内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱局压性能有限元分析学习体会

文献概况与研究意义

本文由沈阳建筑大学谢晋、李兵撰写，发表于2023年《科学技术与工程》第23卷第5期，获得国家自然科学基金等多项资助。研究采用ABAQUS有限元软件，对内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱的局压性能进行了系统的数值模拟分析，并提出了局压承载力计算公式。圆端形钢管混凝土结构是近年来发展的一种新型复合结构形式，其圆端形截面在提供约束作用的同时，具有较好的抗弯性能和施工便利性。

有限元建模与验证

模型建立要点

有限元分析的成功首先取决于模型的准确性。文献使用现有试验数据进行验证，证明所建立模型是可靠的。在建模过程中，需要考虑以下关键技术要素：钢管与混凝土之间的接触关系采用面面接触定义，法向接触采用硬接触，切向接触采用库仑摩擦模型；混凝土本构模型采用损伤塑性模型，考虑受拉和受压的损伤演化；工字钢采用各向同性弹塑性本构模型。

验证方法

有限元模型的验证是确保分析结果可靠性的关键步骤。作者通过与现有试验数据进行对比验证，包括承载力-位移曲线、破坏模式和残余强度等方面的对比。验证结果表明模型能够准确预测试验中的力学行为，证明了建模方法的合理性。

工字钢参数对局压性能的影响

含钢率的影响规律

文献揭示了一个重要的规律：含钢率小于34%时，纵向放置工字钢腹板厚度参数变化对局压承载力影响较大；含钢率大于34%时，横向放置工字钢翼缘厚度参数变化对局压承载力影响较大。这一发现具有重要的工程设计指导意义。

局压承载力计算公式

作者基于有限元模拟结果提出了局压承载力计算公式，经模拟结果验证，计算承载力与模拟承载力的比值为0.86~1.06，说明公式具有较好的精度。这一比值范围表明公式的计算结果略偏保守，在工程设计中是安全合理的。

技术深度分析与工程思考

圆端形截面的力学优势

圆端形钢管混凝土截面相比矩形截面，具有更均匀的应力分布和更好的约束效果。圆端部分能够更有效地约束混凝土的横向膨胀，减少约束力的集中效应。内置工字钢的加入进一步提高了截面的抗弯刚度和局压承载力，但其布置方式和参数选择对性能影响显著。

含钢率34%的临界意义

含钢率34%作为影响规律转变的临界值，反映了结构受力的主导机制变化。当含钢率较低时，工字钢的腹板厚度直接决定了其抗弯和抗剪能力，是局压承载力的主要控制因素；当含钢率较高时，工字钢翼缘的厚度成为关键，因为此时翼缘的局部稳定性控制整体承载力。这一发现为不同含钢率条件下的工字钢选型提供了明确的指导。

工程应用建议

在实际工程中应用内置工字钢圆端形钢管混凝土结构时，建议注意以下几点：首先，工字钢的布置方式应根据含钢率合理选择，低含钢率时优先考虑增加腹板厚度，高含钢率时优先考虑增加翼缘厚度；其次，有限元分析结果虽然经过试验验证，但在实际工程应用中仍应结合试验数据进行适当修正；最后，局压承载力计算公式的适用范围应严格限定在文献研究的参数范围内，超出范围时需要进行专项分析。

本文的研究成果为圆端形钢管混凝土结构的局压设计提供了可靠的理论依据和计算工具，对推动该新型结构形式在工程中的推广应用具有积极意义。