C中H型钢主要承担连接相邻钢管的作用，不承受竖向荷载，观察模型应力可以发现H型钢受力较小，但仍能较好发挥各钢管之间的协调作用。
图5 不同构造轧制型材组合异形柱有限元结果对比 Pa
为了分析不同构造形式及是否填充混凝土对组合异形柱承载力的影响，将各试件的荷载-竖向位移曲线(图6)和承载力进行对比(图7)。可以发现，混凝土的存在对组合异形柱的承载力影响显著，填充混凝土试件比未填充混凝土试件的承载力提高了29.88%~55.00%。试件SJ1和SJ2仅热轧H型钢布置方向不同，对承载力的影响几乎不计。试件SJ3-1的承载力较SJ1-1降低了3.20%，填充混凝土后的试件SJ3-C的承载力较SJ1-C提高了2.47%，结合2组试件的截面特性发现两者截面含钢率相近，因此轴压承载力也相差不大。试件SJ4-1和SJ4-C的承载力分别与试件SJ3-1和SJ3-C相比下降了15.70%和11.47%，说明封口钢板在限制H型钢翼缘外，对试件承载力也有重要影响。试件SJ5-1和SJ5-C的轴压承载力主要由3根通过H型钢连接的钢管混凝土柱承担，因此承载力最低，比其他试件承载力降低了15.90%~36.94%，这说明H型钢作为竖向构件互相组合或与钢管组合形成的组合异形柱可以协调工作，并有效承担竖向荷载。
图6 荷载-竖向位移曲线对比
图7 有无混凝土试件的承载力对比
2.3 受力机理分析
轧制型材组合异形柱柱中截面不同位置的应力随荷载的变化情况如图8和图9所示。SJ5中位置3、6、10、11位于加载端的钢短梁腹板处。
图8 无混凝土试件的荷载-应力曲线
图9 有混凝土试件的荷载-应力曲线
对于纯钢组合异形柱(未填充混凝土)试件，加载初期均处于弹性阶段，所有试件的H型钢、钢管(包括SJ4-1的封口板)均共同承担竖向荷载，相互之间变形协调。达到极限荷载时，SJ1-1跨柱中截面位置的H型钢均达到屈服，位于1、8的钢管达到屈服；SJ2-1的柱中大部分位置均达到屈服，仅位于1、8的钢管未达到屈服；说明H型钢竖向放置能够充分承担竖向荷载。达到极限荷载时，SJ4-1柱中截面钢材均屈服；SJ3-1柱中截面位置除了封口板以外均达到了屈服，且封口板应力接近屈服，因此认为封口板能显著提高试件承载力。SJ5-1柱中截面位于2、4、9、12的钢管达到了屈服，其余位置钢管未达到屈服时整个试件就发生了整体破坏，说明各钢管之间协调能力较差；SJ5-1的钢短梁应力较小，说明两端的钢短梁仅发挥连接作用，不承担竖向荷载。
对于轧制型材-混凝土组合异形柱(填充混凝土)试件，加载初期处于弹性阶段，在达到极限荷载前，各个试件的内部混凝土均达到了极限强度，其中SJ3-C和SJ4-C混凝土应力增长较快。在达到极限荷载时，SJ1-C、SJ2-C和SJ5-C的柱中截面钢材均达到屈服，混凝土达到极限强度。达到极限荷载时，SJ3-C和SJ4-C的钢材应力变化与其他试件相比较为分散；SJ3-C柱中截面位于4、8位置的封口板钢材未达到屈服；SJ4-C柱中截面位于8、10、13的H型钢翼缘钢材未达到屈服。以上发现说明，钢管、H型钢和内部混凝土能够共同承担竖向荷载；混凝土在改善了试件破坏模式的同时，也增加了极限承载力。
规范计算方法对比
有限元结果表明，不同构造的轧制型材组合异形柱均具有良好的承载性能和变形能力，但因其截面形状不规则，现行标准或规范中对于组合异形柱的承载力计算方法对此类组合异形柱的适用性还需进一步探讨。因此，本文采用现行标准或规范中轴压承载力计算方法，评价现有计算方法预测轧制型材组合异形柱轴心受压承载力的准确性。
3.1 GB 50017—2017
本文对于纯钢组合异形柱的轴压承载力计算采用GB 50017—2017《钢结构设计标准》[21]中对轴心受压构件的截面强度计算方法，其计算式如下：
式中：Ns为组合柱的轴心抗压强度承载力；As为组合柱钢材的截面面积；fs为钢材的抗压强度设计值。
3.2 GB 50936—2014
GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》[22]中对于钢管混凝土短柱的轴压承载力计算基于“统一理论”，是将钢材和混凝土视为一种组合而成的新材料，计算新材料的截面特性、套箍系数和抗压强度，从而计算组合构件承载力的计算方法，其计算式如下：
式中：N0为组合柱的轴心抗压强度承载力；Asc为组合柱的截面面积；fc为混凝土的抗压强度设计值；θ为组合柱的套箍系数；B、C为截面形状对应套箍效应的影响系数。
3.3 T/CECS 825—2021
T/CECS 825—2021《矩形钢管混凝土组合异形柱结构技术规程》[23]中对于钢管混凝土组合异形柱短柱的轴压承载力计算基于“叠加理论”，将钢材和混凝土的承载力进行叠加，不考虑套箍系数。其计算式如下：
式中：Nu为组合柱的轴心抗压强度承载力；As、Ac分别为钢材和混凝土的截面面积；fs、fc分别为钢材和混凝土的抗压强度设计值。
3.4 计算结果对比
根据前述介绍的组合柱的轴压承载力计算方法，将各试件的截面特性、有限元计算结果和各规范公式计算结果进行对比，详见表3和图10，其中，NFEM为有限元计算得到的极限承载力值，两条虚线分别为计算得到的承载力高于有限元模拟结果的+10%和-10%，δs、δ0和δu分别为3种规范计算结果与有限元计算结果的误差。
表3 轧制型钢组合异形柱轴压承载力及相关参数
图10 承载力计算值与模拟值对比
由图10可见，对于纯钢组合异形柱，GB 50017—2017的计算式与有限元模拟结果较为接近，前4个试件的计算误差在2%以内；试件SJ5-1的承载力计算值比模拟值高7.03%，这可能是由于该试件两端设置钢短梁的连接方式，降低了组合异形柱的整体性能，实际承载力有所降低。对于轧制型材-混凝土组合异形柱，GB 50936—2014的承载力计算值较高于模拟值，整体误差在9%以内，这是由于本文提出的组合异形柱与传统的钢管约束混凝土柱构造不同，套箍系数高估了钢管对内部核心混凝土的约束作用；T/CECS 825—2021的承载力计算值较低于模拟值，整体误差在5.12%~10.48%之间；试件SJ4-C的承载力计算值比模拟值低10.48%，这可能是由于该试件管内混凝土对H型钢开口翼缘的自由变形有一定的约束作用，从而提高了试件的整体性能。采用两种方法得到的轧制型材-混凝土组合异形柱轴压承载力计算值与模拟值相比，计算误差在11%以内，说明两种方法均能良好预测型材-混凝土组合异形柱短柱的轴压承载力。
结束语
1)提出的有限元建模方法能够有效模拟双钢板连接钢管混凝土组合异形柱受压力学性能，模拟结果能够较为准确反映组合异形柱的承载性能。
2)提出的轧制型材组合异形柱的失效模式均为整体受压破坏，伴随钢管局部屈曲破坏。填充混凝土后能够明显改善组合异形柱的破坏模式，提高承载力。
3)采用封口板的组合异形柱试件具有良好的承载性能，同时纯型钢组合截面与型钢-钢管的组合截面相比有更多的组合形式，更适合建筑领域的构件标准化。
4)GB 50017—2017能够较为准确地预测纯钢轧制型材组合异形柱短柱的轴压承载力，相对差值在8%以内。GB 50936—2014对轧制型材-混凝土组合异形柱的承载力预测值偏高，T/CECS 825—2021对轧制型材-混凝土组合异形柱的承载力预测值偏于安全，两种方法均能较为准确地预测轧制型材-混凝土组合异形柱的短柱轴压承载力，相对差值在11%以内。
注:受限于推文篇幅，文章参考文献未标注，详见原文。
陈志华，天津大学二级教授、讲席教授，博士生导师，天津城建大学副校长，国家百千万人才、天津市杰出人才、杰出津门学者、国务院政府特贴专家、天津市科协常委、全国百篇优博指导教师、中国钢结构首届杰出人才、天津市工程勘察设计大师。荣获2019年中华人民共和国七十周年纪念章。担任天津大学建工学院钢结构研究所所长，兼任中国建筑金属结构协会铝结构分会会长、中国钢协专家委员会副主任、中国建筑业协会钢木分会副会长、天津钢结构学会理事长和天津钢结构协会会长等。发表高水平论文千余篇，作为负责人先后获得国家科技进步二等奖、省部级科技进步一等奖6项，发明专利36项。研究成果应用于第十三届全运会系列场馆、天津文化中心重点工程、国家会展中心（天津）等百余项大型基础设施建设项目。
刘洁，博士，中冶建筑研究总院有限公司高级工程师。主要从事钢结构、组合结构研究。作为骨干人员参与了“十三五”国家重点研发计划项目“钢结构建筑产业化关键技术与示范”，相关研究成果编入行业标准《矩形钢管混凝土组合异形柱结构技术规程》（T/CECS 825-2021）。发表论文13篇，授权发明专利4项。以主要参与人获中冶集团科学技术奖二等奖1项，中国建筑金属结构协会科学技术奖一等奖1项。
张泽宇，博士，中冶建筑研究总院有限公司高级工程师，国家钢结构工程技术研究中心主任助理，中国钢结构协会房屋建筑钢结构分会副秘书长。主要从事钢结构及装配式建筑领域的技术开发与推广应用工作。参与国家科研项目5项，参编国家标准10余项，发表论文10余篇，授权专利30余项，获省部级科技奖励5项。相关成果应用于北京冬奥会、杭州亚运会等多项国家重点工程项目。
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