1、投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):02076-08科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-05-20;修订日期:2022-11-14基金项目:国家自然科学基金(52027811);辽宁省重点研发计划(2019JH8/10100099);沈阳市科技计划(20-206-4-13);辽宁省教育厅科学研究经费项目(LJKZ0568)第一作者:谢晋(1997)，男，汉族，辽宁丹东人，硕士。研究方向:钢管混凝土。E-mail:11147
2、40259 qq com。*通信作者:李兵(1974)，男，汉族，辽宁沈阳人，博士，教授。研究方向:结构工程、工程结构抗震、钢结构基本理论。E-mail:Ceblisjzuedu cn。引用格式:谢晋，李兵 内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱局压性能的有限元分析J 科学技术与工程，2023，23(5):2076-2083Xie Jin，Li Bing Finite element analysis of local compressive behavior of circular end concrete filled steel tubular short columns with built-
3、inI-steelJ Science Technology and Engineering，2023，23(5):2076-2083内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱局压性能的有限元分析谢晋，李兵*(沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳 110168)摘要为研究内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱局压性能，通过有限元软件 ABAQUS 进行建模分析，并使用现有试验数据进行验证，研究了工字钢参数变化对内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱局压性能影响。结果表明，有限元模型建立准确;当含钢率小于 34%时，纵向放置工字钢腹板厚度参数变化对局压承载力影响较大;当含钢率大于 34%时，横向放置工字钢翼缘厚度参数变化对局压承载
4、力影响较大;对比工字钢高度与工字钢宽度变化对局压承载力的影响，纵向放置工字钢宽度参数变化对局压承载力影响较大。同时提出局压承载力计算公式，经过模拟结果验证，所提公式计算承载力与模拟承载力比值为0.86 1.06，计算结果较为准确。关键词圆端形钢管混凝土短柱;工字钢;局压性能;有限元分析;局压承载力计算公式中图法分类号TU392.1;文献标志码AFinite Element Analysis of Local Compressive Behavior of Circular EndConcrete Filled Steel Tubular Short Columns with Built-in
5、I-steelXIE Jin，LI Bing*(School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China)AbstractIn order to study the local pressure performance of circular end concrete-filled steel tubular(CECFST)short columnswith built-in I-steel circular ends，the finite element software ABAQUS was
6、used for modeling and analysis，and the existing test datawas used for verification The influence of I-steel parameters on the local compression behavior of concrete-filled steel tubular short col-umns with embedded I-steel circular ends was studied The results show that the finite element model is a
7、ccurate When the steel ratiois less than 34%，the change of the thickness parameters of the longitudinally placed I-steel web has a great influence on the local com-pression bearing capacity When the steel ratio is greater than 34%，the change of the thickness parameter of the I-steel flange placedtra
8、nsversely has a great influence on the local pressure bearing capacity Comparing the influence of the change of the height and widthof the I-steel on the local pressure bearing capacity，the change of the width parameter of the longitudinally placed I-steel has a greaterinfluence on the local pressur
9、e bearing capacity At the same time，the calculation formula of local compressive bearing capacity wasproposed Through the verification of simulation results，the ratio of calculated bearing capacity and simulated bearing capacity of theproposed formula is 0.86 1.06，and the calculation results are rel
10、atively accurate Keywords circular end concrete filled steel tubular short column;I-steel;local compressive performance;finite element analysis;the calculation formula of local compressive bearing capacity考虑到桥墩结构中多应用圆端形作为桥墩的外形，以利用其抗冲击、强弱轴特性，同时钢管混凝土结构作为较为完善的混凝土柱体改进方式，在土木结构领域中广泛应用。故对于圆端形钢管混凝土柱的性能研究是桥梁
11、领域研究中不可缺少的一部分。桥墩所受外力为桥梁支座传递的局压荷载作用，故研究圆端形钢管混凝土柱的局压性能是极为重要的。随着土木工程领域的不断进步 1-5，结构设计逐渐向高强度、高性能方向发展，故研究钢管混凝土柱 6 的强化方式是该领域发展的重要一环。在现阶段研究中，李兵等7 主要研究不同加载方式下圆端形钢管混凝土短柱的应力变化情况。投稿网址:www stae com cn沈奇罕等8 主要研究圆端形钢管混凝土短柱的局压性能。任志刚等9-10 主要研究圆端形钢管混凝土短柱的极限承载力计算方法与偏压截面优化。但上述研究都缺少对该种柱强化方式的研究。王传贻等11 主要研究装配式钢骨-混凝土组合柱的抗震
12、性能。尹朝正等12 主要研究轴压荷载作用下钢骨混凝土组合短柱性能。周天华等13 主要研究单轴对称十字型钢中长柱的偏压性能，上述研究中对钢骨混凝土的研究较为充分，同时也从侧面证明了钢骨混凝土具有良好使用性能，但现阶段对钢骨混凝土与圆端形钢管混凝土相结合的研究较少。考虑到钢骨混凝土在相应研究中表现出的实用性，现研究工字钢强化圆端形钢管混凝土短柱14 方法的可行性，工字钢参数变化对内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱局压性能影响，并研究其相关性能。1有限元分析模型1.1有限元模型参数内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱截面示意图如图 1 所示。将内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱分为纵向放置工字钢和横向放置工字钢两
13、种情况进行分析。建立的有限元模型参数表如表 1 所示。主要研究考虑工字钢参数如下:工字钢放置方向为纵向放置工字钢(ZG)和横向放置工字钢(HG)，工字钢高度(GD)为 25、50、75、100、125 mm，工字钢宽度(KD)为25、50、75、100、125 mm，工字钢翼缘厚度(YH)为10、15、20、25、30 mm，工字钢腹板厚度(FH)为 10、15、20、25、30 mm。1.2材料本构模型及有限元模型建模过程有限元模型涉及钢材与混凝土，钢材本构关系使用二次塑流模型，其具体公式见文献 15。根据长宽比 不同，将混凝土本构关系分别等效为圆形与矩形钢管混凝土柱混凝土本构关系，其具体公
14、式见文献 16。有限元模型各部分均采用 C3D8 实体单元进行建模，有限元模型及网格划分示意图如图 2 所示。工字钢单元格密度为 7，混凝土单元格密度为 13，钢管单元格密度为 17。B 为柱截面宽度;D 为柱截面长度图 1内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱截面示意图Fig.1Section diagram of CECFST shortcolumn with built-in I-steel表 1有限元模型参数表Table 1Parameters of finite element model编号(ZG、HG)D B t h/(mm mm mm mm)钢材混凝土t1 t2 h2 d2/(mm m
15、m mm mm)/%CX-1300 150 5 20552235C4010 10 100 10025 89YH-115 10 100 10029 89YH-220 10 100 10033 89YH-325 10 100 10037 89YH-430 10 100 10041 89FH-110 15 100 10027 67FH-210 20 100 10029 45FH-310 25 100 10031 22FH-410 30 100 10033 00GD-110 10 25 10022 56GD-210 10 50 10023 67GD-310 10 75 10024 78GD-410 1
16、0 125 10027 00KD-110 10 100 2519 22KD-210 10 100 5021 45KD-310 10 100 7523 67KD-410 10 100 12528 11注:t 为钢管厚度;h 为柱高度;为长细比，饶弱轴方向计算长细比，其计算公式详见文献 14;为长宽比，为截面长度与宽度的比值，即=D/B;t1为工字钢翼缘厚度;t2为工字钢腹板厚度;h2为工字钢高度;d2为工字钢宽度;为含钢率;CX-1 为对比试件编号。77022023，23(5)谢晋，等:内置工字钢圆端形钢管混凝土短柱局压性能的有限元分析投稿网址:www stae com cnU1为 X 轴方向平移自由度;U2为 Y 轴方向平移自由度;U3为Z 轴方向平移自由度;U3为 Z 轴方向旋转自由度图 2有限元模型及网格划分示意图Fig.2Schematic diagram of finite elementmodel and meshing混凝土与工字钢、钢管之间的接触关系分别设定为法向、切向两种行为，并各自设置为硬接触、罚。根据文献 16，罚摩擦因数17 设为 0.3。柱底端采用铰接约束，顶部
