随着城市更新的推进，在老建筑的淘汰与拆除的同时也伴随着大量的建筑垃圾产生，对城市的生态环境造成了巨大的污染^[1]，基于上述背景，许学者也开始从事废旧混凝土再生技术的研究，但由于再生骨料性能上劣于普通骨料^[2]，急需一种新结构形式改善再生混凝土固有缺陷，钢管再生混凝土通过外部钢管对内部核心混凝土的约束效应，增强再生混凝土构件的力学性能^[3]，但随着不同类型的钢管混凝土柱技术的发展，异形截面钢管混凝土柱由受到混凝土向外挤压的作用，导致钢管壁对内部混凝土的约束大降低，导致材料性能不能充分发挥。针对这种缺陷，有些学者提出了一种新的结构形式－带约束拉杆的异形截面钢管混凝土柱，通过约束拉杆提升构件整体的力学性能^[4]。

本文利用有限元分析软件分别建立3组试件，研究再生混凝土、钢管壁厚、拉杆等对构件力学性能的影响，旨在探讨再生混凝土柱在钢管柱中应用的可行性及钢管壁厚、拉杆等试件对混凝土及再生混凝土钢管柱力学性能的影响。

1 、ABAQUS 简介

ABAQUS软件可以模拟众多工程建材的性能，如岩石、金属、钢材、混凝土等^[5]。一个完整的ABAQUS运行过程通常包含三个步骤，分别为前处理、模拟计算以及后处理，各个步骤分别由软件中相对应的模块完成。

2、有限元模型的建立

2.1创建部件并选取单元类型

本文需要创建的构件有十字形截面钢管、十字形再生混凝土柱、十字形混凝土柱、盖板、约束拉杆。完成各个部件的创建后，定义各个构件的材料参数，为确保盖板顺利传递荷载，需保证盖板受到力的作用后，形状和大小基本不变，将盖板认为是一种弹性模量较大的理想刚体模型。

其中：T0表示内填再生骨料取代率为0%；T100表示内填再生骨料取代率为100%；H3表示钢管壁厚为3mm；L8代表拉杆直径为8mm；J100代表约束拉杆的竖向间距为100mm。

3十字形混凝土钢管柱屈曲分析

3.1钢管混凝土柱外包钢管作用原理

参照对矩形截面钢管混凝土柱的钢管壁局部屈曲性能的研究结论，首先假定管内填充的混凝土材料刚性足够大，在受力过程中保持形状不发生任何变化，由于内部混凝土在受力过程中形状不变，那么钢管壁的变形方向就不可能向内，其变形方向只可能向外，又由于单块板件长度与宽度的比值较大，所以钢管壁会发生横向的形变，表现为向外部扩展中间变形最大，同时钢管壁会发生纵向变形，表现为周期性的向外突出半个波形。

根据上述结论，对钢管壁力学模型的建立可以参照图3-1，当钢管壁的应力达到自身材料的屈曲应力时，钢管壁向外变形出现局部屈曲。并且可以根据的表达式^[6]得到填充有混凝土的钢管屈曲系数为k=10.67^[6]。而空钢管的曲系数一般仅为4.0，填充了混凝土的钢管屈曲系数与空钢管的屈曲系数相比增大了大约2.7倍，k值的提升效果显著。综上所述，将混凝土与钢管结合形成的钢管混凝土结构，该结构有效的提升了钢管壁的屈曲系数，降低了钢管壁发生局部屈曲的概率。

3.3约束拉杆的工作机理

图3-2(a)、(b)分别给出了直径为6mm时跨中处约束拉杆应力云图、柱头处约束拉杆应力云图。从图(a)、（b）中可以看出，柱中位置拉杆的应力比柱两端拉杆的应力大，说明在各个构件协同受力时，相比于两端区域的拉杆柱中区域拉杆的力学性能得到了更充分的应用。

3.4钢管壁厚度对试件轴压力学性能的影响

图3-3为外包钢管壁厚度分别为3mm、4mm、5mm时各试件的荷载变形曲线。

通过对图3-3的分析可以得到以下结论：

1、对比图3-3（a）、3-3（b）普通混凝土钢管柱不管是极限荷载还是延性都略优于再生混凝土钢管柱，对比极限荷载差异不大约为5%以内；

2、对比图3-3中的曲线发现在不同钢管厚度时，在没有到达峰值前，各个对照组试件的荷载－变形曲线基本重合，随着钢管壁厚增大试件承载力都有所提升，且提升幅度不同；

3.7约束拉杆对试件轴压力学性能的影响

图3-5为外包钢管壁厚度分别为4mm时，不同类型的钢管柱荷载变形曲线。

通过对图3-4的分析可以得到以下结论：

1、对比图3-4中的曲线可以发现在钢管厚度一样时，在没有到达峰值前，试件T0H4的荷载－变形曲线与试件T100H4的曲线基本重合，说明二者初始刚度大致相同，二者弹性段长度基本相同，当两试件到达峰值荷载后，试件T0H4的荷载－变形曲线下降幅度较大，说明该试件变形能力相对较弱，但到后期试件T100H4的强度也有较大幅度的下降；

2、对比图3-4中的曲线还可以发现设置了拉杆的试件T100H4L8J100与另外两个试件相比，峰值荷载明显增大，弹性段有明显增加，峰值荷载所对应的位移明显变大，且后期强度降幅明显较小说明试件有较好的变形能力。

4、结论：

1）通过对比模拟结果，发现随着钢管壁厚的增大，不管是普通的混凝土钢管柱、还是再生混凝土钢管柱承载力都有所提升，且提升幅度不同，厚度从3mm提升到4mm时承载力平均提升了14.0%，厚度从4mm提升到5mm时承载力平均提升了6.0%；

2）通过对比计算结果，发现同等条件下再生混凝土试件的承载力低于普通混凝土试件的承载力，但是差异约在5%以内；

3）通过分析带约束拉杆试件的模拟结果可知，增加钢管柱的壁厚、缩短拉杆竖直方向间距、增加拉杆直径，在一定程度上可以提升再生混凝土钢管柱的承载力。且提升幅度不同，对钢管壁厚度为4mm的普通混凝土承载力平均提升了8.3%，钢管壁厚度为4mm的再生混凝土承载力平均提升了12.1%；

[1] 马嵘. 论再生混凝土在生态建筑中的意义[J]. 混凝土, 2003(10):21-23.

[2] 再生骨料对再生混凝土的强度影响研究[J]. 冯陆军.  居舍. 2018(36)

[3] 圆或方钢管再生混凝土构件高温损伤对比分析[J]. 陈宗平,梁厚燃,王汉鹏.  工业建筑. 2019(03)

[4] 带约束拉杆十形截面钢管内核心混凝土的等效单轴本构关系[J]. 左志亮,蔡健,林焕彬,钱泉,段伟宁.  工程力学. 2012(02)

[5] 李权.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京:人民邮电出版社, 2005.

[6] 何保康, 杨晓冰, 周天华. 矩形钢管混凝土轴压柱局部屈曲性能的解析分析[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2002, 34(3):210-213.