方钢管煤矸石混凝土短柱轴压承载力有限元分析学习体会

文献概况与研究价值

张玉琢等发表于《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》2024年第40卷第2期的本文，研究了煤矸石粗骨料取代率对方钢管混凝土短柱轴压承载力的影响。煤矸石作为煤炭开采和加工过程中产生的固体废弃物，其资源化利用对于减少环境污染、节约天然骨料资源具有重要意义。本文通过ABAQUS有限元分析，系统研究了5种煤矸石粗骨料取代率下主要设计参数对轴压承载力的影响规律。

有限元模型与方法

本文采用ABAQUS有限元分析软件建立方钢管煤矸石混凝土短柱轴压有限元模型，并与试验结果对比验证模型准确性。从有限元建模角度，需关注以下关键要素：

煤矸石混凝土性能与取代率影响

本文的核心发现是：相同设计参数下，试件轴压承载力随煤矸石粗骨料取代率的提高而降低，且最大降幅未超过14%。这一结论具有重要的工程指导意义。

从材料科学角度分析，煤矸石粗骨料取代天然碎石后，混凝土性能劣化的原因主要包括：

1. 煤矸石骨料强度较低：煤矸石的压碎值和耐磨性指标通常低于天然碎石，导致混凝土基体与骨料的界面粘结强度下降。
2. 煤矸石吸水率较高：煤矸石的多孔结构导致混凝土拌合物的水灰比实际偏高，影响混凝土的密实度和强度。
3. 煤矸石与水泥的水化反应活性差异：煤矸石中的活性组分可能与水泥发生二次水化反应，但反应速率和产物形态与天然骨料不同。

含钢率与承载力的关系

本文的另一重要发现是：当截面边长一定时，含钢率对轴压承载力的影响最显著，含钢率由7.4%增加至20.3%使轴压承载力在不同取代率下平均提升68.85%。这一结果与钢管混凝土结构的基本力学原理一致。

从钢管混凝土的约束效应角度分析，含钢率提高意味着钢管对核心混凝土的约束作用增强。钢管在混凝土膨胀时提供侧向约束压力，使混凝土处于三向受压状态，显著提高其抗压强度。对于煤矸石混凝土而言，虽然混凝土基体强度有所降低，但钢管的约束效应可以有效补偿这一损失。

计算式与规范对比

本文依据《钢管混凝土结构技术规范》（GB 50936—2014），引入煤矸石粗骨料取代率影响系数后的计算误差小于5%。这一结果表明，现行规范公式经过适当修正后，可以适用于煤矸石钢管混凝土结构的设计。

从规范应用角度，建议在实际工程中注意以下事项：

• 煤矸石骨料的物理力学性能指标需通过试验确定，不宜直接套用天然骨料的经验值。
• 煤矸石混凝土的长期性能（徐变、收缩、耐久性）需通过长期试验评估，不宜仅依据短期强度指标进行设计。
• 煤矸石混凝土的碳化深度和氯离子渗透系数可能高于普通混凝土，在腐蚀环境中需加强防腐措施。

学习心得与总结

本文的研究为煤矸石资源化利用提供了重要的技术支撑。从工程实践角度，煤矸石钢管混凝土结构的推广应用需要解决以下关键问题：煤矸石骨料的标准化生产与质量控制、煤矸石混凝土配合比的优化设计、长期性能评估与耐久性验证。建议在后续研究中，开展煤矸石钢管混凝土柱的疲劳性能、抗震性能和腐蚀性能试验，完善煤矸石钢管混凝土结构的完整设计理论体系。