矩形钢管混凝土中长柱轴压性能研究.pdf

第 卷 第 期 年 月 郑 州 航 空 工 业 管 理 学 院 学 报 .:./.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()河南省科技攻关项目(、)郑州航空工业管理学院研究生教育改革研究与实践项目()河南省高等学校重点科研项目()郑州航空工业管理学院研究生优质课程项目()郑州航空工业管理学院大学生创新创业训练计划()作者简介:张 涛男博士讲师研究方向为钢结构及组合结构、工程结构抗震史 科男博士副教授研究方向为高层混凝土结构抗震矩形钢管混凝土中长柱轴压性能研究张 涛张 拓薛 茹史 科刘崇旺赵雯桐刘 正(.郑州航空工业管理学院 土木建筑学院 河南 郑州.中海石油化学股份有限公司 海南 东方.郑州航空港区建港实业有限公司 河南 郑州)摘 要:为研究矩形钢管混凝土中长柱的轴压性能基于合理的混凝土和钢材本构模型采用有限元软件 建立三维实体精细化足尺中长柱有限元模型该模型考虑钢管与混凝土之间相互作用、初始缺陷 试验结果验证了该方法的准确性 在此基础上全面分析了中长柱加载过程的变形规律详细考察了中长柱破坏模式进而揭示了矩形钢管与核心混凝土之间的相互作用 最后探讨了混凝土强度、钢材屈服强度、截面含钢率、截面长宽比以及长细比对矩形钢管混凝土轴压中长柱稳定系数的影响 研究表明:长细比对矩形钢管混凝土中长柱稳定性影响较大其次是截面含钢率而混凝土强度、钢材屈服强度和截面长宽比的影响非常小可忽略不计关键词:矩形钢管混凝土中长柱稳定系数相互作用有限元分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()引 言矩形钢管混凝土能有效结合钢材和混凝土材料两者 的 优 点 同 时 避 免 两 者 的 缺 点 最 终 形 成“”的效果因此具有力学性能卓越、抗火性能好、施工便捷、节点构造简单等优势 而随着大跨空间结构以及超高层建筑的迅猛发展工程结构的形式愈加复杂并对结构的力学性能提出了更高的要求 作为一种新型组合结构钢管混凝土能满足建筑承载力更高、刚度更大的要求目前已被广泛地用于桥墩、桁架、柱子等工程实际中 然而如何在满足使用功能的前提下解决矩形钢管混凝土中长柱的稳定性问题成为众多工程面临的难题和追逐的热点目前国内外众多专家和学者始终积极努力通过试验研究、理论分析及数值模拟等 方法研究和探索钢管混凝土的力学性能包括短柱和长柱并推广钢管混凝土在工程中的应用 刘大林教授开展了 根方矩形钢管混凝土偏压试验研究表明采用欧规 计算承载力略大于试验结果约为 等开展了一系列冷弯高强度不锈钢管混凝土柱的试验研究分析了混凝土强度、宽厚比等重要参数并且为钢管混凝土的设计提出了建议 等基于试验考察了局部屈曲对钢管混凝土压弯性能的影响 丁发兴等通过对方钢管混凝土轴压短柱试件试验研究提出了一种新的轴压短柱承载力计算方法该方法能准确计算轴压短柱承载力但是目前对长细比较大的矩形钢管混凝土柱的轴压性能研究较少且长细比变化范围较大其变化规律和破坏模式有待研究 因此有必要对矩形钢管混凝土中长柱开展系统研究探讨混凝土强度、钢材 第 期张 涛张 拓薛 茹等:矩形钢管混凝土中长柱轴压性能研究屈服强度、截面含钢率等重要参数对中长柱轴压性能的影响 有限元分析本文采用有限元软件 对矩形钢管混凝土中长柱的稳定性展开研究 由于矩形钢管角部和中部对核心混凝土的约束作用不一致使得两者之间受力较为复杂因此在进行数值模拟时需考虑矩形钢管和核心混凝土之间的相互作用 而如何准确模拟矩形钢管混凝土中长柱中核心混凝土所承受的约束作用力是确定其本构模型的关键.材料本构模型静力荷载作用下矩形钢管、加载板等采用丁发兴教授等提出的钢材混合强化模型以反映钢材的屈服面及包辛格效应钢材的应力 应变关系如下:()()式()中:为钢材的等效应力和 分别为钢材的屈服强度和极限强度.为钢材的等效应变为钢材屈服时的应变为钢材强化时的应变为钢材达极限强度时的应变取 /钢材弹性模量.弹性阶段泊松比为.表 软件中混凝土的基本参数弹性模量泊松比膨胀角流动偏角双轴等压混凝土强度与单轴强度的比值拉、压子午线上第二应力不变量的比值黏性系数/./.表 软件中混凝土的骨架曲线参数取值参数受压取值 /为应力为轴心抗压强度./为应变为受压峰值应变/./.().受拉取值 /为轴心抗拉强度./为 受拉峰 值 应 变/.核心混凝土采用塑性 损伤本构模型其参数设置如表 所示 骨架曲线采用丁发兴等提出的应力 应变关系统一计算式()适用范围为 即:()()()()式()中的参数如表 所示损伤变量采用 等提出的基于弹性模量损伤的计算值.单元类型和相互作用轴压作用下矩形钢管混凝土中长柱有限元模型包括三部分:矩形钢管、核心混凝土和加载板 首先为提高计算精度和便于收敛矩形钢管、核心混凝土和上下加载板均采用 节点减缩积分格式的三维实体单元()其次允许钢管和混凝土之间有微小的有限滑移相互作用采用“表面对表面”摩擦型接触其法线方向定义为“硬接触”切向方向选取库伦摩擦定义为“罚”摩擦系数为.加载板(主面)与柱顶(从面)采用绑定()的约束形式无相对滑移其中加载板设置为刚性板中长柱采用位移加载的加载模式柱底部限制、三方向的位移同时未限制三方向的转动柱顶部约束、两方向的位移在柱顶 方向进行位移加载 中长柱的初始缺陷对构件的力学性能有显著影响取/的初始偏心距并综合考虑初始缺陷的影响 最后采用结构化网格划分技术对有限元模型进行划分如图 所示图 模型网格划分郑 州 航 空 工 业 管 理 学 院 学 报第 卷.试验验证为了验证有限元件建模方法的准确性和有效性本文选取参考文献中的 根矩形钢管混凝土中长柱试验结果与有限元计算结果进行对比对比结果如图 所示 由图 可以明显看出试验曲线与数值模拟曲线整体吻合较好尤其是弹性段和弹塑性段且两者之间轴压极限承载力最大差值为.试验结果与有限元结果的平均值为.离散系数为.综上可知本文采用建模方法、本构关系等是有效和合理的()()()()图 力 位移曲线试验结果 与有限元结果比较 分析结果结合实际工程采用足尺有限元模型进行分析其中钢材强度分别为、和 混凝土强度分别为 截面含钢率()分别为.、.和.长细比()分别为、和 参数匹配原则见表 其中 为矩形中长柱截面宽度 为矩形中长柱截面长度 为钢管厚度加载模式为强轴加载和弱轴加载其截面惯性矩大为强轴反之为弱轴表 模型参数匹配表()()().第 期张 涛张 拓薛 茹等:矩形钢管混凝土中长柱轴压性能研究续表 模型参数匹配表()()().荷载 挠度/顶部位移全曲线分析为了深入考察矩形钢管混凝土中长柱稳定性的工作机理对轴压中长柱的荷载()跨中挠度()关系曲线和荷载()平均纵向位移(D)关系曲线分段分析如图 和图 所示 可以看出中长柱共经历了 个阶段:弹性段()、弹塑性段(段)和破坏段(段)其中 点是钢管进入弹塑性阶段的起点 点代表构件达到极限承载力图 荷载 跨中挠度关系曲线图 荷载 顶部位移关系曲线弹性段():加载初期试件处于弹性阶段荷载 跨中挠度/顶部位移呈线性变化 此时荷载急剧增加而位移变化较小且试件整个截面都处于受压状态 点处为钢管最大纤维压应力达到比例极限此时偏心一侧钢管屈服弹塑性段():随着荷载的增加当大约为极限荷载时试件开始进入弹塑性阶段荷载 挠度/顶部位移曲线呈非线性增长 此时随着荷载的增加试件变形加快侧向挠度不断发展附加弯矩和轴向压力的联合作用使钢管混凝土从轴心受压逐渐变成偏心受压试件的刚度开始减小并小于弹性阶段的刚度 此时试件全截面处于受压状态 当到达 点时达到极限承载力此时试件的侧向挠度依旧很小破坏段():荷载达到峰值(点)后构件达到极限承载力此时荷载并不再增加反而减小此后试件侧向挠度变形加速截面出现一侧受拉一侧受压的情况 偏离加载一侧的混凝土开始由受压状态转化成受拉状态由于混凝土的抗拉强度较低不久便被拉断 当达到 点时偏离加载一侧的钢管受拉屈服 试件变形开始加速最后侧向挠度过大而丧失承载力试件破坏.破坏模式图 为矩形钢管混凝土中长柱的破坏形态整体破坏形式均为向外折叠破坏受压区钢管局部屈曲 矩形钢管混凝土中长柱在各级荷载作用下沿柱长方向各点的挠度变形趋势如图 所示构件会形成半波正弦曲线形状的挠度曲线 钢管混凝土试件中部曲率最大截面的应变也最大 可以看出试件的变形特征是沿中截面对称和相同的说明有限元的模拟是正确的 同时可以看出加载方式(强轴和弱轴)对中长柱变形没有影响()强轴加载郑 州 航 空 工 业 管 理 学 院 学 报第 卷()弱轴加载图 有限元破坏形态()强轴加载()弱轴加载图 挠度沿构件长度方向的分布图 为各级荷载作用下矩形钢管混凝土中长柱跨中钢管截面纵向应变随截面高度的变化图 可以看出开始加载时在弹性阶段()和弹塑性阶段()整个试件都处于全截面受压状态钢管两侧的应变差异不大随着荷载的增长和侧向变形的发展两侧的应变差异变大直至达到极限荷载 当达到极限承载力以后偏心压力产生的附加弯矩使试件出现一侧受拉一侧受压的状态也就是跨中截面偏离加载点一侧试件由受压转换成受拉状态混凝土受拉开裂钢管逐渐受拉屈服受拉区不断扩大()强轴加载()弱轴加载图 跨中钢管截面应变分布图.钢管和混凝土之间的相互作用横向变形系数(泊松比)是一个重要的评估钢管对混凝土约束作用的系数其定义为钢管的横向应变与纵向应变的比值 横向变形系数越大约束作用越强图 为有限计算所得强轴和弱轴下足尺模型荷载()与跨中截面钢管表面受压区和受拉区横向变形系数()关系曲线 可以看到在加载初期整个截面都处于弹性受压状态因此 点和 点处的钢管表面的横向变相系数在钢管屈服前基本保持不变等于钢材的泊松比 当钢材屈服后 点横向变形系数逐渐增大并大于.说明钢管对核心混凝土产生了约束套箍作用 图 为当达到极限承载力时受到约束作用的混凝土约束范围其受约束混凝土最大强度达到了.(强轴加载)和.(弱轴加载)而在 点当构件达到极限承载力后 第 期张 涛张 拓薛 茹等:矩形钢管混凝土中长柱轴压性能研究 点处的钢管逐渐由受压状态向受拉状态转变而横向变形系数在逐渐减小说明钢管对核心混凝土的约束套箍作用在减小()强轴加载()弱轴加载图 荷载与钢管表面横向变形系数关系曲线()强轴加载()弱轴加载图 受到约束套箍作用的核心混凝土区域.参数分析由有限元计算得到的不同长细比矩形钢管混凝土轴压中长柱的轴压极限承载力与轴压短柱极限承载力的比值定义为稳定性系数用 表示 不同混凝土强度等级、钢材屈服强度、截面含钢率、截面长宽比情况下矩形钢管混凝土轴压中长柱稳定性系数 与长细比 曲线对比如图 所示()混凝土强度等级的影响()钢材屈服强度等级的影响郑 州 航 空 工 业 管 理 学 院 学 报第 卷()含钢率的影响()截面长宽比的影响图 不同参数对 曲线的影响()混凝土强度:钢材屈服强度、截面含钢率、长细比、截面长宽比等参数保持不变混凝土强度对矩形钢管混凝土中长柱 曲线的影响如图()所示 可以看到随着混凝土强度的提高 曲线下降趋势没有变化说明混凝土强度对 曲线影响非常小()钢材屈服强度:混凝土强度、长细比、截面含钢率、截面长宽比等参数保持不变钢材屈服强度对矩形钢管混凝土轴压中长柱 曲线的影响如图()所示 钢材屈服强度增大但 曲线并没有发生任何变化说明钢材屈服强度对 曲线没有影响()截面含钢率:混凝土强度等级、钢材屈服强度、截面长宽比、长细比等参数保持一致截面含钢率对矩形钢管混凝土轴压中长柱 曲线的影响如图()所示 可以发现随着含钢率的提高 曲线下降趋势逐渐变缓其影响程度较小()截面长宽比:混凝土强度等级、钢材屈服强度、截面含钢率、长细比等参数保持一致截面含钢率对矩形钢管混凝土轴压中长柱 曲线的影响如图()所示 可以发现随着截面长宽比的提高 曲线几何重合且下降趋势几乎无变化()长细比:随着混凝土强度等级、钢材屈服强度和含钢率等参数变化矩形钢管混凝土轴压中长柱的稳定性系数均随着长细比的增大而快速降低综上分析长细比是影响矩形钢管混凝土中长柱稳定性最主要的因素而混凝土强度、钢材屈服强度和截面含钢率的影响非常小可以忽略不计 结果分析()采用有限元软件 建立矩形钢管混凝土中长柱有限元模型该模型合理地考虑了矩形钢管对核心混凝土的约束作用、核心混凝土和钢管之间的黏结滑移以及初始缺陷 基于以往试验结果验证了有限元模型的准确性和可靠性进而可以开展进一步研究()荷载 位移曲线表明中长柱共经历了三个阶段:弹性段、弹塑性段和破坏段 中长柱破坏形态为其整体破坏形式均为向外折叠破坏受压区钢管局部屈曲进而在跨中区域形成塑性铰 加载方向对中长柱的破坏模式没有影响 在矩形钢管受拉区域钢管对核心混凝土约束作用较弱可忽略不计而在受压区钢管对核心混凝土产生明显的约束作用()参数分析表明长细比对矩形钢管混凝土轴压中长柱稳定性和极限承载力影响较大其次为截面含钢率而混凝土强度、钢材屈服强度和截面长宽比对 曲线影响非常小参考文献:.().():.():.王志滨张万安池思源等.复式薄壁方钢管混凝土构件受弯性能研究.建筑结构学报():.屠永清刘林林叶英华.多室式钢管混凝土 形中长柱轴压性能研究.土木工程学报():.():.方小丹林斯嘉.复式钢管高强混凝土柱轴压试验研究.建筑结构学报():.韩林海.钢管混凝土结构:理论与实践(第 版).北京:科学出版社.第 期张 涛张 拓薛 茹等:矩形钢管混凝土中长柱轴压性能研究 .:.刘大林.美国、欧盟及中国钢结构设计规范中柱子曲线的对比.建筑钢结构进展():.():.():.丁发兴付磊龚永智等.方钢管混凝土轴压短柱的力学性能研究.深圳大学学报():.丁发兴朱江罗靓等.钢混凝土组合空间框架拟动力有限元分析.建筑结构学报():.王志滨高扬虹池思源等.复式薄壁方钢管混凝土长柱轴压稳定性能研究.建筑结构学报():.杜颜胜高鼎辉陈志华等.约束矩形高强钢管混凝土长柱轴压性能有限元分析.天津大学学报(自然科学与工程技术版)():.责任编校:田 旭刘 燕 (.):()().:()