大空心率圆中空夹层钢管超高性能混凝土短柱轴压力学性能研究

摘要： 为研究大空心率的圆中空夹层钢管超高性能混凝土短柱的轴压力学性能，进行了6根大空心率的圆中空夹层钢管超高性能混凝土短柱和1根实心圆钢管超高性能混凝土短柱对比试件的轴压试验研究，分析了试件的破坏形态、荷载-应变关系曲线和横向变形系数。结果表明：大空心率的圆中空夹层钢管超高性能混凝土柱的轴压破坏形态表现为剪切型破坏和端部鼓曲破坏，其中内钢管在外钢管鼓曲的位置发生了向内的屈曲；随着空心率的增大，试件的承载力随之降低，试件的横向变形发展速度加快。采用有限元软件ABAQUS建立了轴压试件的分析模型，其中分别采用了两种混凝土本构关系模型进行了模拟，结果表明：采用两种混凝土本构关系模型模拟的破坏形态、极限承载力和荷载-应变关系曲线的弹性阶段都与试验结果基本吻合，它们的差异主要体现在极限承载力和荷载-应变关系曲线的下降段。

关键词： 大空心率；圆中空夹层；超高性能混凝土（UHPC）；轴压；有限元分析

Abstract： To study the axial compressive behavior of ultra-high performance concrete short columns of a circular hollow sandwich tube with large hollow ratio， six ultra-high performance concrete short columns of a circular hollow sandwich tube with large hollow ratio， and one solid round steel tube ultra-high performance concrete short column are carried out. The axial compression test study of the column contrast specimen， the failure mode of the specimen， the load-strain relationship curve， and the transverse deformation coefficient are reported. The results show that the axial compression failure mode of the ultra-high performance concrete column of circular hollow sandwich steel tube with a significant hollow ratio shows shear failure and end bulge failure， in which the inner steel pipe buckles inward at the bulge position of the outer steel pipe；as the hollow ratio increases， the bearing capacity of the specimen decreases， and the development speed of the lateral deformation of the specimen accelerates. The finite element software ABAQUS is used to establish the analysis model of the axial compression specimen. Two concrete constitutive relationship models are used to simulate respectively. The two concrete constitutive relationship models' failure mode， ultimate bearing capacity， and ultimate bearing capacity are presented. The elastic stage of the load-strain relationship curve is consistent with the test results， and their differences are mainly reflected in the ultimate bearing capacity and the descending section of the load-strain relationship curve.
Keywords： large hollow ratio；circular hollow sandwich；ultra-high performance concrete（UHPC）；axial compression；finite element analysis

圆中空夹层钢管超高性能混凝土是将内、外两根圆钢管同心放置，在两根钢管夹层间浇筑超高性能混凝土而形成的新型组合构件。此类构件具有截面开展、抗弯刚度大、自重轻等优点，适合应用在输电塔、风力发电机支撑柱、地铁站台及海洋平台柱等工程中 ^[1-2] 。

目前学者对采用普通混凝土的圆中空夹层钢管混凝土的研究较多。WEI等 ^[3] 进行了圆中空夹层钢管混凝土试验研究，结果表明：中空夹层钢管混凝土轴压承载力大于钢管和混凝土承载力的叠加之和，起到“1+1>2”的效果；UENAKA等 ^[4-5] 分别进行了12根中空夹层钢管混凝土短柱轴压试验研究，结果表明：中空夹层钢管混凝土柱的破坏模式主要是内、外钢管局部屈曲和夹层混凝土剪切破坏；空心率对试件的破坏模式有着显著的影响。从本课题组的试验研究 ^[6-9] 来看，试件性能在两个方面有区别：（1）对于轴压试件，① 空心率介于0~0.5之间，其纵向应力最大位置出现在混凝土中部；② 空心率>0.5时，靠近内钢管的混凝土应力最小，靠近外钢管的混凝土纵向应力最大；（2）对于反复加载下中空夹层钢管混凝土压弯试件，当空心率<0.5时，内钢管的屈服强度对弯矩-曲率骨架曲线影响较小；但当空心率>0.5时，随着内钢管屈服强度的增加，屈服弯矩有所提高，表明内钢管抗弯作用加强。综上：空心率0.5是一个分界点，所以本文将空心率>0.5的构件定义为大空心率构件。

在实际工程中，采用了普通混凝土的中空夹层钢管混凝土不宜设计成大空心率构件，原因有：（1）由于混凝土承担了大部分的荷载，大空心率构件的混凝土截面面积大幅度减小，相较于实心钢管混凝土，大空心率构件的承载力大大降低；（2）对于采用了粗骨料的普通混凝土而言，由于大空心率构件夹层空隙较小，而普通混凝土当中含有粗骨料，造成了构件浇筑困难。

若将超高性能混凝土应用在大空心率中空夹层构件中就可以避免以上两个缺陷：首先超高性能混凝土的承载力高，再者没有粗骨料，相较于普通混凝土更易浇筑。这种新型结构形式在保留高承载力的同时又能减轻自重。

目前已有将超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）应用在实心钢管中的相关研究。XIONG等 ^[10] 开展了高强方钢管超高强度混凝土短柱轴心受压试验，表明钢管超高强度混凝土较钢管普通混凝土承载力有大幅度提升；颜燕祥等 ^[11] 进行了40根高强方钢管UHPC短柱轴压试验研究，表明套箍系数是影响方钢管UHPC短柱轴压破坏过程和形态的主要因素；王庆利等 ^[12] 对18根钢管高性能混凝土轴压短柱进行了机理研究，表明普通钢管混凝土轴压短柱的承载力计算公式同样适用于钢管高性能混凝土轴压短柱的承载力计算。

本文拟进行6根大空心率的圆中空夹层钢管超高性能混凝土短柱和1根实心圆钢管超高性能混凝土短柱对比试件的轴压试验研究，采用ABAQUS有限元软件对大空心率试件进行了模拟，探讨了两种混凝土本构关系模型 ^[1,15] 在试件模拟中的应用，最后将模拟结果与试验结果进行了对比分析。

1　试验概况

1.1　试验设计及制作

本次试验共设计制作了6个大空心率圆中空夹层钢管超高性能混凝土短柱试件，1个实心钢管超高性能混凝土短柱对比试件，主要参数为空心率，且空心率都大于0.5，具体如表1所示。所有试件均采用相同强度的内、外钢管，并保证试件中填充的超高性能混凝土的强度接近，使得所有试件的名义含钢率α _n 和约束效应系数ζ相近。试件制作过程主要包括钢管加工、混凝土浇筑、盖板焊接。为了减少不可控因素对试验的影响，保证加工质量，所有钢管在专业的工厂完成加工、安装且所有试件均在同一天内完成浇筑。

本次试验所用超高性能混凝土质量配合比为：胶凝材料∶水∶石英砂=1∶0.16∶1，减水剂用量为胶凝材料的1.5%，胶凝材料包括水泥、稻壳灰以及瓷砖粉（三种材料占比分别为 65%、15% 以及 20%）。其中水泥为普通硅酸盐水泥（P.O52.5），配以粒径不同的石英砂，水胶比为0.18。本文试件的超高性能混凝土配料尝试用价格低廉的稻壳灰取代价格昂贵的硅灰。由于钢管对超高性能混凝土具有约束作用，所以在配料中不需要加入钢纤维，从而减少使用成本，提高经济效益。

1.2　材料性能

内、外圆钢管采用无缝钢管（Q235钢）。试验前将钢管沿纵向剖开，从钢管的管壁处取样，做成3个标准试件，再进行拉伸试验。钢管材性依据《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010） ^[13] 测得，试验结果如表2所示。每次浇筑圆中空夹层钢管超高性能混凝土试验柱的同时预留立方体抗压试块（100mm×100mm×100mm）。混凝土立方体试块与试件进行同条件养护，测试其28d强度。依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002） ^[14] 方法，测得超高性能混凝土立方体强度，试验结果如表3所示。

1.3　加载及测量方案

试验采用华东交通大学NYL-500型液压力试验机（图1）。正式加载前，对试件进行预加载，观察应变片和位移计读数来进行对中，最大预加载值不超过试件极限荷载的1/10。加载阶段采用分级加载，每级荷载为预估极限荷载的1/10，持荷2min；当荷载达到预估极限荷载的80%时，每级荷载为预估极限荷载的1/20，持荷2min；当试件所受荷载接近试件破坏极限时，开始缓慢连续加载，直至荷载下降到实测极限荷载的75%左右时，停止加载。

图1　试验加载装置及加载示意图

Fig.1　Test setup and schematic diagram

为了准确测量试件的变形，在试件底端对称位置设置4个位移计，用来测量试件的纵向位移。同时在每个试件钢管外表面中截面处沿周长方向等距离布置4个纵向和横向应变片，用来测量试件的纵向和横向应变。应变片测点布置如图2所示。

图2　应变片测点布置

Fig.2　Layout of gauge measuring points

2　试验结果及其分析

2.1　试件破坏形态

通过对本次试验轴压全过程的观测，可以看到：加载初期，试件处于弹性阶段，试件的压缩变形及横向和纵向应变随着荷载的增加而缓慢增长，试件的外钢管无明显变化。试件从试验开始到加载至极限荷载的80%之前，所有试件外观均无明显变化，继续加载至钢管屈服，试件发出钢管被挤压的声音。在荷载达到极限承载力之后的下降阶段，试件的轴向变形和截面变形继续加大，混凝土被挤压的程度加强，鼓曲迅速发展。本次试验分别有两种破坏形态：一种是以C-C-2为代表的剪切型破坏，其破坏形态如图3a）所示；一种是以C-C-3为代表的端部鼓曲破坏，其破坏形态如图3b）所示。其中试件的内钢管在外钢管鼓曲的位置发生了向内的屈曲，其典型试件的内钢管破坏形态如图4所示。

图3　典型试件的破坏形态

Fig.3　Failure modes of typical specimens

图4　典型试件的内钢管破坏形态

Fig.4　Inner pipe failure modes of typical specimens

2.2　荷载-纵向应变关系曲线

图5给出了试件的荷载-平均纵向应变关系曲线。可以看出：在弹性阶段，曲线呈直线，同一外钢管直径下的试件刚度基本一致；当荷载增加至极限荷载的60%左右时，试件进入弹塑性阶段，试件的刚度随着空心率的增大而减小；当达到极限荷载之后，试件的刚度迅速下降，最后趋于平稳发展。

图5　不同空心率试件的荷载-平均纵向应变曲线

Fig.5　Load-mean vertical strain curves of specimens with different hollow ratios

从图5还可以看出：圆中空夹层钢管超高性能混凝土和实心钢管超高性能混凝土的上升趋势大致相同，但是圆中空试件的承载力下降缓慢最后趋于平稳发展，可见圆中空试件的延性优于圆实心试件的延性；随着空心率的增大，由于夹层超高性能混凝土截面积减小，承载力下降幅度明显。

2.3　荷载-横向应变关系曲线

图6给出了不同空心率下试件的荷载-平均横向应变关系曲线。可以看出：当达到极限荷载之后，试件C-C-1、C-C-3、C-C-4和C-C-6出现了横向应变减小的情况，这是由于应变片处的外钢管出现了局部的屈曲现象。由图6可以看出，随着空心率的增大，试件横向变形的发展速度随之加快；曲线斜率逐渐降低，试件刚度下降。从图6a）试件C-C-2的曲线走势可以很明显看出其在接近峰值时横向应变突然增大，这对应了图3中试件C-C-2的中部剪切破坏特征。

图6　不同空心率试件荷载-横向应变曲线

Fig.6　Load-horizontal strain curves of specimens with different hollow ratios

2.4　横向变形系数曲线

图7给出了试件的横向变形系数（横向平均应变和纵向平均应变的比值）与纵向应变关系曲线。可以看出：在加载初期，试件处于弹性阶段，横向变形系数在钢材的泊松比（ν=0.3）附近波动；在加载后期，试件的横向变形系数开始逐步上升，这个时候超高性能混凝土的横向变形超过了钢管的横向变形。

图7　横向变形系数曲线

Fig.7　Horizontal deformation coefficient curves

从图7a）和图7b）可以看出：空心率最大的两根试件C-C-3（χ=0.88）和C-C-6（χ=0.77）的横向变形系数在加载后期出现了先上升后又下降的现象，这个时候试件的横向变形朝着试件的内部发展，对应了图4中试件内钢管发生了向内屈曲的现象。

3　有限元计算

3.1　模型建立

采用有限元软件ABAQUS建立了圆中空夹层钢管超高性能混凝土轴压试件模型，对试件的荷载-应变关系曲线进行计算。钢材采用塑性分析模型作为本构关系模型，钢材的弹性模量取2.06×10 ⁵ MPa，泊松比取0.3。

为了尽可能让模型符合实际的边界条件，试件模型的边界条件为一端铰支，一端自由，试件底端分别限制x、y、z 3个方向的位移，用来模拟铰支效果；自由端作为加载端，对自由端盖板施加向下的轴力。图8为圆中空夹层钢管超高性能混凝土柱试件模型边界条件示意图。

图8　轴压试件边界条件模型

Fig.8　Boundary condition model of axial compression specimen

3.2　有限元计算与试验结果对比

3.2.1　破坏形态对比

图9给出了分别采用两种混凝土本构关系模型建立的有限元模型模拟的典型试件C-C-3的轴压破坏形态和试验破坏形态的对比。可以看出：采用两种混凝土本构关系模型都能较好地模拟出试件的最终破坏形态。对比试验结果发现，试件在轴压试验早期，试件上、下段分别出现较均匀的鼓胀现象，与有限元模拟的最终破坏形态相似；但是随着荷载的持续增加，试件会出现多处小鼓曲，最终破坏形态为试件的某一端或两端同时出现鼓曲破坏。这与试件加工过程中焊接引起的端部效应以及混凝土浇筑引起的夹层混凝土质量不均匀等因素有关。

图9　破坏形态对比

Fig.9　Comparison of failure modes

3.2.2　荷载-纵向应变曲线对比

利用上述两种混凝土本构关系模型分别对所有轴压试件进行有限元模拟，并将有限元模拟结果与试验结果进行对比分析。图10分别给出了各个试件试验和模拟的荷载-平均纵向应变关系曲线的对比。可以看出：（1）弹性阶段比较：采用两种混凝土本构关系模型模拟的荷载-应变关系曲线都与试验实测的荷载-应变关系曲线在弹性阶段基本吻合。（2）承载力比较：将图10中模拟的极限承载力提取出来，列于表1中进行比较。试验实测极限轴压承载力与采用受钢管约束的普通混凝土本构关系模型模拟的轴压试件极限承载力的比值平均值为1.039，标准方差为0.072，误差在10%以内；试验实测极限轴压承载力与采用超高性能混凝土本构关系模型模拟的轴压试件极限承载力的比值平均值为0.913，标准方差为0.091，误差在10%以内，其中有个别试件（C-C-2、C-C-3）模拟和试验的极限承载力偏差较大。（3）荷载-应变曲线下降段比较：由于试件的约束效应系数较低，试验的荷载-应变曲线下降段相比采用了受钢管约束的普通混凝土本构关系模型模拟的曲线下降得快，而没有考虑约束效应的超高性能混凝土本构关系模型模拟的曲线下降趋势与试验得出的曲线下降趋势较为接近。

图10　轴压试件试验与模拟计算N-ε曲线对比

Fig.10　N-ε curve comparison of axial compression specimens between test and simulated calculation

3.2.3　横向变形系数曲线对比

图11给出了典型试件C-C-6的横向变形系数试验与模拟曲线对比。可以看出：试验和模拟的横向变形系数曲线大致贴合且趋势一致；随着纵向应变的增加，试件的横向变形系数也随之增大。在加载初期，试件的横向变形系数在钢材的泊松比附近；在加载后期，试件的横向变形系数增大，这是因为钢管与混凝土产生了较大的横向变形。

图11　横向变形系数试验与模拟曲线对比

Fig.11　Curve comparison of horizontal deformation coefficients between test and simulation

3.3　轴压全过程荷载分配

当试件承受荷载达到其极限承载力时，试件各组成部分荷载分配如表4所示。可以看出：随着空心率的增大，内、外钢管承担的荷载占比逐渐增加，超高性能混凝土承担的荷载占比逐渐减小；其中试件C-C-2的外钢管承担的荷载相比空心率更小的C-C-1的外钢管承担的荷载减小了，原因是试件C-C-2发生了剪切型破坏。

图12给出了典型试件C-C-1中钢管承担荷载和超高性能混凝土承载荷载的分配曲线。可以看出：当超高性能混凝土达到极限承载力时，试件整体也达到极限承载力，随后开始下降。试件的承载力曲线下降段陡峭，表现出一定的脆性，这是由于约束效应系数太小导致曲线下降段表现出了一定的脆性；后期逐渐平稳发展，表现出良好的后期承载力，原因是钢管屈服变形后在后期仍能对超高性能混凝土提供一定的约束力。

图12　轴压试件轴力分配全过程曲线

Fig.12　Axial force distribution complete process curves

4　结  论

（1）大空心率圆中空夹层钢管超高性能混凝土柱轴心受压破坏形态表现为剪切型破坏和端部鼓曲破坏，同时内钢管在外钢管鼓曲的位置发生了向内的屈曲。

（2）大空心率圆中空夹层钢管超高性能混凝土和实心钢管超高性能混凝土的上升趋势大致相同。在其他参数一定的情况下，随着空心率的增大，试件的承载力逐渐降低；试件的横向变形的发展速度加快；在加载后期，试件的横向变形朝着试件的内部发展。

（3）对于本文试验，采用受钢管约束的普通混凝土本构关系模型和超高性能混凝土本构关系模型都能较好地模拟圆中空夹层钢管超高性能混凝土柱整体的破坏形态、轴压极限荷载和荷载-应变曲线的弹性段，但在荷载-应变曲线的下降段，没有考虑约束效应的超高性能混凝土本构关系模型模拟的曲线下降趋势与试验得出的曲线下降趋势较为接近。

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