十字型轻钢混凝土组合异形柱受压力学性能研究

Study on Mechanical Properties of Cross Shaped Light Steel Concrete Composite Column under Compression

摘要

为了研究新型十字型轻钢混凝土组合异形柱的受压力学性能，本文首先对其开展了轴心受压试验，试验发现十字型组合柱的破坏形式主要为弯曲破坏，轴压承载力高，变形能力良好。基于试验结果建立了精细化有限元模型，并进行了数值化模拟分析。然后，将有限元分析结果和试验测试结果进行对比，两者吻合较好，验证了所建立有限元模型的正确性。最后，采用经过验证的有限元计算模型，进行了混凝土强度、型钢厚度、偏心率以及长细比四个参数对组合柱受压性能的影响分析。结果表明：试件承载力和初始刚度随偏心率的增加而降低，随混凝土强度和型钢厚度的增加而增大，但对刚度的提升效果不显著且增幅不断缩小。十字型组合柱的变形能力主要受长细比的影响较大，试件延性和极限承载力随长细比的增加而降低。

Abstract

In order to investigate the compressive performance of a new type of cross shaped light steel concrete composite irregular column， this paper first conducted an axial compression test on it. The test results showed that the failure mode of the cross shaped composite column was mainly bending failure， with high axial compression bearing capacity and good deformation ability. A refined finite element model was established based on experimental results， and numerical simulation analysis was conducted. Then， the finite element analysis results were compared with the experimental test results， and the two were in good agreement， which which verified the correctness of the established finite element model. Finally， the validated finite element calculation model was used to analyze the influences of four parameters， namely concrete strength， steel plate thickness， eccentricity， and aspect ratio， on the compressive performance of composite columns. The results indicate that the bearing capacity and initial stiffness of the specimen decrease with increasing eccentricity， while they increase with increment of concrete strength and steel plate thickness. However， the enhancement effect on stiffness is not significant and shows diminishing increments. The deformation capacity of cross shaped composite columns is mainly affected by the aspect ratio， and the ductility and ultimate bearing capacity of the specimens decrease with the increase of aspect ratio.

Graphical abstract

关键词

装配式建筑 / 轻钢混凝土组合结构 / 十字型异形柱 / 受压性能

Key words

prefabricated building / light steel concrete composite structure / cross shaped column / compression mechanical property

0 引 言

近年来，在“双碳”目标驱动下，低碳、节能的绿色建筑与建造方式得到空前发展，与装配式技术相结合的超低能耗装配式建筑将成为未来建筑业的发展方向^［1］。当前，尽管在超低能耗建筑和装配式建筑领域已有大量研究开展^［2-3］，但是将两者有效结合构成超低能耗装配式建筑方向的研究相对较少。乔文涛等^［4-5］提出了一种新型超低能耗装配式建筑体系，其承重结构为轻钢混凝土框架结构，框架柱为轻钢混凝土组合异形柱。如图1所示，单元模块墙由三肢冷弯薄壁C型钢框架柱通过自攻螺钉固定，并在柱底点焊连接开孔钢板；框架梁上焊接方钢管，拼合柱内部配置钢垫板、抗剪件与锚筋，与钢梁通过高强螺栓连接；钢框架拼装完成后，嵌入石墨聚苯保温板，插入玻璃纤维棒，并在两侧固定轻质混凝土板，完成单元模块墙的预制生产，大幅提高装配率。且轻钢骨架自重轻，混凝土包裹有效改善了轻钢易屈曲的问题，同时提升了其耐火性和耐腐蚀性能。

目前国内学者对钢混组合柱的研究主要针对钢骨混凝土柱，钢骨混凝土柱较多采用高强度钢材，且形式上使用较厚异形钢管来约束混凝土。尽管这种设计增强了柱的承载性能，但同时也导致了较高的钢材消耗^［6］，而冷弯薄壁型钢的应用大大降低了用钢量，节约了成本^［7-8］。

诸多学者对冷弯薄壁型钢及其组合柱进行了研究。姚行友等^［9］对32根LQ550冷弯薄壁等肢卷边角钢柱进行了轴压试验，发现其主要破坏形态取决于宽厚比和柱长，展现了弯扭屈曲到局部屈曲的不同屈曲形态。崔瑶等^［10］探讨了多肢拼合截面的冷弯薄壁型钢柱的轴压受力性能，显示了长细比、肢数及拼合形式对其承载性能的影响。王玉环等^［11］进一步研究了新型十字形拼合截面立柱，通过理论分析和实验研究验证了其在提高结构稳定性和承载力方面的有效性。研究表明，该拼合截面立柱具有更好的整体性，并展现了显著的拼合效应，尤其在较高长细比下，其材料利用率得到显著提升。郑再奇^［12］将单根C型钢或U型钢和混凝土构成的组合柱进行了试验研究和数值模拟分析。当前研究多集中在型钢混凝土柱及其异形柱、简单冷弯薄壁型钢组合柱上，对复杂冷弯薄壁型钢混凝土组合异形柱的研究较少，且这些研究并未考虑装配式、低能耗或二者结合。

本文以文献［5］中提出的轻钢混凝土组合异形柱框架结构承重体系中的十字型柱作为研究对象，对其进行轴心受压承载力试验研究，并开展数值仿真分析，探究组合柱的轴压破坏机理及影响其轴压承载性能的主要因素。

1 试验概况

1.1　试件设计

十字型轻钢混凝土组合异形柱的构造如图2所示。型钢骨架使用8根2 400 mm长冷弯薄壁C型钢和4根去卷边的2 400 mm长冷弯薄壁C型钢通过自攻螺钉拼合而成，并在型钢骨架的各阴角处焊接50 mm长等边角钢缀板和30 mm长栓钉，最后将型钢骨架整体浇筑混凝土。组合柱长度为2 400 mm，组合柱详细构造以及冷弯薄壁C型钢和等边角钢缀板的详细尺寸如图2所示，试件的其他参数详见表1。钢材和混凝土的连结如图3所示，钢骨架表面焊有栓钉，以保证钢材和混凝土协同工作，试验结果表明它们之间协同工作良好。

1.2　材料力学性能

冷弯薄壁型钢和混凝土为组合异形柱的主要材料，依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》 （GB/T 50081—2019）^［13］和《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2021）^［14］对其进行材料性能试验，得到的型钢应力-应变关系曲线如图4所示。试验采用的混凝土试块为立方体，边长为150 mm。实测结果详见表2和表3。

1.3　位移计布置

在试件上下端板各布置两个竖向位移计来测量试件位移，两个位移计为对称布置，在加载的同时采集相对上下端板两侧的竖向位移实时记录。随后，通过对收集的数据进行筛选和加权平均处理，精确计算出试件的轴向位移。位移计的具体布置如图5所示。

1.4　加载装置及加载方案

本试验使用的加载装置为1 000 t压剪万能试验机。为实现边界铰接约束，试件上下端采用特制球铰支座，试验装置及球铰支座如图6所示。试验采用控制位移进行加载，千斤顶的液压传感器实时采集荷载数据，通过竖向位移计采集试件的轴向位移。

为保证轴心受压，加工端板时直接加工好定位螺纹孔，并将端板与型钢骨架整体浇筑。在试验前对试件进行初步有限元分析，得到模拟荷载值。正式加载前先对试件预加载模拟值的10%，目的是检查试验机是否正常工作、减少浇筑时不密实等对实验结果的影响，预加载后卸载。正式加载时，加载速率选择0.02 mm/min，以模拟值的10%对试件分级加载，每级加载时记录试件的轴向位移，加载至模拟值的80%后，以模拟值的5%分级加载，峰值荷载过后，下降段取至试验峰值荷载的85%时停止试验，或因试件变形过大而无法继续加载时停止试验。

2 试件破坏过程

图7展示了十字型组合柱在试验中的破坏情况。在初期加载阶段，试件保持在弹性工作状态，其12个表面均未观察到裂纹，表明受力均匀。当荷载达到极限荷载的约80%时，在组合柱的AB和CD阴角中部开始出现裂纹，并逐渐向端部扩展。此阶段，荷载-位移曲线的斜率显著下降，曲线趋于平稳。在极限荷载达到后，AB和CD阴角的裂纹上下贯通，并在中部向横向发展，观察到混凝土发生压溃和脱落。此时，构件的承载能力主要由型钢骨架提供。

荷载达到设计荷载后停止加载，试件的混凝土破坏情况见图7（a）—（c），图7（d）为组合柱内部型钢骨架破坏情况。通过分析，发现型钢骨架的破坏主要表现为局部屈曲。位于阴角的缀板将型钢有效地连接为一个整体，使得型钢骨架能够充分发挥其承载能力，从而在提升组合柱的整体承载力中发挥了关键作用。

3 有限元模型验证

3.1　有限元模型建立

使用有限元软件ABAQUS/Standard进行建模分析，模型包括柱主体结构和加载时使用的上下端板，如图8所示。有限元中的边界条件和加载制度基于试验的实际情况进行设置，柱上下端板采用绑定操作与混凝土上下端部连接，在端板远离混凝土的表面上建立耦合点，约束上端板表面耦合点X、Y方向的水平自由度，同时约束下端板表面耦合点三个方向的水平自由度以模拟铰接的边界条件，并对上端板耦合点施加轴向荷载。

3.2　初始缺陷

为了确保模型能够真实地反映长细比较大的构件在实际工况下的行为，本研究在有限元模型中引入了初始弯曲缺陷，构件沿纵向初始缺陷如图9所示。考虑到构件可能因制造或安装过程中的不精确而产生微小的初始偏差，模型中每个柱元素均按其长度的1/1 000预设一个轴向的初始弯曲度。这一设置是基于工程常见的偏差范围，并旨在通过模拟这些初期不完善条件，更精确地预测长细比对构件承载力和稳定性的影响。

3.3　破坏特征对比

下面进行数值模拟结果与试验结果的对比分析。为了便于与试验破坏现象进行对比，图10只给出了混凝土的应力与变形。从模型的几何变形来看，混凝土的裂缝分布与模型的挠曲变形一致；从应力分布角度来看，柱的上下端及中部应力较大，符合挠曲破坏的应力特征。由图10可看出，试验和模拟得到的破坏现象大致相同，模拟效果良好。

3.4　荷载-位移曲线对比

荷载-位移曲线如图11所示，由图可知：模拟曲线和试验曲线整体变化趋势大致相同，抗压刚度和极限荷载值相差不大，表明模型的可信度较高。由于有限元模型的边界条件和材料属性都是理想的，但实际混凝土材料具有不均匀性，在加工、浇筑和振捣中也会存在一定的误差，导致两条曲线的极限承载力和其对应的轴向位移存在着偏差，试验曲线下降速率略大于模拟曲线下降速率，但试验和模拟的极限承载力误差控制在了15%以内，且从整体变化趋势来看，模型能够基本呈现试件的受力特征。

4 变参数分析

4.1　组合柱变参数试件设计

根据试验中试件的变形破坏情况和初步模拟分析结果，本文选择混凝土强度、型钢厚度、偏心率及长细比对十字柱进行变参数分析。因本文以住宅建筑为应用场景，故在参数选择上以住宅建筑中常用的尺寸为依据，混凝土强度选择C20、C30、C40，型钢厚度选择1.8 mm、2.5 mm、3 mm，偏心率选择0、0.3、0.6，柱长度选择2 400 mm、3 200 mm、4 000 mm，共建立了8个变参数模型。利用ABAQUS软件对上述试件进行有限元分析，得到8个变参数模型的荷载-轴向位移曲线，各模型的具体参数见表4。

十字型组合柱使用的材料包括冷弯薄壁C型钢、缀板、混凝土、上下端板、栓钉和自攻螺钉6部分。通过对组合柱进行有限元分析，发现栓钉和自攻螺钉对组合柱力学性能贡献较小，仅起到构造和固定作用，因此在建立模型中忽略了栓钉及螺钉。在对各材料的单元选择上，缀板和C型钢选择S4R壳单元，上下端板和混凝土选择实体单元C3D8R。为了能高效地对组合柱进行有限元分析，整体钢架与混凝土使用Embedded连接，采用通用接触定义型钢间的接触，利用绑定代替缀板与型钢间的焊接，模型的网格划分使用ABAQUS/Standard模式。

4.2　材料参数及本构模型

在进行模型有限元分析时，混凝土抗压/抗拉强度、钢材屈服强度根据1.2节材料性能试验结果进行取值，其他参数定义见表5，根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》^［15］对表中不同强度等级的材料参数进行取值。

型钢和缀板的本构模型采用Abdel-Rahman和Sivakumaran^［16］研究的四折线本构模型，详见图12。混凝土的本构关系选用ABAQUS的塑性损伤模型来进行模拟，模型会使用到混凝土圆柱体抗压强度值f_{\mathrm{c}}^{\text{'}}，由于实验测得的是混凝土立方体抗压强度f_{\mathrm{c}\mathrm{u}}，因此需要用式（1）^［17］将混凝土立方体抗压强度f_{\mathrm{c}\mathrm{u}}换算成圆柱体抗压强度f_{\mathrm{c}}^{\text{'}}。模型的混凝土损伤因子根据Sidoroff^［18］提出的能量等效性假设方法进行确定，混凝土塑性部分的模型参数见表6，损伤因子的计算公式详见式（2），其中E_{\mathrm{c}}为混凝土的初始弹性模量。

f_{\mathrm{c}}^{\text{'}}=\mathrm{0.8}{f}_{\mathrm{c}\mathrm{u}}（1）

d=\mathrm{1}-\sqrt[]{\sigma /(E_{\mathrm{c}}\epsilon )}（2）

在验证了有限元模型可靠性的基础上，研究偏心率e、型钢厚度t、混凝土强度和长细比λ四个主要参数对十字型组合柱极限承载力的影响，不同参数下组合柱的荷载-轴向位移曲线如图13所示。

4.3　偏心率的影响

不同偏心率下组合柱的荷载-轴向位移曲线如图13（a）所示，由图中曲线可知，在达到极限承载力后，曲线下降段均趋于平缓，说明在不同偏心率的加载下，试件的变形能力均表现良好。而当偏心率从0增加到0.6时，试件的极限承载力下降了52%，表明偏心率变量对组合柱极限承载力的影响显著。经分析发现，偏心率的施加会使柱端产生弯矩，造成混凝土的提前压溃，进而影响最大承载力的获得。因此在实际使用中应尽量使十字型组合柱处于轴压工作状态，以便发挥其最大承载力。此外，从曲线的下降阶段来看，偏心率对十字柱延性的影响不大。

4.4　型钢厚度的影响

不同型钢厚度下十字型组合柱的荷载-轴向位移曲线如图13（b）所示，曲线上升阶段的斜率接近，说明不同型钢厚度下组合柱的抗压刚度相差不大。型钢厚度从1.8 mm增加到3 mm，组合柱的极限承载力增加了24%，表明提高型钢厚度能使组合柱的抗压刚度和极限承载力有所提高。从图中还可看出，与另外两种型钢厚底的曲线相比，型钢厚度为1.8 mm的曲线下降段的下降速率较快，表明型钢厚度较小时组合柱的变形能力会有所降低，原因是当混凝土被压溃后将主要由型钢骨架受力，若使用的型钢厚度过低则型钢骨架的抗压能力偏低，进而影响组合柱的变形能力。

4.5　混凝土强度的影响

图13（c）为不同混凝土强度下组合柱的荷载-轴向位移曲线，在上升阶段三条曲线的斜率接近，即各混凝土强度下组合柱的抗压刚度接近，此与型钢厚度参数下组合柱的抗压刚度特点相同。当混凝土强度从C20增加到C40时，组合柱的极限承载力增加了33%，表明增大混凝土强度对组合柱的极限承载力具有明显的提高作用，原因是增加混凝土强度能够提高型钢骨架内部核心区混凝土的承载力，且提高混凝土和型钢的协同工作能力，进而能够提高组合柱的极限承载力。此外，混凝土强度的提高，并未显著改变试件的初始刚度，但混凝土本身的延性会明显降低，进而导致试件的延性随着混凝土强度的增加而逐渐降低。

4.6　长细比的影响

图13（d）为不同长细比下组合柱的荷载-轴向位移曲线，由于本文选择了住宅建筑中常用到的柱子高度，即从2.4 m到4 m，而由于十字型柱的截面刚度较大，导致组合柱的长细比变化不大，仅从22.44到37.40。由图13（d）可知，当长细比逐渐增大时，组合柱的极限承载力降低，最大降低了4%，且长细比对柱子的抗压刚度和变形能力有较明显影响。经过分析发现，改变组合柱的长细比未对其极限承载力产生明显影响，主要是由十字型柱的截面刚度较大所致。此外，随着长细比的增加，试件初始刚度发生明显下降，因此需要在工程设计时，对十字柱长细比进行限值。

通过对上述4种主要参数的分析可知，不同偏心率下组合柱的变形能力均表现良好，当轴压荷载作用时，组合柱的极限承载力最高；随着型钢厚度和混凝土强度的提高，组合柱的极限承载力能得到有效提升；随着长细比的增加，极限承载力逐渐降低。

5 结 论

本文提出了十字型轻钢混凝土组合异形柱基本构造，并对十字型组合柱进行轴心受压试验，将试验结果与模拟结果进行对比，验证了有限元模型的准确性，并选择承载力的四个主要影响因素，分别对9根十字型组合柱进行了模拟分析，得到如下结论：

（1） 组合柱的破坏特征为弯曲破坏，试件失效主要是由于混凝土被压碎、型钢屈曲和连接缀板的弯曲破坏导致的。

（2） 由于加劲板的约束作用，试件整体性能良好，对承载力的提高起到了关键作用。

（3） 从试验现象可以发现，试件具有良好的变形能力；通过进一步有限元变参数研究发现，各参数的改变对试件的延性影响不大。

（4） 组合柱的极限承载力随着偏心率从0增至0.6，降幅达52%；型钢厚度从1.8 mm增至3 mm时，提升约24%；混凝土强度从C20增至C40时，提升约33%。而长细比从22.44增至37.40，承载力降低约4%。

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基金资助

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