圆端形钢管混凝土柱局压力学性能的数值模拟与工程分析

研究背景与技术意义

本文发表于《沈阳理工大学学报》2025年第44卷第5期，由辽宁省教育厅高等学校基本科研项目资助。研究采用ABAQUS有限元软件对圆端形钢管混凝土柱的局压力学性能进行数值模拟，系统分析了接触力分布、局压承载力及关键参数对结构性能的影响。圆端形钢管混凝土柱是一种在大型供水工程、石化储罐支撑结构中应用的特殊截面形式，其圆弧端部设计旨在改善应力集中和局部稳定性，但在局压工况下的力学行为尚缺乏系统研究。

有限元模型与关键参数分析

研究采用ABAQUS软件建立圆端形钢管混凝土柱的三维有限元模型，通过壳单元模拟钢管、实体单元模拟混凝土，并设置钢管与混凝土之间的接触界面来模拟两者的协同工作。局压工况通过施加分布荷载模拟，局压面积比定义为局压面积与截面面积的比值。

接触力分布规律与受力机理

研究揭示了一个重要的力学特征：同一截面上，钢管圆弧段相比平直段的约束作用更强，接触力更大。这一发现符合圆端形截面的几何特征——圆弧段曲率半径较小，在局压变形时钢管与混凝土之间的接触面积更大，约束效应更显著。同时，研究指出自端部向下，截面各点处的接触力逐渐减小，说明局压荷载的传递具有明显的空间衰减特征，这一规律对局压区域的加强设计具有重要指导意义。

从有限元模拟结果来看，接触力分布的不均匀性是圆端形钢管混凝土柱局压设计的关键控制因素。圆弧段接触力大意味着该区域钢管壁承受的径向压力更大，更容易发生局部屈曲；而平直段接触力相对较小，但受弯矩作用可能产生面外变形。工程设计中应针对圆弧段和平直段分别制定不同的加强措施。

关键参数的敏感性分析

从参数分析结果可以看出，含钢率对局压承载力的影响最为显著，含钢率从0.05增加至0.2时，局压承载力提高了165.3%，同时刚度也显著增大。这表明钢管壁厚的增加对局压性能的提升作用最为直接和有效。钢管屈服强度的提高对承载力也有显著贡献（最高提高56.4%），但对刚度无明显影响，说明承载力提升主要源于材料强度的增加而非几何刚度的改变。

混凝土抗压强度的影响相对较小，从30 MPa提高至50 MPa仅使承载力提高11.2%，但刚度逐渐增大。这一结果提示，在圆端形钢管混凝土柱的局压设计中，应优先通过增大含钢率和选用高强度钢管来提升承载力，混凝土强度的提升效果有限，不宜作为主要设计手段。局压面积比的增大则导致承载力显著降低，从1.44增至16时承载力降低66.1%，说明局压区域越小、荷载越集中，结构性能下降越严重。

工程应用与质量控制建议

基于研究结论，圆端形钢管混凝土柱的局压设计应注意以下要点。第一，局压区域应优先布置在圆弧段而非平直段，利用圆弧段更强的约束效应提高承载力。第二，局压面积比应控制在合理范围内，避免过小的局压面积导致承载力急剧下降。第三，钢管壁厚和屈服强度是提升局压性能的关键参数，设计时应优先优化这两个指标。第四，混凝土强度对承载力的贡献有限，不宜作为主要设计变量。第五，局压区域的钢管与混凝土接触面应确保良好的粘结性能，必要时可采用机械咬合或化学粘结措施。

学习心得与思考

本文采用有限元方法系统研究了圆端形钢管混凝土柱的局压性能，参数分析全面，结论明确，对工程设计具有直接参考价值。但笔者也注意到，研究仅涉及数值模拟，缺乏试验验证。圆端形钢管混凝土柱的局压行为涉及复杂的钢管-混凝土界面接触、材料非线性、几何非线性等问题，有限元模型的准确性高度依赖于接触模型、材料本构模型和网格划分的合理性。建议在后续研究中补充足尺或缩尺模型试验，验证有限元模拟的准确性，并对接触模型进行标定。此外，研究未考虑钢管焊接接头的局部削弱效应、残余应力影响以及长期荷载下的蠕变行为，这些在实际工程中可能显著影响局压性能。总体而言，本文为圆端形钢管混凝土柱的局压设计提供了重要的数值分析依据，但工程应用时仍需结合试验数据和经验进行综合判断。