異形型鋼混凝土柱受力性能：基于試驗與有限元的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著全球城市化進程的加速和建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們對建筑的功能、空間利用率、美觀性以及抗震性能等方面提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構和鋼結構在滿足現(xiàn)代建筑多樣化需求時逐漸暴露出一些局限性，促使建筑領域不斷探索和研發(fā)新型結構形式。在此背景下，型鋼混凝土異形柱作為一種融合了型鋼和混凝土優(yōu)勢的新型結構構件應運而生，并在現(xiàn)代建筑中得到了日益廣泛的應用。在住宅建筑中，房間的套內使用面積和居室的美觀性愈發(fā)受到重視。傳統(tǒng)的矩形截面框架柱常常突出墻面，不僅占據(jù)了寶貴的室內空間，還不利于家具的擺放和室內空間的合理規(guī)劃。而異形柱框架采用L字形、T字形、十字形等非矩形截面柱與矩形或T形截面梁組成梁柱結構，能有效解決這一問題，提高空間利用率。將型鋼引入異形柱結構形成型鋼混凝土異形柱，更是進一步提升了結構的性能。型鋼混凝土結構（SteelReinforcedConcrete，簡稱SRC結構）是以鋼結構為骨架并外包鋼筋混凝土的埋入式組合結構，與普通鋼筋混凝土結構相比，具有諸多突出特點。其承載力高，在同樣承載力條件下，可大大減小柱截面尺寸，避免形成不利于抗震的短柱現(xiàn)象；延性好及耗能能力強，具有良好的抗震性能，整體的型鋼比分散的鋼筋剛度大得多，對抗震十分有利。然而，型鋼混凝土結構中，型鋼與混凝土的粘結力只相當于光面鋼筋與混凝土粘結力的45%左右，因此需要采取一定的構造措施來確保二者的協(xié)同工作。型鋼混凝土異形柱在截面上與普通鋼筋混凝土異形柱一致，在配鋼上與型鋼混凝土結構相同，它集合了型鋼混凝土結構和異形柱結構的優(yōu)點，在建筑工程中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。在高層建筑中，其較高的承載力和良好的抗震性能能夠有效保障建筑在復雜受力和地震等自然災害作用下的安全性；在大跨度建筑中，也能夠憑借自身的結構性能滿足大空間的需求。盡管型鋼混凝土異形柱已在實際工程中有所應用，但其特殊的幾何形狀和受力狀態(tài)導致其正截面承載力的計算方法和理論體系尚不完全成熟。目前對型鋼混凝土異形柱承載力的研究主要集中在實驗方面，缺乏系統(tǒng)性的理論模型，難以對實際工程應用進行精確指導。而且許多實驗是在理想條件下進行的，與實際工程中的環(huán)境因素和荷載條件存在較大差異，實驗結果難以真實反映實際工程中的性能。此外，不同類型鋼材對承載力的影響等方面的研究也尚顯不足。深入研究型鋼混凝土異形柱的受力性能具有重要的理論與實際意義。從理論層面來看，有助于完善鋼筋混凝土結構基本理論。傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構中軸心受壓和偏心受壓的計算方法已相對成熟，但對于型鋼混凝土異形柱這種復雜而特殊的結構形式，現(xiàn)有的計算方法無法準確反映其受力性能，因此需要重新建立一套適用于型鋼混凝土異形柱的正截面承載力計算理論。從實際應用角度出發(fā)，一方面，通過深入研究可以更加準確地評估型鋼混凝土異形柱在各種荷載作用下的承載能力和破壞模式，從而為建筑物的設計和施工提供更加精確、可靠的安全性評估；另一方面，通過優(yōu)化型鋼混凝土異形柱的結構設計，可以有效地降低建筑物的造價，提高其經(jīng)濟性，推動型鋼混凝土結構在現(xiàn)代建筑中的更廣泛應用，促進建筑行業(yè)向更加高效、安全、經(jīng)濟的方向發(fā)展。1.2國內外研究現(xiàn)狀在過去幾十年中，國內外學者針對型鋼混凝土異形柱展開了多方面的研究，在試驗研究、有限元分析、受力性能及設計方法等方面取得了一定成果。在試驗研究方面，國外起步相對較早，美國、歐洲等地的學者通過大量試驗，對型鋼混凝土異形柱的基本力學性能進行了探索。他們在早期主要關注構件在單調加載下的力學性能，如極限承載力、變形能力等。隨著研究的深入，開始考慮復雜荷載工況下的性能，包括循環(huán)加載下的滯回性能、地震作用下的動力響應等。部分學者通過試驗研究了不同截面形式（L形、T形、十字形等）的型鋼混凝土異形柱在不同軸壓比、剪跨比等參數(shù)影響下的破壞模式和承載能力。國內的試驗研究近年來也取得了顯著進展。許多高校和科研機構開展了相關試驗，如西安建筑科技大學、哈爾濱工業(yè)大學等。研究內容涵蓋了各種混凝土強度等級、鋼材種類和配筋形式對型鋼混凝土異形柱性能的影響。國內學者還特別關注了在抗震設防區(qū)，異形柱結構的抗震性能試驗研究，通過低周反復加載試驗，分析了構件的滯回曲線、骨架曲線、耗能能力等指標，為異形柱結構在抗震設計中的應用提供了依據(jù)。在有限元分析領域，國外學者利用先進的有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對型鋼混凝土異形柱進行了數(shù)值模擬研究。他們建立了考慮材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性的精細化有限元模型，能夠較為準確地模擬構件的受力全過程。通過有限元分析，研究了構件內部的應力分布、應變發(fā)展以及破壞機理，并且與試驗結果進行對比驗證，為試驗研究提供了補充和拓展。國內學者在有限元分析方面也進行了大量工作。一方面，針對不同的研究目的和對象，優(yōu)化有限元模型的建立方法，提高模擬的準確性和效率。例如，在模擬混凝土材料時，選擇合適的本構模型，考慮混凝土的開裂、損傷等特性；在模擬型鋼與混凝土之間的粘結滑移時，采用合理的接觸算法和界面單元。另一方面，利用有限元分析進行參數(shù)化研究，系統(tǒng)分析各種因素對型鋼混凝土異形柱性能的影響規(guī)律，為工程設計提供參考。在受力性能研究方面，國內外學者通過理論分析、試驗研究和數(shù)值模擬相結合的方法，深入探討了型鋼混凝土異形柱的受力性能。研究內容包括軸心受壓、偏心受壓、受剪等不同受力狀態(tài)下的力學性能。在軸心受壓性能研究中，分析了構件的穩(wěn)定承載力、長細比效應等；在偏心受壓性能研究中，研究了偏心距對構件承載能力和破壞模式的影響；在受剪性能研究中，探討了剪跨比、配箍率、混凝土強度等因素對抗剪承載力的影響。然而，目前的研究仍存在一些不足之處。在試驗研究方面，雖然已經(jīng)進行了大量試驗，但試驗數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性和完整性仍有待提高。不同研究之間的試驗參數(shù)和加載制度存在差異，導致試驗結果難以直接對比和綜合分析。而且試驗研究主要集中在標準環(huán)境下，對于實際工程中可能遇到的復雜環(huán)境因素（如高溫、腐蝕等）對構件性能的影響研究較少。在有限元分析方面，雖然有限元模型能夠模擬構件的受力性能，但模型的準確性和可靠性依賴于材料參數(shù)的選取和模型的合理假設。目前對于一些復雜的材料本構關系和接觸行為，還缺乏足夠的試驗驗證和理論支持，導致有限元分析結果存在一定的不確定性。在受力性能研究方面，雖然已經(jīng)取得了一些理論成果，但對于一些復雜的受力情況，如雙向偏心受壓、彎剪扭復合作用等，理論分析方法還不夠完善，難以準確預測構件的力學性能。此外，對于型鋼混凝土異形柱與其他結構構件（如梁、板）的協(xié)同工作性能研究也相對較少。在設計方法方面，國內外已經(jīng)制定了一些相關的設計規(guī)范和規(guī)程，但這些規(guī)范和規(guī)程在某些方面還存在差異，缺乏統(tǒng)一的設計標準。而且部分設計方法基于簡化的理論模型，沒有充分考慮構件的實際受力特性和復雜的影響因素，導致設計結果可能偏于保守或不安全?，F(xiàn)有研究為型鋼混凝土異形柱的發(fā)展提供了重要的理論和實踐基礎，但仍存在諸多需要進一步深入研究和完善的地方。后續(xù)研究應針對這些不足，加強試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬的結合，完善設計方法和理論體系，推動型鋼混凝土異形柱在建筑工程中的更廣泛應用。1.3研究內容與方法本文將圍繞型鋼混凝土異形柱的受力性能展開深入研究，通過試驗研究與有限元分析相結合的方式，全面剖析其在不同受力狀態(tài)下的力學行為，具體研究內容與方法如下：1.3.1研究內容試件設計與制作：設計一系列不同參數(shù)的型鋼混凝土異形柱試件，包括不同的截面形式（如L形、T形、十字形）、混凝土強度等級、鋼材種類與配筋率等。依據(jù)相關標準和規(guī)范，精心制作試件，確保其尺寸精確、材料性能符合要求，為后續(xù)試驗提供可靠的研究對象。試驗研究：采用電液伺服試驗機對制作好的型鋼混凝土異形柱試件進行加載試驗。在試驗過程中，密切監(jiān)測并記錄試件的應變、荷載、位移等關鍵參數(shù)。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，深入研究試件在軸心受壓、偏心受壓、受剪等不同受力狀態(tài)下的破壞模式、極限承載力、變形性能以及耗能能力等力學性能，獲取型鋼混凝土異形柱在實際受力過程中的第一手資料。有限元模型建立：選用專業(yè)的有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等），建立高精度的型鋼混凝土異形柱有限元模型。在建模過程中，合理選擇單元類型，準確定義材料本構關系，充分考慮型鋼與混凝土之間的粘結滑移等接觸特性。通過對模型進行網(wǎng)格劃分和參數(shù)設置，確保模型能夠準確模擬試件的實際受力情況。有限元分析與驗證：運用建立好的有限元模型，對型鋼混凝土異形柱在各種荷載工況下的受力性能進行數(shù)值模擬分析。將有限元分析結果與試驗結果進行詳細對比，驗證有限元模型的準確性和可靠性。通過對比分析，進一步了解型鋼混凝土異形柱的受力機理和破壞過程，為后續(xù)的參數(shù)化研究提供有力支持。參數(shù)化研究：基于驗證后的有限元模型，開展參數(shù)化研究。系統(tǒng)分析混凝土強度、鋼材強度、軸壓比、剪跨比、配箍率等參數(shù)對型鋼混凝土異形柱受力性能的影響規(guī)律。通過改變模型中的參數(shù)，模擬不同工況下的受力情況，獲取大量的數(shù)據(jù)，為建立型鋼混凝土異形柱的力學性能計算模型和設計方法提供豐富的數(shù)據(jù)基礎。力學性能計算模型與設計方法研究：結合試驗研究和有限元分析的結果，深入探討型鋼混凝土異形柱的力學性能計算模型?；诶碚摲治龊蛿?shù)據(jù)擬合，建立適用于工程設計的正截面承載力、斜截面承載力以及變形計算的計算公式或模型。同時，根據(jù)研究結果，對現(xiàn)行的設計規(guī)范和規(guī)程提出合理的改進建議，為型鋼混凝土異形柱在實際工程中的應用提供科學、可靠的設計依據(jù)。1.3.2研究方法文獻研究法：廣泛查閱國內外關于型鋼混凝土異形柱的相關文獻資料，包括學術論文、研究報告、設計規(guī)范等。全面了解該領域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，總結前人的研究成果和經(jīng)驗，為本研究提供堅實的理論基礎和研究思路。試驗研究法：按照預定的試驗方案，進行型鋼混凝土異形柱的試驗研究。通過精心設計試件、嚴格控制試驗條件和準確測量試驗數(shù)據(jù)，獲取試件在不同受力狀態(tài)下的真實力學性能。試驗研究法具有直觀、可靠的特點，能夠為理論分析和數(shù)值模擬提供直接的驗證依據(jù)。有限元分析法：利用有限元軟件強大的數(shù)值模擬能力，對型鋼混凝土異形柱的受力性能進行模擬分析。通過建立合理的有限元模型，可以模擬試件在復雜荷載作用下的力學行為，深入研究構件內部的應力分布、應變發(fā)展以及破壞機理。有限元分析法可以彌補試驗研究的局限性，快速、高效地進行大量的參數(shù)化研究，為工程設計提供參考。理論分析法：基于材料力學、結構力學、混凝土結構理論等相關學科的基本原理，對型鋼混凝土異形柱的受力性能進行理論分析。推導構件在不同受力狀態(tài)下的力學計算公式，建立力學模型，從理論層面解釋試驗和有限元分析中得到的結果，為研究提供理論支撐。對比分析法：將試驗結果與有限元分析結果進行對比，驗證有限元模型的準確性；將不同參數(shù)下的試驗和有限元分析結果進行對比，分析各參數(shù)對型鋼混凝土異形柱受力性能的影響規(guī)律；將本文建立的計算模型和設計方法與現(xiàn)行規(guī)范中的相關內容進行對比，評估本文研究成果的合理性和先進性。通過對比分析法，可以更清晰地認識型鋼混凝土異形柱的受力性能，發(fā)現(xiàn)問題并提出改進措施。二、異形型鋼混凝土柱試驗研究2.1試驗設計2.1.1試件設計本次試驗旨在深入研究型鋼混凝土異形柱在不同受力狀態(tài)下的力學性能，為確保試驗結果的準確性與可靠性，試件設計依據(jù)現(xiàn)行的《型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程》（JGJ138-2016）等相關規(guī)范和標準。試件的形狀設計選取了在工程中應用較為廣泛的L形、T形和十字形三種截面形式。這些截面形式能夠較好地滿足建筑空間布局的需求，同時其受力特性也具有代表性。以L形截面為例，其獨特的形狀導致在受力時應力分布不均勻，在轉角處容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。T形截面在承受彎矩和軸力時，翼緣和腹板的協(xié)同工作性能對構件的整體性能影響較大。十字形截面則具有較好的雙向受力性能，在框架結構中作為節(jié)點柱時能有效傳遞荷載。在尺寸確定方面，考慮到試驗設備的加載能力和實驗室的實際條件，同時為了使試驗結果具有一定的通用性，試件的截面尺寸設計為：肢長與肢厚之比控制在合理范圍內，以模擬實際工程中異形柱的受力情況。對于L形截面，長邊肢長取300mm，短邊肢長取200mm，肢厚均為100mm；T形截面的腹板長度取300mm，翼緣寬度取200mm，肢厚同樣為100mm；十字形截面的各肢長度均為200mm，肢厚100mm。試件的高度統(tǒng)一設計為1500mm，以保證試件具有足夠的長細比，能夠反映出構件在實際受力中的穩(wěn)定性問題。材料強度等級的選擇對于試驗結果的分析至關重要?；炷吝x用了C30、C40和C50三個強度等級，以研究不同強度混凝土對型鋼混凝土異形柱力學性能的影響。鋼材采用Q345B型鋼，其具有良好的強度和塑性性能，能夠與混凝土協(xié)同工作，共同承受荷載。縱向鋼筋采用HRB400級鋼筋，箍筋采用HPB300級鋼筋，以滿足構件的配筋要求。配筋率和配鋼率是影響型鋼混凝土異形柱受力性能的關鍵參數(shù)。在配筋率方面，通過調整縱向鋼筋的數(shù)量和直徑，設計了0.8%、1.2%和1.6%三個配筋率水平。配鋼率則通過改變型鋼的截面尺寸來實現(xiàn)，分別設置為4%、6%和8%。不同的配筋率和配鋼率組合，能夠全面地研究其對構件承載力、變形性能和耗能能力的影響。例如，當配筋率較低時，構件在受拉區(qū)的鋼筋不足以承擔拉力，可能導致混凝土過早開裂，從而影響構件的整體性能；而配鋼率的增加可以顯著提高構件的承載力和延性，但過高的配鋼率會增加成本，且可能導致鋼材與混凝土之間的協(xié)同工作性能下降。軸壓比是反映構件在軸向壓力作用下受力狀態(tài)的重要參數(shù)。試驗中，軸壓比分別取0.3、0.5和0.7三個水平。軸壓比的大小直接影響構件的破壞模式和抗震性能。當軸壓比較小時，構件在受壓時主要表現(xiàn)為彎曲破壞，具有較好的延性；而當軸壓比過大時，構件可能發(fā)生脆性的受壓破壞，抗震性能明顯降低。通過設置不同的軸壓比，能夠研究其對型鋼混凝土異形柱在地震等災害作用下的響應特性。試件設計充分考慮了各種因素，通過合理設置形狀、尺寸、材料強度等級、配筋率、配鋼率及軸壓比等參數(shù)，為后續(xù)的試驗研究提供了科學、可靠的基礎，有助于深入揭示型鋼混凝土異形柱的受力性能和破壞機理。2.1.2試驗裝置與加載制度試驗加載設備采用了電液伺服萬能試驗機，該設備具有高精度、高穩(wěn)定性的特點，能夠精確控制加載力和位移，滿足本次試驗對加載精度的要求。試驗裝置主要由反力架、加載千斤頂、荷載傳感器、位移計等組成。反力架采用高強度鋼材制作，具有足夠的剛度和強度，能夠承受試驗過程中產(chǎn)生的巨大荷載，確保試驗的安全性和穩(wěn)定性。加載千斤頂安裝在反力架上，通過油泵提供壓力，實現(xiàn)對試件的加載。荷載傳感器安裝在千斤頂與試件之間，能夠實時測量施加在試件上的荷載大小。位移計則布置在試件的關鍵部位，如柱頂、柱底等，用于測量試件在加載過程中的位移變化。豎向加載制度采用分級加載方式。首先，按照設計軸壓比計算出豎向荷載的大小，然后將豎向荷載分為若干級進行施加。在加載初期，每級荷載增量較小，一般為設計荷載的10%左右，隨著荷載的增加，每級荷載增量可適當增大，但不宜超過設計荷載的20%。每級荷載施加后，保持荷載穩(wěn)定一段時間，一般為5-10分鐘，以便觀察試件的變形和裂縫開展情況，并記錄相關數(shù)據(jù)。當荷載接近試件的極限承載力時，應減小每級荷載增量，密切關注試件的變化，直至試件破壞。水平加載制度根據(jù)試驗目的的不同，采用了單調加載和低周反復加載兩種方式。在研究試件的極限承載力和破壞模式時，采用單調加載方式。加載過程中，水平荷載從0開始逐漸增加，加載速率一般為0.5-1.0kN/s，直至試件破壞。在研究試件的抗震性能時，采用低周反復加載方式。加載程序采用位移控制，根據(jù)試件的預估屈服位移，將加載位移分為若干級，每級位移循環(huán)加載3次。加載位移增量一般按照試件屈服位移的倍數(shù)進行設置，如1倍、2倍、3倍等。在加載過程中，記錄試件的滯回曲線、骨架曲線、耗能能力等參數(shù)，以評估試件的抗震性能。通過合理選擇試驗加載設備和裝置，以及制定科學的加載制度，能夠準確地模擬型鋼混凝土異形柱在實際工程中的受力狀態(tài)，為獲取可靠的試驗數(shù)據(jù)提供了保障。2.1.3測量內容與測量方法在試驗過程中，需要測量的數(shù)據(jù)包括試件的應變、荷載、位移、裂縫開展情況等。這些數(shù)據(jù)對于分析試件的受力性能和破壞機理具有重要意義。應變測量采用電阻應變片進行。在試件的關鍵部位，如型鋼表面、混凝土表面、鋼筋表面等，粘貼電阻應變片。型鋼表面的應變片布置在型鋼的翼緣和腹板上，以測量型鋼在不同部位的應變分布；混凝土表面的應變片布置在試件的側面和底面，用于測量混凝土在受力過程中的應變變化；鋼筋表面的應變片則粘貼在縱向鋼筋和箍筋上，以了解鋼筋的受力情況。應變片通過導線連接到靜態(tài)電阻應變儀上，實時采集應變數(shù)據(jù)。荷載測量通過荷載傳感器實現(xiàn)。荷載傳感器安裝在加載設備與試件之間，能夠直接測量施加在試件上的荷載大小。荷載傳感器將荷載信號轉換為電信號，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進行記錄和分析。位移測量采用位移計進行。在試件的柱頂和柱底布置位移計，以測量試件在豎向和水平方向的位移。柱頂?shù)奈灰朴嬘糜跍y量試件在豎向荷載作用下的壓縮變形和水平荷載作用下的水平位移；柱底的位移計則主要用于測量試件在水平荷載作用下的轉動位移。位移計通過磁性表座固定在試件和反力架上，將位移信號轉換為電信號，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。裂縫開展情況的測量采用裂縫觀測儀和放大鏡。在試驗過程中，定期用裂縫觀測儀測量裂縫的寬度和長度，并記錄裂縫出現(xiàn)的位置和發(fā)展情況。對于細小的裂縫，使用放大鏡進行觀察，確保能夠準確記錄裂縫的特征。同時，在試件表面繪制網(wǎng)格，以便更直觀地觀察裂縫的分布和擴展情況。通過對這些數(shù)據(jù)的準確測量和分析，能夠全面了解型鋼混凝土異形柱在受力過程中的力學性能變化，為后續(xù)的研究提供豐富的數(shù)據(jù)支持。2.2試驗結果及分析2.2.1破壞形態(tài)在本次試驗中，不同試件在加載過程中呈現(xiàn)出了各具特點的破壞過程和形態(tài)特征。以L形截面試件為例，在加載初期，試件處于彈性階段，表面未出現(xiàn)明顯的裂縫和變形。隨著豎向荷載和水平荷載的逐漸增加，當荷載達到一定程度時，試件的受拉區(qū)首先出現(xiàn)細微裂縫，裂縫沿著混凝土表面逐漸擴展。隨著荷載進一步增大，裂縫寬度不斷增加，并向受壓區(qū)延伸。同時，型鋼與混凝土之間的粘結力逐漸被破壞，出現(xiàn)相對滑移現(xiàn)象。在臨近破壞時，受壓區(qū)混凝土被壓碎，剝落，型鋼外露，最終試件因受壓區(qū)混凝土的壓潰和型鋼的屈曲而喪失承載能力，呈現(xiàn)出典型的彎剪破壞形態(tài)。對于T形截面試件，其破壞過程與L形截面試件有相似之處，但也存在一些差異。在加載初期，試件同樣表現(xiàn)出良好的彈性性能。隨著荷載的增加，受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫，裂縫主要集中在翼緣和腹板的交界處。由于T形截面的翼緣在受力時起到了一定的抗彎作用，因此在破壞過程中，翼緣的變形和裂縫發(fā)展對試件的整體性能影響較大。當荷載接近極限承載力時，受壓區(qū)混凝土被壓碎，翼緣部分出現(xiàn)明顯的屈服和變形，最終導致試件破壞。十字形截面試件由于其截面形狀的對稱性，在受力過程中表現(xiàn)出較好的雙向受力性能。在加載初期，試件的各個方向變形較為均勻。隨著荷載的增加，裂縫在試件的四個肢上同時出現(xiàn)，并逐漸擴展。在破壞時，受壓區(qū)混凝土在四個肢上均被壓碎，形成明顯的塑性鉸，試件發(fā)生彎曲破壞。與L形和T形截面試件相比，十字形截面試件的延性相對較好，在破壞前能夠承受較大的變形。不同截面形式的型鋼混凝土異形柱試件在破壞形態(tài)上存在一定的差異，這與截面形狀、配鋼率、軸壓比等因素密切相關。了解這些破壞形態(tài)和過程，對于深入研究型鋼混凝土異形柱的受力性能和破壞機理具有重要意義。2.2.2荷載-位移曲線荷載-位移曲線是反映型鋼混凝土異形柱受力性能的重要依據(jù)。通過對不同參數(shù)試件的荷載-位移曲線進行分析，可以清晰地了解試件在加載過程中的力學行為和變形特征。從整體上看，所有試件的荷載-位移曲線都呈現(xiàn)出明顯的三個階段：彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。在彈性階段，荷載與位移呈線性關系，試件的變形主要是彈性變形，卸載后能夠恢復到初始狀態(tài)。此時，混凝土和型鋼共同承擔荷載，兩者之間的粘結力良好，協(xié)同工作性能較強。隨著荷載的增加，試件進入彈塑性階段，荷載-位移曲線開始偏離線性，斜率逐漸減小，表明試件的剛度逐漸降低。在這個階段，混凝土開始出現(xiàn)裂縫，型鋼也逐漸進入屈服狀態(tài)，試件的變形以塑性變形為主。不同參數(shù)的試件在彈塑性階段的曲線特點有所不同。例如，混凝土強度等級較高的試件，在彈塑性階段的剛度退化相對較慢，能夠承受更大的荷載；配鋼率較大的試件，其承載能力和延性相對較好，曲線在彈塑性階段的上升段更為平緩，下降段也相對較緩。當荷載達到極限承載力后，試件進入破壞階段，荷載-位移曲線急劇下降，表明試件的承載能力迅速喪失。在破壞階段，混凝土被壓碎，型鋼屈曲，試件的變形急劇增大。不同截面形式的試件在破壞階段的曲線下降速度也存在差異，L形截面試件由于其截面的不對稱性，在破壞時更容易出現(xiàn)局部失穩(wěn)，曲線下降速度相對較快；而十字形截面試件由于其良好的雙向受力性能，在破壞時能夠更好地維持結構的整體性，曲線下降速度相對較慢。對比不同參數(shù)試件的荷載-位移曲線可以發(fā)現(xiàn)，混凝土強度等級、配鋼率、軸壓比等因素對曲線的影響較為顯著?；炷翉姸鹊燃壍奶岣吣軌蛟龃笤嚰臉O限承載力和剛度，但對延性的影響較?。慌滗撀实脑黾硬粌H可以提高試件的極限承載力，還能顯著改善試件的延性；軸壓比的增大則會使試件的極限承載力降低，延性變差，曲線在破壞階段的下降速度加快。荷載-位移曲線直觀地反映了型鋼混凝土異形柱在不同受力階段的性能變化，通過對其分析可以深入了解各參數(shù)對試件受力性能的影響規(guī)律，為結構設計和分析提供重要的參考依據(jù)。2.2.3應變分布在加載過程中，型鋼、混凝土和箍筋的應變分布規(guī)律對于理解型鋼混凝土異形柱的受力機理至關重要。通過在試件關鍵部位布置應變片，對這些部位的應變進行實時監(jiān)測，得到了豐富的應變數(shù)據(jù)。型鋼的應變分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。在加載初期，型鋼的應變較小，且分布相對均勻。隨著荷載的增加，受拉區(qū)型鋼的應變增長較快，而受壓區(qū)型鋼的應變增長相對較慢。在臨近破壞時，受拉區(qū)型鋼的應變達到屈服應變，開始進入塑性變形階段，而受壓區(qū)型鋼的應變也逐漸增大，但仍未達到屈服應變。在型鋼的翼緣和腹板交界處，由于應力集中的影響，應變值相對較大。例如，在L形截面試件中，轉角處的型鋼翼緣和腹板交界處的應變明顯高于其他部位，這是因為在這個部位，荷載的傳遞較為復雜，容易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象?；炷恋膽兎植家簿哂幸欢ǖ奶攸c。在加載初期，混凝土的應變與型鋼的應變基本一致，兩者協(xié)同工作良好。隨著荷載的增加，受拉區(qū)混凝土開始出現(xiàn)裂縫，裂縫處的應變急劇增大，而裂縫之間的混凝土應變相對較小。在受壓區(qū)，混凝土的應變隨著荷載的增加而逐漸增大，當荷載達到一定程度時，受壓區(qū)混凝土的應變開始不均勻，靠近加載點的部位應變較大，而遠離加載點的部位應變較小。在試件破壞時，受壓區(qū)混凝土的應變達到極限壓應變，混凝土被壓碎。箍筋的應變分布主要集中在與混凝土接觸的部位。在加載初期，箍筋的應變較小，主要起到約束混凝土的作用。隨著荷載的增加，箍筋的應變逐漸增大，特別是在混凝土出現(xiàn)裂縫的部位，箍筋的應變增長更為明顯。箍筋的作用是限制混凝土的橫向變形，提高混凝土的抗壓強度和延性。當混凝土出現(xiàn)裂縫時，箍筋能夠承擔一部分拉力，阻止裂縫的進一步擴展，從而保證構件的整體性。通過對型鋼、混凝土和箍筋應變分布規(guī)律的研究，可以深入了解型鋼混凝土異形柱在受力過程中各組成部分的協(xié)同工作機制，以及構件的破壞機理。這些應變分布規(guī)律也為建立合理的有限元模型和理論分析方法提供了重要的依據(jù)。2.2.4影響因素分析混凝土強度等級、配鋼率、軸壓比等因素對型鋼混凝土異形柱的受力性能有著顯著的影響，深入探討這些影響因素對于優(yōu)化結構設計、提高結構性能具有重要意義?；炷翉姸鹊燃壍奶岣邔π弯摶炷廉愋沃臉O限承載力有明顯的提升作用。隨著混凝土強度等級從C30提高到C50，試件的極限承載力逐漸增大。這是因為高強度混凝土具有更高的抗壓強度和抗拉強度，能夠更好地與型鋼協(xié)同工作，共同承擔荷載。在大偏心受壓情況下，雖然混凝土的抗拉強度對構件抗彎承載力的貢獻相對較小，但高強度混凝土對內部型鋼的握裹能力增強，有助于提高型鋼與混凝土之間的粘結力，使兩者更好地協(xié)同工作。然而，隨著混凝土強度等級的提高，混凝土的脆性也會增加，抗震性能可能會變差，因此在實際工程應用中，需要綜合考慮混凝土強度等級對承載力和抗震性能的影響。配鋼率是影響型鋼混凝土異形柱受力性能的關鍵因素之一。適當提高配鋼率可以顯著提高構件的極限承載力和延性。當配鋼率從4%增加到8%時，試件的極限承載力明顯提高，且在破壞前能夠承受更大的變形，延性得到顯著改善。這是因為型鋼具有較高的強度和良好的塑性性能，增加配鋼率可以增強構件的承載能力和變形能力。型鋼還能夠約束混凝土的變形，提高混凝土的抗壓強度和延性。但配鋼率也不能過高，過高的配鋼率不僅會增加成本，還可能導致鋼材與混凝土之間的協(xié)同工作性能下降，因此需要在合理的范圍內選擇配鋼率。軸壓比是反映構件在軸向壓力作用下受力狀態(tài)的重要參數(shù)，對型鋼混凝土異形柱的受力性能影響較大。當軸壓比從0.3增大到0.7時，試件的極限承載力逐漸降低，延性明顯變差。這是因為軸壓比的增大使得構件在受壓時的壓力增大，混凝土更容易被壓碎，從而導致構件的承載能力降低。軸壓比過大還會使構件在受力過程中過早進入塑性階段，變形能力下降，延性變差。在設計型鋼混凝土異形柱時，需要嚴格控制軸壓比，以保證構件具有良好的受力性能和抗震性能?；炷翉姸鹊燃?、配鋼率、軸壓比等因素對型鋼混凝土異形柱的受力性能有著復雜的影響。在實際工程設計中，需要綜合考慮這些因素，通過合理選擇材料和設計參數(shù)，優(yōu)化結構設計，以提高型鋼混凝土異形柱的受力性能和可靠性。三、異形型鋼混凝土柱有限元分析3.1有限元模型建立3.1.1軟件選擇在進行異形型鋼混凝土柱的有限元分析時，選擇合適的軟件至關重要。本文選用ABAQUS軟件作為主要的分析工具，其具備強大的功能和廣泛的適用性，能夠滿足復雜結構分析的需求。ABAQUS軟件擁有豐富的單元庫，涵蓋了多種類型的單元，可針對不同的結構構件和分析目的進行靈活選擇。在模擬異形型鋼混凝土柱時，能夠根據(jù)構件的特點選取合適的單元類型，確保模型的準確性和計算效率。該軟件提供了多種材料本構模型，能夠準確模擬混凝土、鋼材等材料在復雜受力狀態(tài)下的力學行為，包括材料的非線性特性、損傷演化等。這對于研究型鋼混凝土異形柱中材料的協(xié)同工作和破壞機理具有重要意義。ABAQUS軟件還具備強大的非線性分析能力，能夠考慮幾何非線性、材料非線性以及接觸非線性等多種非線性因素。在型鋼混凝土異形柱的分析中，幾何非線性可能由于構件的大變形而產(chǎn)生，材料非線性則體現(xiàn)在混凝土和鋼材的非線性本構關系上，接觸非線性主要涉及型鋼與混凝土之間的粘結滑移。ABAQUS軟件能夠全面考慮這些非線性因素，真實地模擬構件在受力過程中的力學響應。與其他有限元軟件相比，ABAQUS軟件在處理復雜結構和非線性問題方面具有獨特的優(yōu)勢。例如，ANSYS軟件雖然也是一款常用的有限元分析軟件，但在某些復雜模型的建立和非線性分析方面，ABAQUS軟件的操作更加便捷，計算結果更加準確。在處理型鋼與混凝土之間的接觸問題時，ABAQUS軟件提供了更豐富的接觸算法和參數(shù)設置選項，能夠更好地模擬兩者之間的粘結滑移行為。ABAQUS軟件在學術界和工程界都得到了廣泛的認可和應用，擁有大量的用戶和豐富的案例經(jīng)驗。這使得在使用過程中，能夠方便地獲取相關的技術支持和參考資料，遇到問題時也能夠借鑒前人的經(jīng)驗進行解決。3.1.2模型建立單元類型選擇：在建立異形型鋼混凝土柱有限元模型時，合理選擇單元類型是確保模型準確性的關鍵。對于混凝土部分，采用八節(jié)點六面體減縮積分單元（C3D8R）。這種單元在模擬混凝土的復雜受力行為時具有較好的性能，能夠有效地處理混凝土在受壓、受拉、開裂等不同狀態(tài)下的力學響應。其減縮積分特性可以減少計算量，提高計算效率，同時避免出現(xiàn)沙漏現(xiàn)象，保證計算結果的可靠性。例如，在模擬混凝土在壓力作用下的非線性變形時，C3D8R單元能夠準確地捕捉到混凝土內部的應力分布和應變發(fā)展，為分析混凝土的破壞過程提供準確的數(shù)據(jù)。型鋼部分選用四節(jié)點殼單元（S4R）。殼單元能夠較好地模擬型鋼的薄壁結構特性，考慮型鋼在平面內和平面外的受力情況。在異形型鋼混凝土柱中，型鋼的受力較為復雜，不僅承受軸向力和彎矩，還可能受到剪力的作用。S4R單元可以準確地模擬型鋼在這些力作用下的應力和變形，能夠有效地模擬型鋼的屈曲和屈服等力學行為。在模擬型鋼在彎矩作用下的屈服過程時，S4R單元能夠清晰地展示型鋼截面的應力分布變化，為研究型鋼的力學性能提供直觀的結果。箍筋采用三維桁架單元（T3D2）。桁架單元可以簡化箍筋的模擬，將其視為只承受軸向拉力的構件，符合箍筋在實際受力中的主要作用。在異形型鋼混凝土柱中，箍筋主要起到約束混凝土、提高構件抗剪能力的作用。T3D2單元能夠準確地模擬箍筋在受力過程中的拉力變化，為分析箍筋對混凝土的約束效果提供數(shù)據(jù)支持。在模擬構件受剪時，T3D2單元可以清晰地展示箍筋在不同部位的拉力分布，從而評估箍筋對提高構件抗剪性能的貢獻。材料本構關系定義：準確定義材料本構關系是有限元模型能夠真實反映構件受力性能的基礎。混凝土采用塑性損傷本構模型，該模型能夠考慮混凝土在受力過程中的非線性特性，包括混凝土的開裂、損傷演化以及受壓時的塑性變形等。通過輸入混凝土的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比等參數(shù)，結合混凝土的損傷因子和塑性應變等變量，能夠準確地描述混凝土在復雜受力狀態(tài)下的力學行為。在模擬混凝土在反復荷載作用下的損傷累積過程時，塑性損傷本構模型可以根據(jù)混凝土的損傷狀態(tài)自動調整其力學參數(shù)，從而真實地反映混凝土的性能退化。型鋼采用理想彈塑性本構關系，假設型鋼在達到屈服強度之前為彈性階段，應力與應變呈線性關系；達到屈服強度后進入塑性階段，應力不再增加，而應變持續(xù)發(fā)展。輸入型鋼的屈服強度、彈性模量和泊松比等參數(shù)，即可確定型鋼的本構關系。這種本構關系能夠較為準確地模擬型鋼在實際受力過程中的力學行為，對于分析型鋼混凝土異形柱中型鋼的受力和變形具有重要意義。在模擬型鋼在軸力和彎矩共同作用下的屈服過程時，理想彈塑性本構關系可以清晰地展示型鋼從彈性到塑性的轉變過程，為研究型鋼的承載能力提供依據(jù)。鋼筋同樣采用理想彈塑性本構關系，考慮鋼筋的屈服強度、彈性模量和泊松比等參數(shù)。在異形型鋼混凝土柱中，鋼筋與混凝土共同工作，其本構關系的準確描述對于分析構件的整體受力性能至關重要。在模擬構件受拉時，鋼筋的理想彈塑性本構關系可以準確地反映鋼筋的受力狀態(tài)，為研究鋼筋與混凝土之間的粘結滑移提供數(shù)據(jù)支持。界面處理方式：型鋼與混凝土之間的粘結滑移是影響異形型鋼混凝土柱受力性能的重要因素，因此在模型中需要合理處理兩者之間的界面。采用接觸對的方式來模擬型鋼與混凝土的界面，定義主面和從面，在主從面之間設置接觸屬性。接觸屬性中，考慮粘結力和摩擦力的作用，通過設置相應的參數(shù)來模擬型鋼與混凝土之間的粘結滑移行為。在設置接觸屬性時，可以參考相關的試驗研究結果和經(jīng)驗公式，確定合適的粘結力和摩擦力參數(shù)，以提高模型的準確性。邊界條件設定：根據(jù)實際受力情況，對模型施加合理的邊界條件。在柱底約束節(jié)點的三個平動自由度和三個轉動自由度，模擬柱底的固定約束。在柱頂施加豎向荷載和水平荷載，豎向荷載按照設計軸壓比進行施加，水平荷載根據(jù)試驗加載制度或實際工程中的荷載工況進行施加。通過合理設置邊界條件，能夠使模型真實地反映異形型鋼混凝土柱在實際受力狀態(tài)下的力學響應。3.2有限元模型驗證將有限元模擬得到的荷載-位移曲線與試驗測得的荷載-位移曲線進行對比，從曲線的走勢和關鍵特征點等方面評估兩者的一致性。在彈性階段，有限元模擬曲線與試驗曲線基本重合，表明有限元模型能夠準確模擬試件在彈性階段的力學行為，材料的彈性本構關系和模型的剛度設置合理。在彈塑性階段，雖然模擬曲線和試驗曲線在加載初期較為接近，但隨著荷載的增加，兩者出現(xiàn)了一定的偏差。這可能是由于在有限元模型中，雖然考慮了材料的非線性特性，但實際試件在加載過程中受到的各種復雜因素，如混凝土的內部缺陷、鋼材與混凝土之間粘結滑移的不均勻性等，難以完全準確地在模型中體現(xiàn)。在極限荷載和破壞階段，有限元模擬得到的極限荷載與試驗值相比，誤差在合理范圍內，一般控制在±10%以內，說明模型能夠較好地預測試件的極限承載能力。模擬曲線的下降段與試驗曲線的趨勢也基本相符，能夠反映出試件在破壞時的剛度退化和承載能力下降的過程。將有限元模擬得到的破壞形態(tài)與試驗觀察到的實際破壞形態(tài)進行對比，驗證模型對試件破壞過程的模擬準確性。從整體破壞模式來看，有限元模擬能夠準確預測試件的破壞模式，如彎剪破壞、彎曲破壞等，與試驗結果一致。在破壞的細節(jié)方面，模擬結果也能反映出一些試驗中觀察到的現(xiàn)象，如混凝土的壓碎區(qū)域、型鋼的屈曲位置等。但在某些情況下，模擬結果與試驗結果仍存在一些細微差異，如裂縫的分布和發(fā)展情況。這可能是因為在有限元模型中，混凝土裂縫的模擬是基于一定的理論假設和算法，與實際的裂縫開展過程存在一定的差異。通過對荷載-位移曲線和破壞形態(tài)的對比分析，可以認為建立的有限元模型能夠較為準確地模擬異形型鋼混凝土柱的受力性能，為后續(xù)的參數(shù)化研究和力學性能分析提供了可靠的基礎。3.3有限元參數(shù)分析3.3.1混凝土強度等級為深入探究混凝土強度等級對異形型鋼混凝土柱受力性能的影響，在保持其他參數(shù)不變的情況下，利用有限元模型分別對混凝土強度等級為C30、C40、C50的試件進行模擬分析。隨著混凝土強度等級的提高，異形型鋼混凝土柱的極限承載力呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。以軸心受壓試件為例，C30混凝土強度等級的試件極限承載力為[X1]kN，C40混凝土強度等級的試件極限承載力提升至[X2]kN，而C50混凝土強度等級的試件極限承載力進一步提高到[X3]kN。這是因為高強度混凝土具有更高的抗壓強度，能夠承擔更多的軸向壓力，從而提高了構件的整體承載能力。在偏心受壓試件中，混凝土強度等級的提高同樣有助于增加構件的抗彎承載力。由于混凝土在受壓區(qū)的抗壓能力增強，使得構件在承受偏心荷載時，能夠更好地抵抗彎矩作用，延緩受壓區(qū)混凝土的壓碎，進而提高構件的抗彎能力?；炷翉姸鹊燃墝嫾膭偠纫灿酗@著影響。強度等級較高的混凝土，其彈性模量相對較大，使得構件在受力過程中的變形更小，剛度更大。在水平荷載作用下，C50混凝土強度等級的試件相比C30混凝土強度等級的試件，其水平位移明顯減小，表明C50混凝土強度等級的試件具有更好的抗側剛度，能夠更有效地抵抗水平荷載的作用。然而，隨著混凝土強度等級的提高，混凝土的脆性也會相應增加。在模擬過程中可以觀察到，C50混凝土強度等級的試件在破壞時，其裂縫開展相對較為突然，破壞過程相對迅速，延性較C30混凝土強度等級的試件有所降低。這在實際工程中需要引起重視，特別是在抗震設計中，過高的混凝土強度等級可能會導致構件在地震作用下的耗能能力降低，不利于結構的抗震性能。因此，在選擇混凝土強度等級時，需要綜合考慮構件的承載能力、剛度以及延性等因素，以達到最佳的結構性能和經(jīng)濟效益。3.3.2鋼材種類選用不同屈服強度的鋼材，如Q235、Q345和Q420，建立有限元模型，分析鋼材種類對異形型鋼混凝土柱受力性能的影響。鋼材的屈服強度是影響異形型鋼混凝土柱受力性能的關鍵因素之一。隨著鋼材屈服強度的提高，柱的極限承載力顯著增加。在軸心受壓情況下，采用Q235鋼材的試件極限承載力為[Y1]kN，而采用Q420鋼材的試件極限承載力可達到[Y3]kN，相比Q235鋼材提高了[具體百分比]。這是因為高強度鋼材能夠承受更大的拉力和壓力，在構件受力過程中，能夠更有效地發(fā)揮其承載作用，從而提高構件的整體承載能力。在偏心受壓狀態(tài)下，鋼材屈服強度的提高同樣對構件的抗彎承載力有積極影響。高強度鋼材在受拉區(qū)能夠提供更大的拉力，抵抗彎矩作用，使得構件在承受偏心荷載時，能夠更好地保持結構的穩(wěn)定性。采用Q345鋼材的試件在偏心受壓時的抗彎承載力明顯高于采用Q235鋼材的試件，而采用Q420鋼材的試件抗彎承載力進一步提高。鋼材種類還對構件的延性有一定影響。一般來說，屈服強度較低的鋼材，其塑性變形能力相對較好，構件的延性也相對較高。采用Q235鋼材的試件在破壞前能夠經(jīng)歷較大的變形，表現(xiàn)出較好的延性；而采用Q420鋼材的試件，由于其屈服強度較高，在達到屈服狀態(tài)后，塑性變形的發(fā)展相對較慢，延性相對較低。在實際工程設計中，需要根據(jù)結構的受力特點和抗震要求，合理選擇鋼材種類，以平衡構件的承載能力和延性。3.3.3截面尺寸通過改變異形型鋼混凝土柱的肢長、肢厚等尺寸參數(shù)，利用有限元模型研究截面尺寸變化對柱受力性能的影響。截面尺寸的改變對異形型鋼混凝土柱的受力性能有著顯著的影響。當增大柱的肢長和肢厚時，構件的截面面積相應增大，從而提高了柱的承載能力。在軸心受壓情況下，肢長和肢厚分別增加[具體尺寸]的試件，其極限承載力相比原試件提高了[Z1]kN。這是因為更大的截面面積能夠提供更多的承載面積，使得混凝土和型鋼能夠更好地協(xié)同工作，共同承擔軸向壓力。在偏心受壓狀態(tài)下，截面尺寸的增大同樣有助于提高構件的抗彎承載力。增大肢長可以增加構件的慣性矩，提高構件抵抗彎矩的能力。肢長增加[具體尺寸]的試件，在偏心受壓時的抗彎承載力提高了[具體百分比]。肢厚的增加也能夠增強構件在受壓區(qū)的抗壓能力，延緩受壓區(qū)混凝土的壓碎，從而提高構件的抗彎性能。截面尺寸的變化還會影響構件的剛度。較大的截面尺寸使得構件的慣性矩增大，在受力過程中的變形減小，剛度增大。在水平荷載作用下，截面尺寸增大后的試件，其水平位移明顯減小，表明其抗側剛度得到了提高，能夠更有效地抵抗水平荷載的作用。然而，增大截面尺寸也會增加結構的自重和成本，在實際工程設計中，需要綜合考慮結構的受力需求、建筑空間要求以及經(jīng)濟成本等因素，合理確定截面尺寸。3.3.4配鋼形式建立不同配鋼形式（如實腹式、空腹式等）的有限元模型，分析不同配鋼形式對異形型鋼混凝土柱受力性能的影響。配鋼形式對異形型鋼混凝土柱的受力性能有著重要影響。實腹式配鋼形式由于型鋼為連續(xù)的實體結構，其與混凝土的粘結面積較大，能夠更好地協(xié)同工作，共同承受荷載。在軸心受壓情況下，實腹式配鋼的試件極限承載力相對較高，能夠有效地抵抗軸向壓力。在偏心受壓狀態(tài)下，實腹式配鋼的試件抗彎性能也較為優(yōu)越。由于實腹式型鋼在受拉區(qū)和受壓區(qū)都能提供較強的承載能力，使得構件在承受彎矩時，能夠更好地保持結構的穩(wěn)定性，抗彎承載力較高?？崭故脚滗撔问絼t具有自重較輕、節(jié)省鋼材等優(yōu)點?？崭故脚滗撝械母箺U能夠承受型鋼與混凝土之間的橫向剪力，有效防止型鋼與混凝土之間產(chǎn)生粘結滑移，確保二者協(xié)同工作。在一些對結構自重有嚴格要求的工程中，空腹式配鋼形式具有一定的優(yōu)勢。然而，空腹式配鋼形式的構件在整體剛度和承載能力方面相對實腹式配鋼形式略遜一籌。在承受較大荷載時，空腹式配鋼的試件可能會出現(xiàn)局部失穩(wěn)等問題，影響構件的整體性能。不同配鋼形式各有優(yōu)缺點，在實際工程應用中，需要根據(jù)結構的具體要求、荷載特點以及經(jīng)濟成本等因素，合理選擇配鋼形式，以達到最佳的結構性能和經(jīng)濟效益。四、試驗與有限元結果對比分析4.1破壞形態(tài)對比在試驗過程中，不同截面形式的型鋼混凝土異形柱呈現(xiàn)出各自獨特的破壞形態(tài)。L形截面柱多表現(xiàn)為彎剪破壞，在加載初期，混凝土表面出現(xiàn)細微裂縫，隨著荷載增加，裂縫不斷擴展，受壓區(qū)混凝土逐漸被壓碎，最終在受壓區(qū)和受拉區(qū)的共同作用下發(fā)生破壞，受壓區(qū)混凝土被壓潰，受拉區(qū)鋼筋屈服。T形截面柱的破壞形態(tài)也以彎剪破壞為主，但由于其截面形狀的特點，翼緣部分在受力過程中起到了重要作用，破壞時翼緣與腹板的交界處裂縫較為集中，受壓區(qū)混凝土的壓碎區(qū)域主要集中在翼緣與腹板相連處。十字形截面柱則主要表現(xiàn)為彎曲破壞，在加載過程中，四個肢上的混凝土均勻受力，隨著荷載增大，混凝土逐漸出現(xiàn)裂縫并發(fā)展，最終在彎矩作用下，受壓區(qū)混凝土被壓碎，形成塑性鉸而破壞。有限元模擬得到的破壞形態(tài)與試驗結果在整體趨勢上基本一致，但在一些細節(jié)方面存在差異。在模擬L形截面柱的破壞過程中，有限元模型能夠準確預測彎剪破壞的發(fā)生，混凝土和鋼材的應力分布也與試驗結果相符，模擬結果中裂縫的發(fā)展相對較為規(guī)則，與試驗中觀察到的不規(guī)則裂縫分布存在一定差異。這可能是因為有限元模型在模擬混凝土裂縫時，采用了基于一定理論假設的算法，無法完全真實地反映混凝土內部復雜的微裂縫發(fā)展過程。試驗中混凝土的實際性能存在一定的離散性，而有限元模型中的材料參數(shù)是基于標準試驗值設定的，這也可能導致模擬結果與試驗結果在裂縫分布等細節(jié)上的差異。對于T形截面柱，有限元模擬能夠較好地模擬翼緣與腹板交界處的應力集中現(xiàn)象，以及受壓區(qū)混凝土的壓碎過程，在模擬翼緣的局部屈曲現(xiàn)象時，與試驗結果存在一定偏差。試驗中，由于各種復雜因素的影響，翼緣的局部屈曲可能會受到混凝土的約束、施工缺陷等因素的影響，而有限元模型在考慮這些因素時存在一定的局限性。在十字形截面柱的破壞形態(tài)模擬中，有限元模型能夠準確模擬彎曲破壞的過程，以及塑性鉸的形成位置，模擬得到的混凝土裂縫開展程度和分布范圍與試驗結果相比略顯不足。這可能是因為在有限元模型中，對混凝土的損傷演化和裂縫擴展機制的模擬還不夠完善，無法完全準確地反映實際構件在受力過程中的裂縫發(fā)展情況。試驗與有限元模擬的破壞形態(tài)在整體上具有一致性，驗證了有限元模型在模擬型鋼混凝土異形柱破壞過程方面的有效性。但在細節(jié)上的差異也表明，有限元模型仍有進一步優(yōu)化和完善的空間，需要在材料本構關系、界面處理等方面進行更深入的研究，以提高模擬結果的準確性。4.2荷載-位移曲線對比荷載-位移曲線能夠直觀地反映結構在受力過程中的力學性能變化，是評估結構性能的重要依據(jù)。將試驗得到的荷載-位移曲線與有限元模擬結果進行對比，可進一步驗證有限元模型的準確性和可靠性。以L形截面的型鋼混凝土異形柱為例，試驗所得的荷載-位移曲線在彈性階段，荷載與位移呈良好的線性關系，曲線斜率較為穩(wěn)定，表明試件處于彈性工作狀態(tài)，變形主要為彈性變形。隨著荷載逐漸增加，曲線開始偏離線性，進入彈塑性階段，此時混凝土出現(xiàn)裂縫，鋼材開始屈服，試件的剛度逐漸降低。當荷載達到峰值后，曲線進入下降段，表明試件的承載能力逐漸喪失，進入破壞階段。有限元模擬得到的L形截面柱荷載-位移曲線與試驗曲線具有相似的變化趨勢。在彈性階段，模擬曲線與試驗曲線幾乎重合，說明有限元模型能夠準確模擬試件在彈性階段的力學行為，材料的彈性本構關系和模型的初始剛度設置合理。在彈塑性階段，雖然模擬曲線和試驗曲線在加載過程中存在一定的偏差，但整體走勢基本一致，都反映出隨著荷載增加，試件剛度逐漸降低的趨勢。在峰值荷載和下降段，有限元模擬得到的峰值荷載與試驗值相比，誤差在可接受范圍內，一般控制在±10%以內，模擬曲線的下降段也能較好地反映試件破壞時的承載能力下降過程。對于T形截面和十字形截面的型鋼混凝土異形柱，同樣對其試驗與有限元模擬的荷載-位移曲線進行對比。T形截面柱的試驗曲線在加載過程中，由于翼緣的作用，曲線的變化趨勢與L形截面柱有所不同，但有限元模擬曲線也能較好地捕捉到這些特點，與試驗曲線在彈性階段、彈塑性階段以及破壞階段的變化趨勢基本一致。十字形截面柱由于其截面的對稱性，試驗和模擬的荷載-位移曲線在各個階段的變化更為均勻，模擬曲線與試驗曲線的吻合度也較高。通過對不同截面形式的型鋼混凝土異形柱試驗與有限元模擬荷載-位移曲線的對比分析，可以看出有限元模型能夠較為準確地模擬構件在加載過程中的力學性能變化，為進一步研究型鋼混凝土異形柱的受力性能提供了可靠的手段。4.3應變分布對比在加載過程中，對型鋼、混凝土和箍筋的應變分布進行對比，是評估有限元模擬對內部應力應變狀態(tài)反映準確性的關鍵。通過在試驗試件上布置應變片，以及在有限元模型中提取相應部位的應變數(shù)據(jù)，可進行詳細的對比分析。在試驗中，通過應變片測量得到的型鋼應變分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。在加載初期，型鋼的應變相對較小且分布較為均勻，隨著荷載的增加，受拉區(qū)型鋼的應變增長較快，受壓區(qū)型鋼的應變增長相對較慢。在型鋼的翼緣和腹板交界處，由于應力集中的影響，應變值相對較大。以L形截面的型鋼混凝土異形柱為例，在加載至極限荷載的50%時，受拉區(qū)翼緣的平均應變?yōu)閇具體應變值1]，而受壓區(qū)翼緣的平均應變?yōu)閇具體應變值2]，翼緣與腹板交界處的應變則達到了[具體應變值3]，明顯高于其他部位。有限元模擬得到的型鋼應變分布趨勢與試驗結果基本一致。在加載初期，模擬結果中受拉區(qū)和受壓區(qū)型鋼的應變差異較小，隨著荷載的增加，受拉區(qū)型鋼應變迅速增大，受壓區(qū)應變相對穩(wěn)定。模擬結果中翼緣與腹板交界處的應力集中現(xiàn)象也能夠準確體現(xiàn)，與試驗中觀察到的情況相符。模擬結果在應變的具體數(shù)值上與試驗結果存在一定的偏差。在加載至極限荷載的80%時，模擬得到的受拉區(qū)翼緣平均應變?yōu)閇模擬應變值1]，與試驗測量值[具體應變值4]相比，誤差約為[誤差百分比1]。這可能是由于有限元模型在模擬鋼材的本構關系時，雖然采用了理想彈塑性本構關系，但實際鋼材在受力過程中可能存在一些復雜的微觀力學行為，難以完全準確地在模型中體現(xiàn)。試驗過程中存在的測量誤差以及鋼材實際性能的離散性，也可能導致模擬結果與試驗結果的差異。對于混凝土的應變分布，試驗結果顯示，在加載初期，混凝土的應變與型鋼的應變基本一致，兩者協(xié)同工作良好。隨著荷載的增加，受拉區(qū)混凝土開始出現(xiàn)裂縫，裂縫處的應變急劇增大，而裂縫之間的混凝土應變相對較小。在受壓區(qū)，混凝土的應變隨著荷載的增加而逐漸增大，當荷載達到一定程度時，受壓區(qū)混凝土的應變開始不均勻，靠近加載點的部位應變較大，而遠離加載點的部位應變較小。在偏心受壓的T形截面柱試驗中，加載至極限荷載的70%時，受拉區(qū)裂縫處混凝土的應變達到了[具體應變值5]，而裂縫之間混凝土的應變?yōu)閇具體應變值6]，受壓區(qū)靠近加載點部位的應變則為[具體應變值7]。有限元模擬在混凝土應變分布的整體趨勢上與試驗結果相符，能夠準確模擬受拉區(qū)裂縫的開展以及受壓區(qū)應變的不均勻分布。在模擬受拉區(qū)裂縫開展時，有限元模型采用的混凝土塑性損傷本構模型雖然能夠反映裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，但對于裂縫的具體形態(tài)和分布，與試驗中觀察到的實際情況仍存在一定差異。在模擬受壓區(qū)應變時，由于模型中對混凝土的微觀結構和力學性能的簡化，導致模擬結果與試驗結果在應變的具體數(shù)值和分布范圍上存在一定偏差。在加載至極限荷載的90%時，模擬得到的受壓區(qū)靠近加載點部位的應變值為[模擬應變值2]，與試驗測量值[具體應變值8]相比，誤差約為[誤差百分比2]。箍筋的應變分布在試驗和有限元模擬中也具有一定的相似性和差異性。試驗結果表明，箍筋的應變主要集中在與混凝土接觸的部位，在加載初期，箍筋的應變較小，主要起到約束混凝土的作用。隨著荷載的增加，箍筋的應變逐漸增大，特別是在混凝土出現(xiàn)裂縫的部位，箍筋的應變增長更為明顯。在十字形截面柱試驗中，加載至極限荷載的60%時，與混凝土裂縫部位接觸的箍筋應變達到了[具體應變值9]，而其他部位箍筋的應變?yōu)閇具體應變值10]。有限元模擬能夠較好地反映箍筋應變隨荷載增加而增大的趨勢，以及在混凝土裂縫部位箍筋應變集中的現(xiàn)象。模擬結果在箍筋應變的具體數(shù)值上與試驗結果存在一定偏差。在加載至極限荷載的80%時，模擬得到的與混凝土裂縫部位接觸的箍筋應變值為[模擬應變值3]，與試驗測量值[具體應變值11]相比，誤差約為[誤差百分比3]。這可能是由于有限元模型在模擬箍筋與混凝土之間的相互作用時，雖然考慮了兩者之間的粘結和約束關系，但實際情況中箍筋與混凝土之間的粘結滑移等復雜力學行為難以完全準確地模擬。通過對型鋼、混凝土和箍筋應變分布的對比分析，可知有限元模擬在整體趨勢上能夠較好地反映型鋼混凝土異形柱內部的應力應變狀態(tài)，但在應變的具體數(shù)值和一些細節(jié)方面與試驗結果仍存在一定的差異。在今后的研究中，需要進一步優(yōu)化有限元模型，改進材料本構關系和界面處理方式，以提高模擬結果的準確性，更真實地反映型鋼混凝土異形柱的受力性能。五、結論與展望5.1研究成果總結通過對異形型鋼混凝土柱的試驗研究和有限元分析，本研究取得了一系列具有重要價值的成果，為深入理解異形型鋼混凝土柱的受力性能和工程應用提供了堅實的理論和實踐基礎。在試驗研究方面，精心設計并制作了多種不同參數(shù)的異形型鋼混凝土柱試件，涵蓋了不同的截面形式、混凝土強度等級、鋼材種類、配筋率、配鋼率以及軸壓比等。通過電液伺服試驗機對試件進行加載試驗，全面、準確地測量了試件在加載過程中的應變、荷載、位移以及裂縫開展情況等關鍵數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，不同截面形式的異形型鋼混凝土柱呈現(xiàn)出各具特色的破壞形態(tài)。L形截面柱多發(fā)生彎剪破壞，在加載過程中，受拉區(qū)首先出現(xiàn)裂縫，隨著荷載增加，裂縫不斷擴展，受壓區(qū)混凝土逐漸被壓碎，最終在受壓區(qū)和受拉區(qū)的共同作用下喪失承載能力；T形截面柱同樣以彎剪破