借助合理的设计,方形钢管混凝土(CFST)柱可以在有限的截面尺寸条件下获得更大的承载力 ^[1,2],因此被设计师广泛应用于多种高层大空间结构。在实际应用过程中,由于泊松效应的存在,方钢管混凝土内部的核心混凝土会不断挤压钢管,使其对核心混凝土产生约束。通过多组试验数据分析发现,方形截面侧边中部的钢管对核心混凝土的约束效果弱于角部 ^[1,2,3];在轴向荷载作用下,钢管侧板容易产生鼓曲变形,使得钢管对核心混凝土的约束效果弱化,甚至失去对核心混凝土的约束能力 ^[3,4,5]。杨世聪等 ^[6]指出当试件截面脱空率大于试件截面面积的2%时,钢管对核心混凝土的约束作用削弱,并使试件的极限承载力下降20%以上。因此,如何增强CFST柱中钢管和混凝土组合作用效果,成为工程人员研究的热点问题。

　　 为了增大钢管侧边中部对核心混凝土的约束,增强钢管和混凝土的组合作用,国内外学者采取相关措施对方钢管中部钢板进行增强,相关措施如下:在试件中设置对拉杆约束钢管 ^[7,8,9];在钢管内部设置加劲肋 ^[11,12,13];在钢管内部设置剪力钉 ^[14]等。Petrus Clotilda等 ^[15]在增强后的试件中发现设置增强措施的钢管混凝土柱的材料屈服和钢管鼓曲位置都靠近加载端,且试件破坏时的鼓曲模式不同于未增强试件。研究中还发现:设置加劲肋不但可以改善钢板局部屈曲还能增大试件的承载力 ^{[11,12,13,14,15,16]}。因此基于现有加劲增强措施,研究加劲肋对试件性能的影响,阐明其作用机理有实际的工程意义。

　　 既有研究中还发现:钢-混组合结构中,当连接部位的肋板开孔后,试件的整体性更好 ^[15]。本文基于既有研究选择加劲肋为试件的增强措施,考虑钢-混组合作用效果对试件设置直肋和开孔肋,并通过轴压试验对试件的受力性能进行研究,通过试验和有限元分析来验证相关措施对钢管的增强作用。

　　 为了研究加劲措施对试件的影响,设计了三类试件,其构造措施见图1。在钢管侧边中部设置加劲措施,分别为无肋对比试件、直肋试件、开孔肋试件。具体构造尺寸见表1 ^[17]。

　　 试验加载初期由荷载控制加载,加载步距为50kN,每级加载后持荷5min供观察试件;当荷载超过设计值的70%后,调整加载方式为位移控制加载,位移加载速率为2mm/min;当荷载低于峰值荷载的80%时,停止试验。

　　 图2为试件的荷载-位移曲线。可以看出:1)设置加劲肋后试件承载力都得到了有效提高,直肋试件承载力为7 793kN、开孔肋试件承载力为7 088kN,明显高于无肋对比试件承载力5 350kN。2)在极限承载力增大的同时,试件所对应的位移量也得到了增大,其中直肋试件位移为5.45mm,开孔肋试件位移6.53mm,均大于无肋对比试件的位移量4.95mm。

　　 试验加载初期,荷载-位移曲线保持直线上升。当加载值达到极限承载力的60%左右,试件发出细微的破碎声,钢管表面开始有细小的铁屑掉落;随着荷载继续增大,在钢管表面可以明显的观察到滑移线产生,荷载-位移曲线不再保持直线;当荷载临近极限值时在滑移线密集处可以观察到钢管出现鼓曲,并且鼓曲位置会随加载发生上下调整。当荷载超过峰值后,荷载-位移曲线开始下降,钢管中鼓曲的变形量迅速增大、鼓曲的数量也明显增多,不同侧面的鼓曲在钢管角部发生连通,使钢管角部发生皱褶,甚至开裂。

　　 图3给出了三种试件钢管的最终鼓曲形态,从图中可以看出:当试件破坏时无肋试件钢管中出现了多道互相平行的鼓曲,鼓曲半波的间距近似板件宽度。直肋试件和开孔肋试件钢管中也出现了多道鼓曲,但是相同侧面鼓曲的数量明显被加劲肋分为两列,呈双峰型鼓曲,鼓曲数量也多于无肋对比试件,其中:直肋试件的钢管鼓曲相对集中;而开孔肋试件的钢管鼓曲数量更多且分散在试件不同位置。

　　 由以上可知:在CFST短柱中设置加劲措施后,试件的承载力都得到了有效提高,其中设置直肋试件的承载力更高,且荷载-位移曲线中起弯点的位置也明显高于其他试件,说明设置直肋后试件的刚度得到了增大,试件侧板的屈曲延缓出现,直肋对试件承载能力影响更大。

　　 设置开孔肋试件的钢管鼓曲数量明显多于其他两类试件,且鼓曲位置位于试件全部高度范围内。开孔肋和核心混凝土的隼接作用增强了试件钢-混组合界面的整体性,使得CFST短柱呈现整体破坏的特点,开孔肋试件出现钢管鼓曲的数量及钢管鼓曲的范围也明显多于其他两类试件。由于这种整体性受力特点,开孔肋试件在钢管屈服后的延性更好,破坏范围更广。

　　 通过有限元对试验进行仿真分析 ^[18],有助于研究者对试件受力性能进行更加细致的分析。

　　 有限元模型尺寸与试验保持一致,利用ABAQUS软件建立有限元模型。材料参数根据实测数据换算,其中:实测钢板的屈服强度为464MPa;混凝土立方体试块抗压强度f_cu为55.6MPa。钢材选用双折线模型,混凝土采用塑性损伤(CDP)模型;网格划分过程中对钢管选用SC8R壳单元,混凝土选用C3D8R实体单元,单元尺寸设定为30mm。

　　 通过有限元分析得到如图4所示的变形特征。与试验结果(图3)对比发现,有限元得到的钢管鼓曲和试验中钢管的鼓曲分布情况一致,表现为无肋试件的单峰型和带肋试件的双峰型,相邻侧面的鼓曲发生了鼓曲连通的现象;与试验现象类似,说明了有限元结果的可靠性。

　　 从有限元结果中提取混凝土等效塑性应变分布云图,见图5。发现混凝土中等效塑性应变出现位置和钢管鼓曲变形位置是对应的,说明钢管混凝土试件中混凝土的破坏总是出现在钢管鼓曲(即钢管约束不足)位置,一旦失去钢管的约束,核心混凝土立刻恢复单轴受力,在较高应力作用下被压坏。

　　 图6～8为极限承载力下三类试件不同截面高度处核心混凝土的应力分布示意图。可以看出:两种加劲肋均调整了核心混凝土的应力分布模式,在侧边中部均出现了应力的极大值,说明设置加劲肋后钢管对混凝土的约束性能得到了增强。设置加劲肋后,直肋将试件分成四个区域,除角部外应力峰值向加劲肋和中心核心区靠拢外,应力呈十字形分布;开孔肋由于肋板开孔处存在混凝土隼的关系,受力状态更加复杂,在竖向荷载和肋板传递过来的荷载共同作用下,核心混凝土的应力分布模式更加复杂,应力云图呈现出多种几何形状相互嵌套的几何对称状态。

　　 从图6～8中提取出300,450mm高度处截面沿中轴线和对角线方向(图9)的应力并绘制成如图10所示的应力分布曲线。从图10可看出:1)沿中轴线方向的应力分布显示,设置加劲肋后,侧边中部混凝土应力得到有效增加;2)无肋对比试件和直肋试件的应力分布规律在不同高度截面处变化不明显,而开孔肋试件的混凝土应力则发生较大变化,表现在截面位于混凝土隼位置(300mm高度处)时,截面中的最大应力出现在混凝土隼上,而其余位置最大应力出现在侧边中部;3) 加劲肋改善了截面应力分布模式,使得试件中应力分布发生调整,其中直肋试件中轴方向的应力分布更均匀,沿对角线方向的应力几乎保持不变;4)整体分布来看,开孔肋试件的中心应力峰值明显低于其他两类试件。

　　 由于加劲肋的存在,直肋和开孔肋试件的应力分布模式都发生了改变。对于直肋试件,由于直肋增大了试件的刚度,使得试件中不同高度截面的应力分布不发生变化;设置直肋后肋板处和核心处混凝土的应力明显增强,见图10(a),(b)。而对于开孔肋,由于混凝土隼增大了钢-混组合试件之间的机械连接作用,在轴向荷载作用下,混凝土隼受到钢管肋传递的荷载出现应力集中,且该应力会传递给周边的混凝土,使得相应位置混凝土应力提高;由于这种整体作用效果,开孔肋试件角部混凝土的应力低于直肋试件。

　　 (1)在CFST短柱侧板中设置加劲肋可以有效改善试件的力学性能,使其承载力得到有效提高;其中直肋可以增大试件截面刚度,使得直肋试件的承载力高于其他两类试件。

　　 (2)设置加劲肋可以增大试件截面刚度,并使试件钢管侧边的鼓曲形态由单峰型鼓曲变为双峰型鼓曲。

　　 (3)开孔肋使得钢-混组合作用更充分,开孔肋试件的延性明显优于其他两类试件,核心混凝土中的损伤分布范围更广,试件中混凝土和钢材的材料性能更能充分发挥。

　　 (4)利用有限元方法可以准确对试件的力学行为进行分析,借助其分析得到的应力可以为阐明加劲CFST短柱的力学机理提供保障。