内置T型钢骨-T形钢管混凝土短柱的有限元分析——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于2024年《混凝土》第7期，作者苗远、段燕妮、张继承、杜国锋来自长江大学城市建设学院，李元齐来自同济大学土木工程学院，研究受国家自然科学基金项目资助。研究在试验研究的基础上，使用有限元软件ABAQUS建立了内置T型钢骨-T形钢管混凝土短柱的模型，进行了对比分析，研究了钢管屈服强度、钢骨屈服强度和混凝土强度对极限承载力的影响。

钢管混凝土（Concrete Filled Steel Tube, CFST）结构因其优异的承载力和延性，在高层建筑、桥梁、海洋工程等领域得到广泛应用。传统的CFST截面多为圆形或方形，而T形截面可以充分发挥材料优势，减少用钢量。内置钢骨（Steel Core）的CFST构件可以进一步提高承载力和延性，但T形截面内置T形钢骨的短柱力学性能研究相对较少。本文的研究填补了这一空白。

有限元建模方法

模型建立要点

本文使用ABAQUS建立三维有限元模型，关键建模要点包括：

本构模型选择

混凝土本构模型的选择对模拟精度影响显著。CDP模型能够描述混凝土的拉压不同特性、损伤演化和塑性变形，适用于CFST构件的受压分析。钢管和钢骨采用双折线或三折线本构模型，考虑材料的弹塑性行为。

参数影响分析

钢管屈服强度的影响

文献结果表明，钢管屈服强度的提高对试件极限承载能力影响较大。这一结论符合CFST结构的力学机理：

• 钢管在CFST构件中起约束作用和直接承载作用。
• 钢管屈服强度提高，意味着钢管在更大荷载下才开始屈服，能够更长时间地约束核心混凝土。
• 钢管直接承担的轴向力比例也随屈服强度提高而增加。

钢骨屈服强度的影响

钢骨屈服强度的提高对极限承载能力有所提高，但影响程度小于钢管屈服强度。这是因为：

• T形钢骨位于截面中心，其约束作用不如外围钢管直接。
• 钢骨主要承担直接荷载，对混凝土的约束效应相对较弱。
• 钢骨与混凝土之间的界面滑移可能削弱约束效果。

混凝土强度的影响

混凝土强度的提高对极限承载能力有所提高，但增幅相对有限。这是因为：

• CFST构件的承载力不仅取决于混凝土强度，还取决于钢管的约束效应。
• 高强混凝土在钢管约束下，其抗压强度和延性均有显著提高，但提升幅度不如钢管屈服强度带来的提升明显。

破坏模式对比

有限元模拟的结果与试验得到的破坏模式基本一致，试件的承载力与钢管纵向应变曲线也相吻合。这一验证结果说明：

• 有限元模型能够准确捕捉CFST构件的受力过程和破坏机理。
• 钢管与混凝土之间的接触关系模拟合理，能够反映两者的协同工作。
• 本构模型参数选择适当，能够描述材料的弹塑性行为。

工程实践中的设计考量

T形截面的优势与局限

T形截面CFST构件具有以下优势：

• 材料效率高：T形截面将材料集中在受力较大的区域，比方形或圆形截面更经济。
• 施工便利：T形截面便于与其他构件连接，节点设计相对简单。
• 用钢量节省：在相同承载力下，T形截面可以减少钢材用量。

但也存在局限：

• 局部稳定问题：T形截面的翼缘和腹板较薄，局部稳定需要关注。
• 构造复杂：T形钢管的制造和连接比圆形或方形钢管复杂。
• 各向异性：T形截面在不同方向的刚度差异较大，设计时需考虑。

内置钢骨的适用性

内置T形钢骨可以进一步提高T形CFST构件的承载力，但需要注意：

• 钢骨与钢管之间的间隙填充问题，确保混凝土能够充分包裹钢骨。
• 钢骨与混凝土之间的界面粘结，影响两者的协同工作。
• 钢骨的定位精度，偏差过大会影响受力性能。

关键疑问与思考

本文研究的是短柱（轴压比高、长细比小）的轴心受压性能，但实际工程中CFST构件往往承受偏心荷载或弯矩作用。T形截面CFST构件在偏心受压下的力学性能如何？内置钢骨对偏心受压性能的影响是否与轴心受压不同？此外，本文未涉及构件的延性性能分析，而延性对于抗震设计至关重要。T形截面CFST构件的延性是否优于传统方形截面？内置钢骨对延性的影响如何？这些问题对于T形CFST构件的工程推广至关重要。

学习心得与总结

本文通过试验与有限元模拟的对比分析，系统研究了内置T型钢骨-T形钢管混凝土短柱的轴压力学性能，揭示了钢管屈服强度、钢骨屈服强度和混凝土强度对极限承载力的影响规律。从技术角度看，有限元模型的验证结果令人满意，说明建模方法可靠。从设计角度看，钢管屈服强度是影响承载力的最关键因素，这为T形CFST构件的材料选型提供了指导。然而，T形截面CFST构件的工程应用仍面临局部稳定、构造复杂、延性性能等挑战，需要进一步的试验研究和理论分析。对于从事CFST结构设计的工程师而言，本文提供了一个有价值的截面形式参考，同时也提醒我们在推广新型截面时，必须充分考虑其受力性能、构造可行性和施工便利性。