復(fù)合受扭型鋼混凝土柱：受力性能剖析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法探究

一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代建筑工程領(lǐng)域，隨著建筑高度不斷攀升、建筑功能愈發(fā)復(fù)雜多樣，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能要求也日益嚴(yán)苛。型鋼混凝土柱作為一種融合了鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的組合構(gòu)件，在各類建筑中得到了廣泛應(yīng)用。其通過在混凝土中配置型鋼，充分發(fā)揮了鋼材的抗拉強(qiáng)度高與混凝土的抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，使構(gòu)件兼具較高的承載力、良好的剛度以及優(yōu)異的抗震性能。相較于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱，型鋼混凝土柱在相同荷載條件下可有效減小構(gòu)件截面尺寸，從而增加建筑使用空間，提升建筑空間利用率；與純鋼結(jié)構(gòu)柱相比，又具有更好的防火、防銹性能，且造價(jià)相對較低，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯。在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)中，型鋼混凝土柱常常處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，復(fù)合受扭工況便是其中較為常見且復(fù)雜的一種。例如在高層建筑的角柱部位，由于結(jié)構(gòu)在水平地震作用或風(fēng)荷載作用下會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得角柱不僅承受軸向壓力、彎矩和剪力，還會承受扭矩的作用。在大跨度空間結(jié)構(gòu)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則或存在偏心受力時(shí)，相關(guān)的型鋼混凝土柱也可能處于復(fù)合受扭狀態(tài)。復(fù)合受扭工況下，構(gòu)件的受力性能與單一受力狀態(tài)下有顯著差異，扭矩的存在會改變構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力分布，使得混凝土、鋼筋和型鋼之間的協(xié)同工作機(jī)制更為復(fù)雜，進(jìn)而影響構(gòu)件的承載能力、變形性能以及破壞模式。若對復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的受力性能認(rèn)識不足，在設(shè)計(jì)中采用不合理的設(shè)計(jì)方法，可能導(dǎo)致構(gòu)件在使用過程中過早出現(xiàn)裂縫、變形過大甚至發(fā)生破壞，嚴(yán)重威脅建筑結(jié)構(gòu)的安全。對復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的受力性能及設(shè)計(jì)方法展開深入研究具有極為重要的意義。從保障結(jié)構(gòu)安全角度來看，準(zhǔn)確掌握其受力性能，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，使設(shè)計(jì)出的構(gòu)件在各種復(fù)雜受力情況下都能滿足安全性和可靠性要求，有效預(yù)防結(jié)構(gòu)安全事故的發(fā)生，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。從推動建筑行業(yè)發(fā)展角度而言，深入研究可為新型建筑結(jié)構(gòu)體系的開發(fā)和應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)向更高、更復(fù)雜、更經(jīng)濟(jì)合理的方向發(fā)展，滿足現(xiàn)代社會對建筑多樣化的需求，助力建筑行業(yè)技術(shù)水平的提升。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀型鋼混凝土柱受扭性能的研究在國內(nèi)外均取得了一定成果，涵蓋理論分析、試驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬等多個(gè)方面。在理論研究方面，國外起步相對較早。日本規(guī)范《鐵骨鐵筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》采用將鋼骨部分和鋼筋混凝土部分各自抗扭承載力疊加的方式來計(jì)算型鋼混凝土構(gòu)件的抗扭承載力，但該方法未能充分考慮型鋼與鋼筋混凝土之間的協(xié)同工作效應(yīng)。而在國內(nèi)，相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程起初未對型鋼混凝土構(gòu)件的抗扭承載力計(jì)算和設(shè)計(jì)方法給出明確規(guī)定。隨著研究的深入，部分學(xué)者通過理論推導(dǎo)，如采用變角空間桁架模型等，提出了型鋼混凝土柱在復(fù)合受力下的開裂扭矩和極限扭矩計(jì)算公式。例如，有學(xué)者通過對十字形型鋼混凝土柱的受力機(jī)理研究，采用變角空間桁架模型，成功推導(dǎo)得出相應(yīng)的計(jì)算公式，且計(jì)算值與試驗(yàn)值基本吻合，為理論研究提供了新的思路和方法。試驗(yàn)研究是探究型鋼混凝土柱受扭性能的重要手段。在國內(nèi)，周兆堂等人針對型鋼混凝土T型墻、L型墻、圓形柱、方形體等多種構(gòu)件展開受扭試驗(yàn)研究，深入分析了不同構(gòu)件形式在扭矩作用下的力學(xué)性能。蘇州科技學(xué)院和廣西大學(xué)組成的聯(lián)合科研小組對23根型鋼混凝土梁進(jìn)行受扭性能試驗(yàn)，全面研究了型鋼混凝土梁在受扭過程中的裂縫形成、發(fā)展規(guī)律以及破壞特征。周月艷、邵永健等人通過3個(gè)型鋼混凝土柱試件在復(fù)合受力下的單調(diào)受扭試驗(yàn)，詳細(xì)分析了軸壓比、扭彎比等參數(shù)對構(gòu)件受扭性能的影響，發(fā)現(xiàn)軸壓比的增加能提高試件的初始剛度和承載力，扭彎比的增加則顯著提高試件初始剛度。徐佩登和邵永健研究了5個(gè)1/2比例的十字型鋼混凝土柱在低周反復(fù)荷載作用下的復(fù)合受扭性能，同時(shí)與1個(gè)鋼筋混凝土復(fù)合受扭柱進(jìn)行對比試驗(yàn)，分析了軸壓比、混凝土強(qiáng)度、扭彎比和配箍率對型鋼混凝土柱復(fù)合受扭滯回性能的影響。在國外，Thompson和El-Tawil等學(xué)者也對型鋼混凝土構(gòu)件的受扭性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究經(jīng)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬在型鋼混凝土柱受扭性能研究中得到了廣泛應(yīng)用。白國良等利用ANSYS軟件對型鋼混凝土受扭構(gòu)件進(jìn)行非線性有限元分析，通過建立合理的有限元模型，模擬構(gòu)件在受扭過程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，深入研究構(gòu)件的破壞機(jī)理。何益斌等同樣基于ANSYS軟件對型鋼混凝土構(gòu)件進(jìn)行抗扭分析與研究，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬在該領(lǐng)域研究中的可行性和有效性。何葉、劉清穎等基于前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用有限元軟件ABAQUS對型鋼混凝土柱在壓力、彎矩、剪力和扭矩共同作用下的抗扭性能進(jìn)行數(shù)值模擬，通過反復(fù)試算和對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了有限元模型的可靠性，并分析了配箍率、軸壓比、含鋼率等關(guān)鍵參數(shù)對型鋼混凝土柱受扭性能的影響規(guī)律。盡管國內(nèi)外在型鋼混凝土柱受扭性能研究方面已取得一定成果，但仍存在一些不足之處。在理論研究方面，目前的理論模型大多基于一定的假設(shè)條件，對于復(fù)雜受力狀態(tài)下型鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移、協(xié)同工作等復(fù)雜力學(xué)行為的考慮還不夠全面和深入，導(dǎo)致理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。在試驗(yàn)研究方面，試驗(yàn)研究往往受到試件數(shù)量、試驗(yàn)條件等因素的限制，難以全面涵蓋各種工況和參數(shù)組合，使得試驗(yàn)結(jié)果的普適性存在一定局限。而且，不同學(xué)者的試驗(yàn)研究中，試件的設(shè)計(jì)參數(shù)、加載制度等存在差異，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果之間的可比性較差，不利于對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)和分析。在數(shù)值模擬方面，雖然數(shù)值模擬能夠較好地模擬構(gòu)件的受力過程，但模型的建立和參數(shù)的選取對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大，目前對于一些復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系和接觸界面模型的研究還不夠成熟，數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性還有待進(jìn)一步提高。此外，對于型鋼混凝土柱在長期荷載作用下的受扭性能以及疲勞荷載作用下的受扭性能等方面的研究還相對較少，而這些因素在實(shí)際工程中對構(gòu)件的性能有著重要影響，需要進(jìn)一步深入研究。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入剖析復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的受力性能及設(shè)計(jì)方法，具體涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的受力性能研究：通過精心設(shè)計(jì)并開展型鋼混凝土柱在復(fù)合受扭工況下的試驗(yàn)，詳細(xì)記錄試驗(yàn)過程中構(gòu)件的變形情況、裂縫開展特征以及破壞模式等關(guān)鍵信息。同時(shí)，運(yùn)用有限元軟件對試驗(yàn)過程進(jìn)行精準(zhǔn)模擬，深入分析構(gòu)件在受扭過程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，全面揭示復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的受力性能和破壞機(jī)理。影響型鋼混凝土柱復(fù)合受扭性能的因素分析：系統(tǒng)研究軸壓比、扭彎比、配箍率、含鋼率以及混凝土強(qiáng)度等多種因素對型鋼混凝土柱復(fù)合受扭性能的影響。通過改變上述參數(shù)，進(jìn)行多組試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對比分析不同參數(shù)組合下構(gòu)件的受力性能變化，明確各因素的影響程度和規(guī)律，為后續(xù)的設(shè)計(jì)方法研究提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支持。復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)方法研究：基于對受力性能和影響因素的深入研究，提出一套科學(xué)合理的復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)方法。建立準(zhǔn)確的抗扭承載力計(jì)算公式，充分考慮各因素對承載力的影響，確保設(shè)計(jì)方法的可靠性和實(shí)用性。同時(shí)，結(jié)合工程實(shí)際，制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)流程和構(gòu)造要求，使設(shè)計(jì)方法具有良好的可操作性。型鋼混凝土柱在實(shí)際工程中的應(yīng)用研究：將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程案例，對采用復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。通過對實(shí)際工程的模擬和計(jì)算，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的有效性和可行性，評估構(gòu)件在實(shí)際使用過程中的性能表現(xiàn)。同時(shí)，總結(jié)工程應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)和問題，為進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)方法和推動型鋼混凝土柱在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用提供參考。1.3.2研究方法本研究將綜合運(yùn)用試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，確保研究的全面性、準(zhǔn)確性和可靠性。試驗(yàn)研究：設(shè)計(jì)并制作一系列不同參數(shù)的型鋼混凝土柱試件，包括不同的軸壓比、扭彎比、配箍率、含鋼率以及混凝土強(qiáng)度等。通過對試件施加復(fù)合受扭荷載，模擬實(shí)際工程中的受力工況，采用高精度的測量儀器，如應(yīng)變片、位移計(jì)等，實(shí)時(shí)監(jiān)測試件在加載過程中的應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)，詳細(xì)記錄裂縫的出現(xiàn)、發(fā)展和分布情況，觀察試件的破壞形態(tài)和破壞過程，獲取試件的開裂扭矩、極限扭矩、扭轉(zhuǎn)剛度等關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)。試驗(yàn)研究能夠直接獲取構(gòu)件的真實(shí)受力性能數(shù)據(jù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供可靠的驗(yàn)證依據(jù)。數(shù)值模擬：利用先進(jìn)的有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立精確的型鋼混凝土柱有限元模型。在模型中，合理定義材料的本構(gòu)關(guān)系，包括混凝土、鋼材和鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，考慮材料的非線性特性；準(zhǔn)確模擬構(gòu)件的幾何形狀、尺寸以及各部分之間的連接方式；合理設(shè)置邊界條件和加載方式，確保模擬過程與實(shí)際試驗(yàn)和工程工況相符。通過數(shù)值模擬，可以深入分析構(gòu)件在受扭過程中的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，研究不同參數(shù)對構(gòu)件受力性能的影響規(guī)律，彌補(bǔ)試驗(yàn)研究在觀察內(nèi)部受力狀態(tài)方面的不足，同時(shí)可以進(jìn)行大量不同參數(shù)組合的模擬分析，提高研究效率，降低研究成本。理論分析：基于試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的結(jié)果，運(yùn)用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和混凝土結(jié)構(gòu)基本理論，對復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的受力性能進(jìn)行深入的理論分析。推導(dǎo)抗扭承載力計(jì)算公式，考慮型鋼與混凝土之間的協(xié)同工作效應(yīng)、粘結(jié)滑移等復(fù)雜因素，建立合理的力學(xué)模型，使理論計(jì)算公式能夠準(zhǔn)確反映構(gòu)件的實(shí)際受力性能。同時(shí)，對影響構(gòu)件受力性能的各因素進(jìn)行理論分析，揭示其作用機(jī)理，為設(shè)計(jì)方法的建立提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。二、型鋼混凝土柱的基本概念與材料特性2.1型鋼混凝土柱的組成與分類型鋼混凝土柱是一種由型鋼和混凝土兩種材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在該結(jié)構(gòu)中，型鋼作為主要的受力骨架，通常采用工字鋼、H型鋼、十字型鋼、鋼管以及鋼箱型等鋼材，這些鋼材具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)，能夠有效地承擔(dān)拉力和壓力。而混凝土則包裹在型鋼周圍，一方面可以防止型鋼銹蝕，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性；另一方面，混凝土在受壓時(shí)能夠發(fā)揮其抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)勢，與型鋼協(xié)同工作，共同承受外部荷載。此外，為了進(jìn)一步增強(qiáng)構(gòu)件的整體性和承載能力，型鋼混凝土柱中還會配置一定數(shù)量的縱向鋼筋和箍筋?？v向鋼筋主要承受拉力，增強(qiáng)構(gòu)件的抗彎能力；箍筋則用于約束混凝土，提高構(gòu)件的抗剪能力和延性，同時(shí)也有助于增強(qiáng)型鋼與混凝土之間的粘結(jié)力。根據(jù)型鋼形式的不同，型鋼混凝土柱可分為實(shí)腹式和空腹式兩類。實(shí)腹式型鋼混凝土柱中的型鋼為實(shí)心截面，如常見的工字鋼、H型鋼、十字型鋼等。這類型鋼混凝土柱的特點(diǎn)是受力性能好，能夠有效地傳遞荷載，適用于各種受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部位。例如在高層建筑的框架柱中，實(shí)腹式型鋼混凝土柱能夠很好地承受軸向壓力、彎矩和剪力的共同作用，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性?？崭故叫弯摶炷林械男弯搫t由角鋼或其他型鋼組成空間桁架式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部為空心?？崭故叫弯摶炷林膬?yōu)點(diǎn)是自重較輕，可節(jié)省鋼材用量，同時(shí)還具有較好的通風(fēng)和管線穿越空間。在一些對結(jié)構(gòu)自重有嚴(yán)格要求的大跨度結(jié)構(gòu)或工業(yè)廠房中，空腹式型鋼混凝土柱能夠發(fā)揮其優(yōu)勢，在滿足結(jié)構(gòu)承載要求的同時(shí)，降低結(jié)構(gòu)自重，減少基礎(chǔ)負(fù)擔(dān)。按照截面形狀的不同，型鋼混凝土柱又可分為矩形、圓形、T形、L形等多種類型。矩形截面的型鋼混凝土柱是最為常見的一種形式，其截面形狀規(guī)則，便于施工和模板制作，在各類建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。例如在普通的高層建筑框架結(jié)構(gòu)中，矩形截面型鋼混凝土柱能夠方便地與梁進(jìn)行連接，形成穩(wěn)定的框架體系。圓形截面的型鋼混凝土柱具有較好的抗扭性能和外觀效果，常用于圓形建筑結(jié)構(gòu)或?qū)Y(jié)構(gòu)抗扭性能要求較高的部位，如電視塔、煙囪等高聳結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)柱。T形和L形截面的型鋼混凝土柱則適用于一些特殊的建筑結(jié)構(gòu)布局，如在建筑的轉(zhuǎn)角部位或需要與其他構(gòu)件特殊連接的部位，T形和L形截面柱能夠更好地適應(yīng)結(jié)構(gòu)受力和空間布置的要求。2.2型鋼與混凝土材料性能型鋼作為型鋼混凝土柱的重要組成部分，其力學(xué)性能對構(gòu)件的整體性能有著關(guān)鍵影響。常見的型鋼材料如Q235、Q345等，具有明確的強(qiáng)度和彈性模量指標(biāo)。以Q345型鋼為例，其屈服強(qiáng)度通常不低于345MPa，抗拉強(qiáng)度在470-630MPa之間。在彈性階段，型鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本呈線性，彈性模量約為2.06×10^5MPa，這使得型鋼在承受較小荷載時(shí)能夠保持良好的彈性變形能力，有效地傳遞荷載。當(dāng)荷載逐漸增加，達(dá)到屈服強(qiáng)度后，型鋼會進(jìn)入屈服階段，此時(shí)其變形迅速增大，應(yīng)力基本保持不變，表現(xiàn)出良好的塑性性能。這種塑性性能使得型鋼混凝土柱在遭受較大變形時(shí)，能夠通過型鋼的塑性變形來消耗能量，提高構(gòu)件的延性和抗震性能?；炷猎谛弯摶炷林兄饕惺軌毫Γ湫阅芴攸c(diǎn)與強(qiáng)度等級密切相關(guān)。在實(shí)際工程中，常用的混凝土強(qiáng)度等級有C20、C30、C40等。以C30混凝土為例，其立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為30MPa，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值約為14.3MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值約為1.43MPa。混凝土的抗壓強(qiáng)度較高，這是其在結(jié)構(gòu)中主要承擔(dān)壓力的重要依據(jù)。然而，混凝土的抗拉強(qiáng)度相對較低，一般僅為抗壓強(qiáng)度的1/10-1/20，這使得混凝土在受拉時(shí)容易出現(xiàn)裂縫?；炷恋膹椥阅Ａ侩S著強(qiáng)度等級的提高而增大，C30混凝土的彈性模量約為3.0×10^4MPa，其在受力過程中的變形特性與彈性模量密切相關(guān)，彈性模量越大，在相同荷載作用下的變形越小。在型鋼混凝土柱中，型鋼與混凝土協(xié)同工作是保證構(gòu)件良好受力性能的關(guān)鍵。二者能夠協(xié)同工作主要基于以下原理：一方面，在構(gòu)件受力初期，型鋼和混凝土共同承擔(dān)荷載，由于型鋼的彈性模量大于混凝土，型鋼承擔(dān)的應(yīng)力相對較大，但隨著荷載的增加，混凝土的非線性特性逐漸顯現(xiàn)，其分擔(dān)的荷載比例也逐漸增加；另一方面，二者之間存在著較強(qiáng)的粘結(jié)力，這種粘結(jié)力能夠有效地傳遞應(yīng)力，保證在受力過程中二者變形協(xié)調(diào)，共同發(fā)揮作用。界面粘結(jié)性能是影響型鋼與混凝土協(xié)同工作的重要因素。研究表明，影響界面粘結(jié)性能的因素眾多，其中混凝土的強(qiáng)度和橫向配箍率起著關(guān)鍵作用?；炷翉?qiáng)度越高，其與型鋼之間的粘結(jié)力越強(qiáng)，因?yàn)楦邚?qiáng)度的混凝土能夠更好地與型鋼表面緊密結(jié)合，提供更大的化學(xué)膠結(jié)力和機(jī)械咬合力。橫向配箍率的增加能夠有效約束混凝土的橫向變形，增強(qiáng)混凝土與型鋼之間的摩擦力和機(jī)械咬合力，從而提高界面粘結(jié)性能。在實(shí)際工程中，若界面粘結(jié)性能不足，可能導(dǎo)致型鋼與混凝土之間出現(xiàn)相對滑移，使得二者無法協(xié)同工作，構(gòu)件的承載能力和變形性能將受到嚴(yán)重影響。例如，當(dāng)構(gòu)件承受較大扭矩時(shí)，界面粘結(jié)性能差可能導(dǎo)致混凝土與型鋼之間出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，扭矩?zé)o法有效地在二者之間傳遞，進(jìn)而降低構(gòu)件的抗扭承載力。三、復(fù)合受扭型鋼混凝土柱受力性能試驗(yàn)研究3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試件制作本次試驗(yàn)以某高層建筑角柱為原型，對復(fù)合受扭型鋼混凝土柱的受力性能展開研究。在試件設(shè)計(jì)過程中，充分考慮實(shí)際工程中角柱的受力特點(diǎn)以及影響構(gòu)件復(fù)合受扭性能的關(guān)鍵因素，精心確定各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)。試件的尺寸設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它直接影響到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算和分析，最終確定試件的截面尺寸為400mm×400mm，高度為1500mm。這樣的尺寸既能夠保證試件在試驗(yàn)過程中充分展現(xiàn)出復(fù)合受扭的受力特性，又便于在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行制作、安裝和加載操作。同時(shí)，該尺寸也與實(shí)際工程中的角柱尺寸具有一定的相似性，使得試驗(yàn)結(jié)果更具實(shí)際工程參考價(jià)值。型鋼類型的選擇對試件的力學(xué)性能有著關(guān)鍵影響。綜合考慮強(qiáng)度、剛度以及與混凝土的協(xié)同工作性能等因素，選用Q345B十字型鋼作為試件的核心受力骨架。十字型鋼的截面形式能夠在各個(gè)方向上提供較為均勻的承載能力，與混凝土協(xié)同工作時(shí)，能夠有效提高試件的抗扭、抗彎和抗壓性能。其具體尺寸為：翼緣寬度150mm，翼緣厚度10mm，腹板厚度8mm?；炷翉?qiáng)度等級是影響試件性能的重要參數(shù)之一。經(jīng)過多次試配和強(qiáng)度測試，最終確定采用C35混凝土。C35混凝土具有適中的強(qiáng)度和良好的工作性能，能夠滿足試驗(yàn)對混凝土強(qiáng)度和施工工藝的要求。在混凝土配合比設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格控制水泥、砂、石、水以及外加劑的用量，確?；炷恋母黜?xiàng)性能指標(biāo)穩(wěn)定可靠。縱向鋼筋選用HRB400級鋼筋，直徑為16mm，均勻布置在試件截面的四個(gè)角部和四條邊的中部，縱向鋼筋的配筋率為1.5%。箍筋則采用HPB300級鋼筋，直徑為8mm，間距為100mm，采用封閉式箍筋形式，以增強(qiáng)對混凝土的約束作用，提高試件的抗剪和抗扭性能。在試件制作過程中，嚴(yán)格把控每一個(gè)環(huán)節(jié)，確保試件的質(zhì)量符合試驗(yàn)要求。首先進(jìn)行型鋼的加工制作，按照設(shè)計(jì)尺寸和精度要求，采用先進(jìn)的數(shù)控加工設(shè)備對型鋼進(jìn)行切割、焊接等加工工序。在焊接過程中，嚴(yán)格控制焊接電流、電壓和焊接速度，確保焊縫質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，避免出現(xiàn)虛焊、夾渣等缺陷。對加工完成的型鋼進(jìn)行全面的質(zhì)量檢查，包括尺寸精度、平整度、焊縫質(zhì)量等，確保型鋼的各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。隨后進(jìn)行鋼筋的綁扎工作。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，準(zhǔn)確確定縱向鋼筋和箍筋的位置，采用鐵絲將鋼筋牢固綁扎，確保鋼筋骨架的整體性和穩(wěn)定性。在鋼筋綁扎過程中，注意鋼筋的間距和保護(hù)層厚度的控制，保證鋼筋在混凝土中的位置準(zhǔn)確，以充分發(fā)揮鋼筋的受力性能。模板安裝是試件制作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。選用高強(qiáng)度、密封性好的木模板，按照試件尺寸進(jìn)行精確加工和安裝。在模板安裝過程中，確保模板的平整度和垂直度，避免出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。采用對拉螺栓和支撐系統(tǒng)對模板進(jìn)行加固，保證在混凝土澆筑過程中模板能夠承受混凝土的側(cè)壓力和施工荷載，不發(fā)生變形和位移?；炷翝仓窃嚰谱鞯淖詈笠坏拦ば?，也是保證試件質(zhì)量的關(guān)鍵。在澆筑前，對模板、鋼筋和型鋼進(jìn)行全面的檢查和清理，確保無雜物和積水。采用商品混凝土，通過泵送方式將混凝土輸送至模板內(nèi)。在澆筑過程中，采用插入式振搗器進(jìn)行振搗，確保混凝土振搗密實(shí)，避免出現(xiàn)蜂窩、麻面等缺陷。同時(shí)，控制好混凝土的澆筑速度和高度，保證混凝土澆筑的連續(xù)性和均勻性。在材料質(zhì)量控制方面，對每一批進(jìn)場的鋼材、鋼筋和混凝土原材料都進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)。鋼材和鋼筋的檢驗(yàn)項(xiàng)目包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)，以及化學(xué)成分分析。混凝土原材料的檢驗(yàn)項(xiàng)目包括水泥的強(qiáng)度、安定性，砂的含泥量、細(xì)度模數(shù)，石子的壓碎指標(biāo)、針片狀含量等。只有檢驗(yàn)合格的原材料才能用于試件制作，從源頭上保證試件的質(zhì)量。經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)和制作，共完成了[X]個(gè)復(fù)合受扭型鋼混凝土柱試件，為后續(xù)的受力性能試驗(yàn)研究提供了可靠的試驗(yàn)對象。這些試件將在不同的軸壓比、扭彎比等工況下進(jìn)行加載試驗(yàn)，以全面揭示復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的受力性能和破壞機(jī)理。3.2試驗(yàn)加載方案與量測內(nèi)容試驗(yàn)加載裝置采用了先進(jìn)的電液伺服加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠精確控制荷載的施加，確保加載過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在加載過程中，豎向荷載通過液壓千斤頂施加于試件頂部，模擬實(shí)際工程中的軸向壓力。扭矩則通過專門設(shè)計(jì)的扭矩加載裝置施加，該裝置能夠?qū)⑺搅D(zhuǎn)化為扭矩，均勻地施加在試件上。加載制度采用分級加載的方式，首先施加豎向荷載至預(yù)定的軸壓比，然后保持豎向荷載不變，逐步施加扭矩。在加載初期，扭矩以較小的增量逐級增加，每級荷載持續(xù)一段時(shí)間，以便觀察試件的變形和裂縫發(fā)展情況。當(dāng)試件接近開裂時(shí)，減小加載增量，密切關(guān)注試件的開裂情況，準(zhǔn)確記錄開裂扭矩。隨著扭矩的繼續(xù)增加，試件進(jìn)入非線性階段，此時(shí)根據(jù)試件的變形和受力情況，適當(dāng)調(diào)整加載增量，直至試件達(dá)到極限承載能力。在加載過程中，嚴(yán)格控制加載速率，豎向荷載的加載速率為0.5kN/s，扭矩的加載速率為0.2kN?m/s。這樣的加載速率既能保證試驗(yàn)過程的安全性，又能使試件在受力過程中充分展現(xiàn)其力學(xué)性能，避免因加載過快或過慢而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。為了全面獲取試件在復(fù)合受扭工況下的受力性能數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中設(shè)置了多個(gè)量測內(nèi)容。在試件的表面布置了大量的電阻應(yīng)變片，用于測量混凝土和鋼筋在加載過程中的應(yīng)變變化。應(yīng)變片分別布置在試件的四個(gè)側(cè)面，沿高度方向均勻分布，同時(shí)在型鋼的關(guān)鍵部位也布置了應(yīng)變片，以監(jiān)測型鋼的受力情況。通過測量不同部位的應(yīng)變，可以分析構(gòu)件在受扭過程中的應(yīng)力分布規(guī)律，了解混凝土、鋼筋和型鋼之間的協(xié)同工作機(jī)制。位移計(jì)的布置對于測量試件的變形至關(guān)重要。在試件的頂部和底部對稱布置位移計(jì)，用于測量試件在扭矩作用下的扭轉(zhuǎn)角和豎向位移。在試件的側(cè)面中部也布置了位移計(jì)，用于測量試件的水平位移。通過測量這些位移數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出試件的扭轉(zhuǎn)剛度和變形能力，評估構(gòu)件在復(fù)合受扭工況下的變形性能。裂縫觀測是試驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)之一。在加載過程中，采用裂縫觀測儀和放大鏡對試件表面的裂縫進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測。記錄裂縫的出現(xiàn)位置、寬度、長度以及發(fā)展方向等信息。通過對裂縫的觀測和分析，可以了解試件的破壞過程和破壞模式，評估構(gòu)件的耐久性和安全性。在試驗(yàn)過程中，還使用了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對所有測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和記錄。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地采集應(yīng)變片、位移計(jì)等測量儀器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。同時(shí)，試驗(yàn)過程中還安排了專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場觀察和記錄，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析在本次試驗(yàn)中，對試件的裂縫開展、破壞形態(tài)、荷載-扭矩曲線、荷載-位移曲線以及極限承載力、抗扭剛度、延性等性能指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的觀察與分析。3.3.1裂縫開展與破壞形態(tài)在加載初期，試件處于彈性階段，表面無明顯裂縫。隨著扭矩的逐漸增加，當(dāng)達(dá)到開裂扭矩時(shí)，試件表面首先出現(xiàn)細(xì)微的斜裂縫，這些裂縫大多出現(xiàn)在試件的角部和側(cè)面中部，且與構(gòu)件軸線成一定角度。這是由于扭矩作用下，構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生主拉應(yīng)力，當(dāng)主拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會開裂。隨著扭矩的進(jìn)一步增大，斜裂縫不斷擴(kuò)展和延伸，同時(shí)新的裂縫陸續(xù)出現(xiàn)，裂縫寬度也逐漸增大。在接近極限荷載時(shí)，裂縫發(fā)展迅速，部分裂縫貫穿整個(gè)試件截面，形成明顯的破壞面。此時(shí)，混凝土開始剝落，鋼筋和型鋼逐漸暴露出來。不同軸壓比和扭彎比的試件，其裂縫開展和破壞形態(tài)存在一定差異。軸壓比相對較高的試件，由于混凝土處于較高的壓應(yīng)力狀態(tài)，其開裂扭矩和極限扭矩相對較大，裂縫開展相對較晚，但一旦開裂，裂縫發(fā)展速度較快，破壞形態(tài)更為突然。扭彎比較大的試件，其裂縫主要集中在受拉一側(cè)，裂縫分布更為密集，破壞形態(tài)表現(xiàn)為受拉破壞特征更為明顯。試件的最終破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為斜拉破壞。在扭矩和軸向壓力的共同作用下，構(gòu)件內(nèi)部的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力形成斜向的應(yīng)力場，導(dǎo)致混凝土沿斜向拉裂，鋼筋和型鋼屈服，最終構(gòu)件喪失承載能力。這種破壞形態(tài)表明，復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的破壞主要是由于主拉應(yīng)力引起的，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮構(gòu)件的抗扭配筋，以提高構(gòu)件的抗扭能力。3.3.2荷載-扭矩、荷載-位移曲線根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的荷載-扭矩曲線清晰地展示了試件在加載過程中的受力變化情況。在彈性階段，荷載-扭矩曲線近似為一條直線，表明構(gòu)件的抗扭剛度基本保持不變，扭矩與荷載呈線性關(guān)系。隨著扭矩的增加，曲線逐漸偏離線性，進(jìn)入非線性階段，這是由于混凝土開始出現(xiàn)裂縫，構(gòu)件的抗扭剛度逐漸降低。當(dāng)達(dá)到極限扭矩時(shí)，曲線達(dá)到峰值，隨后荷載隨著扭矩的減小而迅速下降，表明構(gòu)件已進(jìn)入破壞階段，承載能力急劇降低。荷載-位移曲線則反映了試件在扭矩作用下的變形情況。在加載初期，位移隨荷載的增加而緩慢增加，曲線斜率較小，表明構(gòu)件的剛度較大。隨著荷載的增加，位移增長速度加快，曲線斜率逐漸增大，這是由于構(gòu)件內(nèi)部裂縫不斷發(fā)展，剛度逐漸減小。當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，位移急劇增大，曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)構(gòu)件已接近破壞，變形能力達(dá)到極限。通過對不同軸壓比和扭彎比試件的荷載-扭矩、荷載-位移曲線進(jìn)行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)軸壓比和扭彎比對曲線的形狀和特征有顯著影響。軸壓比的增加會使曲線的彈性階段延長，極限扭矩和極限荷載增大，但曲線的下降段更為陡峭，表明構(gòu)件的延性有所降低。扭彎比的增加則會使曲線的彈性階段縮短，非線性階段提前出現(xiàn)，極限扭矩和極限荷載相對減小，同時(shí)曲線的下降段更為平緩，表明構(gòu)件的延性有所提高。3.3.3極限承載力、抗扭剛度、延性等性能指標(biāo)及變化規(guī)律極限承載力是衡量構(gòu)件承載能力的重要指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的極限承載力隨著軸壓比的增加而增大，這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)妮S壓比可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，增強(qiáng)構(gòu)件的整體承載能力。但當(dāng)軸壓比超過一定值時(shí)，構(gòu)件的延性會顯著降低，不利于結(jié)構(gòu)的抗震性能。扭彎比的增加會使極限承載力有所降低，這是因?yàn)榕澅仍龃髸r(shí)，構(gòu)件受拉一側(cè)的拉應(yīng)力增大，更容易導(dǎo)致混凝土開裂和破壞，從而降低構(gòu)件的承載能力。含鋼率和配箍率的增加均能提高構(gòu)件的極限承載力，含鋼率的增加直接增強(qiáng)了構(gòu)件的抗拉和抗壓能力，而配箍率的增加則通過約束混凝土，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性，進(jìn)而提高了構(gòu)件的極限承載力?？古偠确从沉藰?gòu)件抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。在彈性階段，構(gòu)件的抗扭剛度基本保持不變，隨著裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，抗扭剛度逐漸降低。軸壓比的增加會使構(gòu)件的初始抗扭剛度增大，這是因?yàn)檩S壓比的增加提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和約束作用，使構(gòu)件在受扭時(shí)的變形減小。扭彎比的增加會使抗扭剛度降低，因?yàn)榕澅仍龃髸r(shí)，構(gòu)件受拉一側(cè)的變形增大，導(dǎo)致構(gòu)件整體的抗扭剛度下降。含鋼率和配箍率的增加均能提高構(gòu)件的抗扭剛度，含鋼率的增加提高了構(gòu)件的整體剛度，配箍率的增加則通過約束混凝土，增強(qiáng)了混凝土與型鋼之間的協(xié)同工作能力，從而提高了抗扭剛度。延性是衡量構(gòu)件在破壞前能夠承受較大變形的能力，是結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的延性隨著軸壓比的增加而降低，這是因?yàn)檩S壓比增大時(shí)，混凝土在受壓狀態(tài)下更容易發(fā)生脆性破壞，導(dǎo)致構(gòu)件的延性降低。扭彎比的增加會使構(gòu)件的延性有所提高，這是因?yàn)榕澅仍龃髸r(shí)，構(gòu)件的破壞形態(tài)更傾向于受拉破壞，受拉破壞具有一定的延性特征。配箍率的增加能顯著提高構(gòu)件的延性，配箍率越大，對混凝土的約束作用越強(qiáng)，混凝土在破壞前能夠發(fā)生更大的變形，從而提高了構(gòu)件的延性。含鋼率的增加對延性的影響相對較小，但在一定程度上也能提高構(gòu)件的延性。四、復(fù)合受扭型鋼混凝土柱受力性能數(shù)值模擬4.1有限元模型建立本研究選用通用有限元軟件ABAQUS對復(fù)合受扭型鋼混凝土柱的受力性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析。ABAQUS具有強(qiáng)大的非線性分析能力，能夠準(zhǔn)確模擬材料的非線性行為、復(fù)雜的接觸問題以及大變形等情況，在土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛應(yīng)用。在建立有限元模型時(shí)，首先對型鋼混凝土柱的幾何模型進(jìn)行精確構(gòu)建。根據(jù)試驗(yàn)試件的實(shí)際尺寸，在ABAQUS中創(chuàng)建三維實(shí)體模型，確保模型的幾何形狀、尺寸與試驗(yàn)試件完全一致。模型中包括型鋼、混凝土、縱向鋼筋和箍筋。對于型鋼，采用實(shí)體建模方式，準(zhǔn)確模擬其截面形狀和尺寸，如本研究中選用的Q345B十字型鋼，按照翼緣寬度150mm，翼緣厚度10mm，腹板厚度8mm進(jìn)行建模?；炷敛糠滞瑯硬捎脤?shí)體單元進(jìn)行模擬，其截面尺寸為400mm×400mm，高度為1500mm，與試驗(yàn)試件保持一致。縱向鋼筋和箍筋則采用桁架單元進(jìn)行模擬，通過定義其截面面積和位置，準(zhǔn)確地將其布置在混凝土模型中。材料本構(gòu)關(guān)系的定義是有限元模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；炷敛捎盟苄該p傷模型（ConcreteDamagedPlasticityModel）來描述其非線性力學(xué)行為。該模型考慮了混凝土在受壓和受拉狀態(tài)下的塑性變形以及損傷演化，能夠較為準(zhǔn)確地模擬混凝土在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)性能。在模型中，根據(jù)試驗(yàn)采用的C35混凝土，輸入其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)，同時(shí)定義混凝土的受壓損傷因子和受拉損傷因子，以反映混凝土在受力過程中的損傷發(fā)展情況。型鋼和鋼筋均采用理想彈塑性本構(gòu)模型。對于Q345B型鋼，其屈服強(qiáng)度設(shè)置為345MPa，彈性模量為2.06×10^5MPa，泊松比為0.3。HRB400級縱向鋼筋和HPB300級箍筋的屈服強(qiáng)度分別設(shè)置為400MPa和300MPa，彈性模量均為2.0×10^5MPa，泊松比為0.3。通過準(zhǔn)確設(shè)置這些材料參數(shù)，確保模型能夠真實(shí)反映鋼材的力學(xué)性能。在單元類型選擇方面，混凝土和型鋼均選用八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元（C3D8R）。這種單元在模擬大變形和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時(shí)具有較好的計(jì)算精度和穩(wěn)定性，能夠有效地捕捉混凝土和型鋼在受力過程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況。縱向鋼筋和箍筋采用三維桁架單元（T3D2），該單元能夠準(zhǔn)確模擬鋼筋的軸向受力特性，且計(jì)算效率較高。接觸參數(shù)的設(shè)置對于模擬型鋼與混凝土、鋼筋與混凝土之間的協(xié)同工作至關(guān)重要。在ABAQUS中，通過定義“綁定”（Tie）約束來模擬鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)關(guān)系，認(rèn)為鋼筋與混凝土之間無相對滑移，能夠共同變形，協(xié)同工作。對于型鋼與混凝土之間的接觸，采用“硬接觸”（HardContact）來模擬法向接觸行為，確保在受壓時(shí)二者之間能夠有效傳遞壓力。在切向接觸方面，采用庫侖摩擦模型，根據(jù)相關(guān)研究和試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置合適的摩擦系數(shù)，以模擬型鋼與混凝土之間的切向相互作用。為了驗(yàn)證所建立有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。對比內(nèi)容包括荷載-扭矩曲線、荷載-位移曲線以及破壞形態(tài)等。從荷載-扭矩曲線對比來看，模擬曲線與試驗(yàn)曲線在彈性階段基本重合，表明模型能夠準(zhǔn)確模擬構(gòu)件在彈性階段的抗扭性能。在非線性階段，模擬曲線與試驗(yàn)曲線的變化趨勢一致，極限扭矩的模擬值與試驗(yàn)值較為接近，誤差在合理范圍內(nèi)。從荷載-位移曲線對比來看，模擬曲線能夠較好地反映試驗(yàn)過程中構(gòu)件的變形情況，位移的模擬值與試驗(yàn)值也具有較好的一致性。在破壞形態(tài)方面，模擬結(jié)果與試驗(yàn)觀察到的破壞形態(tài)基本相似，均表現(xiàn)為斜拉破壞，混凝土開裂、剝落，鋼筋和型鋼屈服，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。通過以上對比分析，證明所建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬復(fù)合受扭型鋼混凝土柱的受力性能，為后續(xù)的參數(shù)分析和研究提供了可靠的工具。4.2模擬結(jié)果與試驗(yàn)對比驗(yàn)證將有限元模擬得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行全面細(xì)致的對比，是驗(yàn)證模擬方法準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在裂縫發(fā)展方面，試驗(yàn)中，在加載初期，試件表面無明顯裂縫，隨著扭矩逐漸增加，達(dá)到開裂扭矩時(shí)，試件角部和側(cè)面中部首先出現(xiàn)細(xì)微斜裂縫，此后裂縫不斷擴(kuò)展延伸，新裂縫陸續(xù)出現(xiàn)，寬度增大，接近極限荷載時(shí)，部分裂縫貫穿截面，混凝土剝落。有限元模擬也呈現(xiàn)出類似的裂縫發(fā)展趨勢，在加載初期模型表面無裂縫，達(dá)到開裂扭矩時(shí)，相應(yīng)位置出現(xiàn)裂縫，隨著荷載增加，裂縫同樣不斷發(fā)展，只是模擬中裂縫的顯示更為規(guī)則和理想化，這是由于試驗(yàn)中混凝土材料的不均勻性以及加載過程中的一些不可控因素導(dǎo)致實(shí)際裂縫發(fā)展更為復(fù)雜。從荷載-位移曲線來看，試驗(yàn)得到的曲線在彈性階段，位移隨荷載緩慢增加，曲線斜率較小，構(gòu)件剛度較大；隨著荷載增加，裂縫發(fā)展，剛度減小，位移增長速度加快；達(dá)到極限荷載時(shí)，位移急劇增大，曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)。模擬得到的荷載-位移曲線在彈性階段與試驗(yàn)曲線基本重合，非線性階段的變化趨勢也一致，極限荷載對應(yīng)的位移值與試驗(yàn)值較為接近。但模擬曲線相對試驗(yàn)曲線更為光滑，試驗(yàn)曲線可能會因?yàn)樵囼?yàn)儀器的測量誤差、加載過程中的微小波動等因素而出現(xiàn)一些小的波動。在荷載-扭矩曲線方面，試驗(yàn)曲線在彈性階段，扭矩與荷載呈線性關(guān)系，曲線近似為直線，隨著扭矩增加進(jìn)入非線性階段，曲線偏離線性，達(dá)到極限扭矩時(shí)曲線達(dá)到峰值，隨后荷載隨扭矩減小而迅速下降。模擬得到的荷載-扭矩曲線與試驗(yàn)曲線在彈性階段和非線性階段的變化趨勢均相符，極限扭矩的模擬值與試驗(yàn)值的誤差在可接受范圍內(nèi)。不過，由于模擬中對材料性能的理想化假設(shè)以及忽略了一些實(shí)際存在的微小因素，模擬曲線的峰值可能會略高于或略低于試驗(yàn)曲線。通過上述對比分析可知，整體上有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了模擬方法的準(zhǔn)確性。但二者也存在一些差異，除了前面提到的材料不均勻性、加載不可控因素、測量誤差、微小波動以及理想化假設(shè)等原因外，還可能是由于在有限元模型中對混凝土的骨料分布、鋼筋與混凝土之間的微觀粘結(jié)滑移等復(fù)雜情況的簡化處理，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)存在一定偏差。后續(xù)研究中，可以進(jìn)一步優(yōu)化模型，考慮更多實(shí)際因素，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。4.3影響因素參數(shù)化分析在完成有限元模型的驗(yàn)證后，利用該模型展開對復(fù)合受扭型鋼混凝土柱受力性能影響因素的參數(shù)化分析。本研究主要選取配箍率、軸壓比、含鋼率這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，以探究它們對構(gòu)件受扭性能的影響規(guī)律，為后續(xù)的設(shè)計(jì)方法研究提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支持。配箍率對復(fù)合受扭型鋼混凝土柱的受扭性能有著顯著影響。在有限元模型中，通過改變箍筋的間距和直徑，設(shè)置了不同的配箍率，分別為0.8%、1.2%、1.6%和2.0%。在其他參數(shù)保持不變的情況下，對不同配箍率的模型施加相同的復(fù)合受扭荷載。結(jié)果表明，隨著配箍率的增加，構(gòu)件的極限扭矩和抗扭剛度均有明顯提高。當(dāng)配箍率從0.8%提高到1.2%時(shí)，極限扭矩提高了約15%，抗扭剛度提高了約12%；配箍率從1.2%提高到1.6%時(shí)，極限扭矩提高了約10%，抗扭剛度提高了約8%。這是因?yàn)楣拷钅軌蛴行Ъs束混凝土的橫向變形，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性，從而增強(qiáng)構(gòu)件的抗扭能力。同時(shí)，箍筋還能與型鋼和縱向鋼筋協(xié)同工作，共同承擔(dān)扭矩，使得構(gòu)件在受扭過程中能夠更好地發(fā)揮各部分材料的性能。軸壓比是影響復(fù)合受扭型鋼混凝土柱受力性能的另一個(gè)重要因素。在模型中，將軸壓比分別設(shè)置為0.2、0.3、0.4和0.5。保持其他參數(shù)不變，對不同軸壓比的模型進(jìn)行加載分析。結(jié)果顯示，隨著軸壓比的增加，構(gòu)件的初始抗扭剛度增大，極限扭矩也有所提高。當(dāng)軸壓比從0.2增加到0.3時(shí)，初始抗扭剛度提高了約10%，極限扭矩提高了約8%。這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)妮S壓比可以使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，從而增強(qiáng)構(gòu)件的整體承載能力。然而，當(dāng)軸壓比超過一定值時(shí)，構(gòu)件的延性會顯著降低。當(dāng)軸壓比從0.4增加到0.5時(shí)，構(gòu)件的延性系數(shù)降低了約20%。這是因?yàn)檫^高的軸壓比會使混凝土在受壓狀態(tài)下更容易發(fā)生脆性破壞，導(dǎo)致構(gòu)件在破壞前的變形能力減小，不利于結(jié)構(gòu)的抗震性能。含鋼率的變化同樣對復(fù)合受扭型鋼混凝土柱的受扭性能產(chǎn)生重要影響。在有限元模型中，通過改變型鋼的截面尺寸，設(shè)置了不同的含鋼率，分別為3%、5%、7%和9%。在相同的復(fù)合受扭荷載作用下，分析不同含鋼率模型的受力性能。結(jié)果表明，隨著含鋼率的增加，構(gòu)件的極限扭矩和抗扭剛度均明顯提高。當(dāng)含鋼率從3%提高到5%時(shí)，極限扭矩提高了約20%，抗扭剛度提高了約18%；含鋼率從5%提高到7%時(shí)，極限扭矩提高了約15%，抗扭剛度提高了約13%。這是因?yàn)樾弯摼哂休^高的強(qiáng)度和剛度，含鋼率的增加直接增強(qiáng)了構(gòu)件的抗拉和抗壓能力，使得構(gòu)件在受扭時(shí)能夠承受更大的扭矩。同時(shí)，型鋼與混凝土之間的協(xié)同工作效應(yīng)也得到增強(qiáng)，進(jìn)一步提高了構(gòu)件的抗扭性能。通過對配箍率、軸壓比、含鋼率等參數(shù)的變化分析，清晰地揭示了它們對復(fù)合受扭型鋼混凝土柱受扭性能的影響規(guī)律。這些規(guī)律為復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)工程的具體要求和受力情況，合理調(diào)整這些參數(shù)，以達(dá)到優(yōu)化構(gòu)件設(shè)計(jì)、提高結(jié)構(gòu)性能的目的。五、復(fù)合受扭型鋼混凝土柱設(shè)計(jì)方法研究5.1設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)在復(fù)合受扭型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)中，變角空間桁架模型和斜彎理論是重要的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，它們從不同角度解釋了構(gòu)件在受扭狀態(tài)下的力學(xué)行為，為設(shè)計(jì)方法的建立提供了理論支撐。變角空間桁架模型是基于對鋼筋混凝土受扭構(gòu)件受力機(jī)理的深入研究而提出的。該模型將受扭構(gòu)件視為一個(gè)由縱筋、箍筋和斜裂縫間混凝土組成的空間桁架結(jié)構(gòu)。其中，縱筋作為受拉弦桿，箍筋作為受拉腹桿，斜裂縫間的混凝土則作為斜壓腹桿。在受扭過程中，各部分協(xié)同工作，共同抵抗扭矩。該模型的基本假定為：混凝土只承受壓力，縱筋與箍筋只承受拉力，且忽略中心部分混凝土的抗扭作用。根據(jù)這些假定，通過對空間桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，可以推導(dǎo)出構(gòu)件的受扭承載力計(jì)算公式。變角空間桁架模型的優(yōu)點(diǎn)在于其直觀地反映了受扭構(gòu)件的受力機(jī)制，能夠較好地解釋試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象，如構(gòu)件的破壞形態(tài)、鋼筋與混凝土的協(xié)同工作等。而且，該模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上具有較好的吻合度，為工程設(shè)計(jì)提供了較為可靠的依據(jù)。然而，該模型也存在一些局限性。它基于一些理想化的假定，如忽略了混凝土的抗拉強(qiáng)度和中心部分混凝土的抗扭作用，這在一定程度上與實(shí)際情況存在差異。在實(shí)際工程中，混凝土并非完全不承受拉力，中心部分混凝土也會對構(gòu)件的抗扭性能產(chǎn)生一定影響。此外，該模型在考慮復(fù)雜受力狀態(tài)下，如復(fù)合受扭與其他荷載共同作用時(shí)，其計(jì)算的準(zhǔn)確性和適用性可能會受到一定限制。斜彎理論，又稱扭曲破壞面極限平衡理論，最早由蘇聯(lián)學(xué)者在1959年提出。該理論認(rèn)為，在剪彎扭的復(fù)合應(yīng)力作用下，混凝土結(jié)構(gòu)會發(fā)生螺旋式破壞。通過對破壞面的分析，可以推斷出混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度最大承受范圍。根據(jù)鋼筋在破壞面上的變形程度，列出橫截面的等值方程，從而計(jì)算構(gòu)件的受扭承載力。斜彎理論考慮了彎剪扭比值對構(gòu)件受力性能的影響，認(rèn)為不同的彎剪扭比值會導(dǎo)致壓力承載區(qū)域的不同，這使得該理論在分析復(fù)合受力構(gòu)件時(shí)具有一定的優(yōu)勢。斜彎理論的優(yōu)勢在于它能夠綜合考慮彎、剪、扭三種荷載的相互作用，更符合實(shí)際工程中構(gòu)件的受力情況。在處理復(fù)雜受力狀態(tài)下的構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，斜彎理論能夠提供更全面的分析方法。但該理論也存在一些缺點(diǎn)。其計(jì)算過程相對復(fù)雜，需要對構(gòu)件的破壞面進(jìn)行詳細(xì)分析和計(jì)算，這增加了設(shè)計(jì)的難度和工作量。而且，斜彎理論的計(jì)算結(jié)果對一些參數(shù)的取值較為敏感，如鋼筋的屈服強(qiáng)度、混凝土的抗壓強(qiáng)度等，這些參數(shù)的不確定性可能會影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中，對于型鋼混凝土柱的受扭設(shè)計(jì)也給出了相應(yīng)的方法和計(jì)算公式。以我國《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ138-2016）為例，對于矩形截面型鋼混凝土純扭構(gòu)件，其受扭承載力計(jì)算公式在一定程度上參考了變角空間桁架模型的思想，同時(shí)結(jié)合了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正。在考慮復(fù)合受扭情況時(shí)，規(guī)范采用了相關(guān)系數(shù)法來考慮彎矩、剪力和扭矩的相互影響，通過對不同荷載組合下構(gòu)件受力性能的分析，給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。這些規(guī)范中的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算公式具有明確的工程應(yīng)用背景和實(shí)踐驗(yàn)證，能夠滿足一般工程設(shè)計(jì)的需求。它們考慮了材料的強(qiáng)度、構(gòu)件的幾何尺寸以及各種荷載組合等因素，為工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供了具體的操作依據(jù)。然而，規(guī)范中的方法往往是基于一定的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對于一些特殊情況或新型結(jié)構(gòu)形式，可能需要進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。5.2設(shè)計(jì)流程與要點(diǎn)復(fù)合受扭工況下型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程，需要綜合考慮多個(gè)方面的因素，以確保設(shè)計(jì)出的構(gòu)件能夠滿足結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性要求。其設(shè)計(jì)流程主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：5.2.1結(jié)構(gòu)選型與布置在進(jìn)行型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的整體布局、功能要求以及受力特點(diǎn)，合理選擇型鋼混凝土柱的類型和布置位置。對于承受較大扭矩的結(jié)構(gòu)部位，如高層建筑的角柱、大跨度空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵柱等，應(yīng)優(yōu)先考慮采用抗扭性能較好的型鋼混凝土柱，如十字形型鋼混凝土柱或圓形型鋼混凝土柱。在布置型鋼混凝土柱時(shí)，要確保其在平面和豎向的分布均勻，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過大的情況。同時(shí)，要考慮型鋼混凝土柱與周邊結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接方式和協(xié)同工作性能，保證結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。5.2.2截面尺寸確定根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力分析結(jié)果，初步確定型鋼混凝土柱的截面尺寸。在確定截面尺寸時(shí)，要綜合考慮構(gòu)件所承受的軸向壓力、彎矩、剪力和扭矩的大小，以及結(jié)構(gòu)的空間要求和經(jīng)濟(jì)性。一般來說，截面尺寸應(yīng)滿足承載力和變形的要求，同時(shí)要避免截面尺寸過大或過小。過大的截面尺寸會增加材料用量和結(jié)構(gòu)自重，不經(jīng)濟(jì)；過小的截面尺寸則可能導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力不足或變形過大。在設(shè)計(jì)過程中，可以參考相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，通過試算和調(diào)整，確定合理的截面尺寸。5.2.3配筋計(jì)算根據(jù)構(gòu)件所承受的荷載，運(yùn)用相關(guān)的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算公式，進(jìn)行縱筋和箍筋的配筋計(jì)算。在計(jì)算過程中，要充分考慮扭矩、彎矩、剪力和軸向壓力的共同作用，采用合適的計(jì)算模型和方法。對于復(fù)合受扭工況下的型鋼混凝土柱，可采用考慮彎剪扭相關(guān)性的計(jì)算方法，如相關(guān)規(guī)范中給出的計(jì)算公式，將扭矩、彎矩和剪力轉(zhuǎn)化為等效的扭矩或彎矩，然后進(jìn)行配筋計(jì)算。在配筋計(jì)算時(shí)，要注意控制配筋率。縱筋和箍筋的配筋率應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定的最小配筋率要求，以防止構(gòu)件出現(xiàn)少筋破壞。同時(shí)，也要避免配筋率過高，導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)超筋破壞或不經(jīng)濟(jì)。對于受扭縱筋，應(yīng)沿截面周邊均勻布置，在截面四角必須布置，縱筋間距不宜大于300mm；對于受扭箍筋，應(yīng)做成封閉型，箍筋末端應(yīng)彎折135°，彎折后的直線長度不應(yīng)小于5倍箍筋直徑，箍筋間距應(yīng)滿足受剪最大箍筋間距要求，且不大于截面短邊尺寸。5.2.4構(gòu)造設(shè)計(jì)構(gòu)造設(shè)計(jì)是確保型鋼混凝土柱性能的重要環(huán)節(jié)。在型鋼與混凝土之間，要設(shè)置可靠的連接措施，如栓釘、剪力鍵等，以增強(qiáng)二者之間的粘結(jié)力和協(xié)同工作性能。栓釘?shù)闹睆健㈤g距和長度應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的受力情況和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保能夠有效地傳遞剪力。同時(shí)，要保證混凝土對型鋼的包裹厚度，以防止型鋼銹蝕，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。對于縱筋和箍筋的錨固，要滿足規(guī)范規(guī)定的錨固長度要求?？v筋的錨固長度應(yīng)根據(jù)鋼筋的種類、直徑、混凝土強(qiáng)度等級以及構(gòu)件的受力狀態(tài)等因素確定，確?？v筋在受力過程中能夠可靠地錨固在混凝土中，發(fā)揮其承載能力。箍筋的錨固應(yīng)保證其在構(gòu)件受扭時(shí)能夠有效地約束混凝土，防止混凝土出現(xiàn)劈裂破壞。此外，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面，要考慮型鋼混凝土柱與梁、板等構(gòu)件的連接方式和傳力路徑。節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠可靠地傳遞荷載，保證結(jié)構(gòu)的整體性。例如，在梁柱節(jié)點(diǎn)處，可以采用焊接、螺栓連接或栓釘連接等方式，將型鋼與梁的鋼筋或型鋼進(jìn)行連接，同時(shí)要注意節(jié)點(diǎn)處的混凝土澆筑質(zhì)量，確保節(jié)點(diǎn)的密實(shí)性。在設(shè)計(jì)過程中，還要考慮施工的可行性和便利性。設(shè)計(jì)方案應(yīng)便于施工人員進(jìn)行施工操作，避免出現(xiàn)施工難度過大或施工質(zhì)量難以保證的情況。例如，在確定構(gòu)件的尺寸和形狀時(shí)，要考慮模板的制作和安裝難度；在選擇連接方式和構(gòu)造措施時(shí)，要考慮施工工藝和施工設(shè)備的要求。5.3設(shè)計(jì)實(shí)例分析以某實(shí)際高層建筑工程為例，該建筑為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，地下3層，地上30層，建筑高度為100m。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，部分框架柱采用復(fù)合受扭型鋼混凝土柱，以滿足結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力狀態(tài)下的承載能力和變形要求。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的受力分析，選取其中一根典型的復(fù)合受扭型鋼混凝土柱進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。該柱位于建筑的角部，承受的軸向壓力設(shè)計(jì)值為10000kN，彎矩設(shè)計(jì)值為1500kN?m，剪力設(shè)計(jì)值為300kN，扭矩設(shè)計(jì)值為200kN?m。按照前文所述的設(shè)計(jì)方法，首先確定該柱的截面尺寸?？紤]到建筑空間要求和結(jié)構(gòu)受力情況，初步擬定柱截面尺寸為600mm×600mm。選用Q345B型鋼，截面形式為十字型鋼，其翼緣寬度為200mm，翼緣厚度為12mm，腹板厚度為10mm?；炷翉?qiáng)度等級為C40，縱向鋼筋采用HRB400級鋼筋，箍筋采用HPB300級鋼筋。進(jìn)行配筋計(jì)算時(shí)，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和計(jì)算公式，考慮扭矩、彎矩、剪力和軸向壓力的共同作用。首先，計(jì)算構(gòu)件的剪扭比，判斷是否需要考慮剪力和扭矩的相關(guān)性。經(jīng)計(jì)算，該柱的剪扭比滿足規(guī)范要求，可采用簡化的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配筋計(jì)算。對于受扭縱筋，根據(jù)受扭承載力計(jì)算公式，計(jì)算出所需的縱筋面積。將計(jì)算結(jié)果與規(guī)范規(guī)定的最小配筋率進(jìn)行比較，確保縱筋配置滿足要求。最終確定受扭縱筋的直徑為20mm，沿截面周邊均勻布置，共配置8根。對于受扭箍筋，同樣根據(jù)受扭承載力計(jì)算公式，計(jì)算出所需的箍筋面積和間距?？紤]到箍筋的構(gòu)造要求，最終確定箍筋直徑為10mm，間距為100mm，采用封閉式箍筋形式。在構(gòu)造設(shè)計(jì)方面，為增強(qiáng)型鋼與混凝土之間的粘結(jié)力，在型鋼表面設(shè)置栓釘，栓釘直徑為16mm，間距為200mm。同時(shí)，保證混凝土對型鋼的包裹厚度不小于50mm，以提高結(jié)構(gòu)的耐久性?？v筋的錨固長度根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保縱筋在受力過程中能夠可靠地錨固在混凝土中。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，采用焊接和栓釘連接相結(jié)合的方式，將型鋼與梁的鋼筋進(jìn)行連接，確保節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度。通過對該設(shè)計(jì)實(shí)例的計(jì)算分析，結(jié)果表明采用本文提出的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行復(fù)合受扭型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)是合理可行的。構(gòu)件的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，具有足夠的承載能力和變形能力。在實(shí)際工程應(yīng)用中，還需考慮施工過程中的各種因素，確保設(shè)計(jì)方案的順利實(shí)施。同時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，如進(jìn)一步調(diào)整配筋率、優(yōu)化型鋼截面形式等，以提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。六、工程應(yīng)用與案例分析6.1實(shí)際工程應(yīng)用情況型鋼混凝土柱憑借其卓越的力學(xué)性能，在國內(nèi)外眾多標(biāo)志性建筑中得到了廣泛應(yīng)用，為建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性提供了堅(jiān)實(shí)保障。在國內(nèi)，上海中心大廈作為中國的標(biāo)志性超高層建筑，高度達(dá)到632米，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大量采用了型鋼混凝土柱。在該建筑中，部分型鋼混凝土柱處于復(fù)合受扭工況。由于建筑體型巨大且造型獨(dú)特，在風(fēng)力和地震力作用下，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得這些柱體承受著軸向壓力、彎矩、剪力以及扭矩的共同作用。在設(shè)計(jì)過程中，工程師們充分考慮了構(gòu)件的復(fù)合受扭性能。通過精確的結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析，合理確定了型鋼的類型、截面尺寸以及混凝土的強(qiáng)度等級。選用了高強(qiáng)度的Q345B型鋼，并根據(jù)不同樓層的受力情況，對型鋼的截面尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，采用了高性能的C60混凝土，以提高構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度和耐久性。在配筋方面，嚴(yán)格按照規(guī)范要求，配置了足夠數(shù)量的縱向鋼筋和箍筋，以增強(qiáng)構(gòu)件的抗扭和抗彎能力。在施工過程中，也面臨著諸多挑戰(zhàn)。由于型鋼混凝土柱的截面尺寸較大，型鋼的安裝和定位精度要求極高。為了解決這一問題，施工團(tuán)隊(duì)采用了先進(jìn)的測量技術(shù)和定位設(shè)備，確保型鋼的安裝位置準(zhǔn)確無誤。在混凝土澆筑過程中，為了保證混凝土能夠充分填充型鋼與模板之間的空隙，采用了特殊的澆筑工藝和振搗方法，確?；炷恋拿軐?shí)性。廣州東塔（周大福金融中心）高度為530米，同樣在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用了型鋼混凝土柱。在復(fù)合受扭工況下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過建立詳細(xì)的有限元模型，對結(jié)構(gòu)在不同荷載組合下的受力情況進(jìn)行了模擬分析，準(zhǔn)確掌握了構(gòu)件的應(yīng)力分布和變形規(guī)律。根據(jù)模擬結(jié)果，對構(gòu)件的截面尺寸和配筋進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了構(gòu)件的抗扭性能和承載能力。在施工過程中，針對型鋼與鋼筋的連接問題，采用了先進(jìn)的焊接和機(jī)械連接技術(shù)，確保了連接的可靠性。同時(shí)，加強(qiáng)了對施工過程的質(zhì)量控制，對每一根型鋼混凝土柱的施工過程進(jìn)行全程監(jiān)控，確保施工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。在國外，美國紐約的新世貿(mào)中心一號樓，在其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系中，型鋼混凝土柱承擔(dān)著重要的受力作用。部分柱體在風(fēng)荷載和地震荷載作用下處于復(fù)合受扭狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員通過大量的試驗(yàn)研究和理論分析，制定了科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案。在材料選擇上，選用了符合美國標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)度鋼材和高性能混凝土。在施工過程中，嚴(yán)格遵循美國的施工規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，采用先進(jìn)的施工工藝和設(shè)備，確保了工程的順利進(jìn)行。阿聯(lián)酋迪拜的哈利法塔，作為世界上最高的建筑，高度達(dá)828米，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也運(yùn)用了型鋼混凝土柱。在復(fù)合受扭工況下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)綜合考慮了多種因素，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件設(shè)計(jì)，提高了結(jié)構(gòu)的整體抗扭性能。在施工過程中，克服了高溫、高空等惡劣施工環(huán)境帶來的困難，采用了先進(jìn)的施工技術(shù)和管理模式，保證了工程的質(zhì)量和進(jìn)度。這些實(shí)際工程案例表明，在復(fù)合受扭工況下，型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)和施工需要綜合考慮多種因素，通過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)的施工技術(shù)，能夠充分發(fā)揮型鋼混凝土柱的優(yōu)勢，滿足現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)對安全性、穩(wěn)定性和功能性的要求。6.2工程案例分析以某超高層建筑為例，該建筑為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，地上50層，地下4層，建筑高度達(dá)180m。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在多個(gè)關(guān)鍵部位采用了復(fù)合受扭型鋼混凝土柱，以滿足結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力狀態(tài)下的承載能力和穩(wěn)定性要求。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，該建筑平面形狀不規(guī)則，存在多處凹凸變化，導(dǎo)致在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。同時(shí)，由于建筑功能的需要，部分樓層的柱網(wǎng)布置不均勻，使得部分柱體承受的荷載分布復(fù)雜，復(fù)合受扭情況較為突出。在受力情況方面，通過結(jié)構(gòu)分析軟件對該建筑在風(fēng)荷載和地震作用下的受力進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，在風(fēng)荷載作用下，建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面的柱體所受風(fēng)力不同，產(chǎn)生的扭矩使部分柱體處于復(fù)合受扭狀態(tài)。在地震作用下，由于結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，角柱和部分邊柱不僅承受較大的軸向壓力和彎矩，還承受著顯著的扭矩。例如，位于建筑角部的一根復(fù)合受扭型鋼混凝土柱，在多遇地震作用下，軸向壓力設(shè)計(jì)值達(dá)到8000kN，彎矩設(shè)計(jì)值為1200kN?m，扭矩設(shè)計(jì)值為180kN?m；在罕遇地震作用下，各項(xiàng)荷載值均有大幅增加，軸向壓力設(shè)計(jì)值增至12000kN，彎矩設(shè)計(jì)值達(dá)到2000kN?m，扭矩設(shè)計(jì)值達(dá)到300kN?m。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，在施工過程中對部分復(fù)合受扭型鋼混凝土柱進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測。在柱體表面布置了應(yīng)變片和位移計(jì)，監(jiān)測柱體在施工過程中的應(yīng)力和變形情況。同時(shí)，在建筑投入使用后，通過結(jié)構(gòu)健