带肋配筋空心方钢管高强混凝土轴压短柱力学性能有限元分析

摘要

空心钢管混凝土是一种具有优良性能的组合构件,广泛应用于建筑、桥梁、隧道等工程结构中,矩形钢管混凝土柱与圆形相比,有施工方便、节点构造简单等优点,但研究表明相比于圆形空心钢管混凝土,矩形构件的组合强度较低,延性较差;配筋、加劲等措施,能够有效提升组合柱的强度与延性.PHC 管桩是采用先张预应力离心成型工艺,经过蒸汽养护制成的一种空心圆形钢筋混凝土预制构件,内置纵筋能够提升管桩抗弯性能,螺旋箍筋能够改善结构的延性,其单桩承载力高,造价低,应用范围十分广泛.故提出将 PHC 管桩放入带肋钢管中,夹层混凝土后浇,制成一种新型组合构件——带肋配筋空心方钢管混凝土.已有研究表明,钢管壁厚及宽厚比对此类组合构件的轴压承载力影响最为显著. 为研究带肋配筋空心方钢管高强混凝土短柱的轴压性能,以加劲肋数量、钢管壁厚为变化参数对 18 个带肋配筋钢管混凝土构件进行了有限元模拟,与已有试验结果进行对比,荷载-位移曲线吻合良好.有限元分析结果表明,构件的受力过程可分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性强化阶段、下降阶段,加劲肋对构件轴压力学性能的影响在四个阶段均有所表现.加劲肋能够有效抑制钢管局部屈曲,使得钢管分担更多轴向荷载,充分发挥钢材的轴压性能.研究表明,相比于无肋构件,单肋构件的极限承载力有明显的提升,继续增加加劲肋数量,构件的极限承载力会继续提升,但提升幅度较小.无肋构件中的钢管分担内力会较早达到峰值,分担内力-位移曲线进入下降阶段,而带肋构件的钢管分担内力达到峰值较晚,分担内力-位移曲线无明显的下降段,表明带肋构件的钢管能够在加载后期承担更多的轴向荷载,从而提升构件的延性.相比于增大钢管壁厚,采用合理的加劲措施能够更有效地提升组合构件的承载力,且更加节约钢材.最后给出了带肋配筋空心方钢管混凝土短柱轴压承载力算式,计算结果误差均在 5%以内且偏于保守.