空腹箱形钢骨混凝土构件的抗扭性能研究.pdf

2 0 1 3年 第 1 O 卷 第 1期 深 圳土 木与建筑 V O L 1 O N O 1 2 0 1 3 空腹箱形钢骨混凝土构件 的抗扭性能研究 陈宜言 尧 国皇 ( 深圳市市政设计研究院有限公司) 【 摘要l ：基于合理 的材料本构关系模型 ，利用 A B AQU S软件对空腹箱形钢骨混凝土构件在扭转荷载作用 下的荷载一 变形关系曲线进行 了计算，计算曲线与实验曲线进行 了比较，基本吻合。在 此基础 上，对 空腹箱 形钢骨混凝土纯扭构件的工作性能进行 了分析可知 ，这类构件具有较好 的延性性能。本文的研 究成果可 为 相 关研 究提供参考。 I 关键词l ：空腹箱形钢骨混凝土；纯扭 ；荷载一 变形关系；有限元法 1前 言 钢骨混凝土构件具有承载力高、延性好、刚度 大 、抗火性能好等诸多优点，在实际工程应用较为 广 阔。目前对于常规的工字型和十字型钢骨混凝土 的研究报道已经比较多见，相应的计算理论也 日趋 完善 ，但对于采用空腹箱形钢骨混凝土 ( 典型截 面如 图 1 所示 )的研究 尚少见报道。与普通 的钢骨 混凝土梁相比，空腹箱形钢骨混凝土能够获得更高 的强度和重量 比，当用作逆作法水平支撑构件时， 在混凝土未浇注之前，空腹钢箱具有 比普通钢骨更 大 的平面外刚度， 施工时减少支撑， 加快施工速度， 且钢箱 内部中空 ，有利于管道和线路预埋 。同时空 腹箱形钢骨混凝土具有截面开展 、抗弯刚度大、自 重轻 和防火性能好等特 点，也适用作海洋平 台支 架柱和桥墩 ，因此这类构件具有很好的工程应用前 景 。 以往 ，文献 2 进行 了空腹箱形钢骨混凝土梁的 试验研究，研究结果表 明，这类构件具有较好 的承 载能力和延性 。文献 3 进行了 5个空腹箱形钢骨 混凝土纯扭构件滞回性 能的实验研究，实验考虑的 主要参数为截面尺寸和钢管外混凝土厚度，研究了 这类构件耗能能力和刚度退化规律 。但这类构件抗 扭性能的理论分析少见报道，研究其抗扭性能有助 于对这类构件在压、弯 、扭复合受力状态下工作性 能的了解 。 文献 2 的研究成果为本文研究提供 了珍贵的 实验数据，本文利用 A B A Q U S软件对空腹箱形钢骨 混凝土构件在受扭矩作用下的荷载一 变形关系 曲进 行计算，计算结果与实验结果基本吻合，在此基础 上，对空腹箱形钢骨混凝土的纯扭构件工作性能进 行了分析。本文研究方法和结论为为相关研究提供 参考 。 2有限元计算模型 钢管和钢筋采用 A B A O U S软件4 中提供等 向弹 塑性模型，满足 V o n M i s e s屈服准则，这种模型多 陈宜言，深圳市政府特殊津贴专家、教授级高级工程师 E - m ai 1 ： c h e n y y s z m e d i t o m a n 形钢骨 钢筋混凝土 图 1空腹箱形钢骨混凝土典型截面 用于模拟金属材料 的弹塑性性能 。钢材采用理想 弹塑性模型，弹性模量取 2 0 6 x 1 0 MP a ，泊松 比取 0 3 混凝土采用 A B A QU S软件中的塑性损伤模型【 4 】 J ， 弹性模量按现行 混凝土结构设计规范取值 ，弹 性阶段泊松 比取 0 2 。混凝土 的单轴受压模型采用 A t t a r d( 1 9 9 6 )【 5 】 提出的模型，该模型经过了大量的 实验验证 ，且形式较为简单、适用范围广等优点 。 A t t a r d( 1 9 9 6 )提 出的混凝土模型的数学表达式如 下 ： y ： 些 ： ( i ) I +CX +DX 式 中，Y= L，X = G c 。 ， 和 。 分别 为混凝土圆柱体抗压强度和峰值应变。 ：兰 ： 三 鱼 ( 2 ) 一争 C = A一2： D =B +1 当 时， f iic ( O ic -O c o ) 2； =。； C=A一2： D =1 上式 中， 为混凝土弹性模量 ， 和嗣 为曲线下降 段的反弯点对应的应力和应变值 ，按下式确定： =1 4 1 0 1 7 1 n ( ) ( 3 ) 占 i。 。 。 =2 5 一 O 3 1n ( ) ( 4 ) 45 2 0 1 3 年 第 1 O卷 第 1 期 深圳土木与建筑 V O L 1 O N O 1 2 0 1 3 表 l空腹箱形钢骨混凝土试件表 箱形钢骨截面 试件截面 钢骨屈服强度 试件 ( MP a ) 试件长度 L 承载力 T 。 承载力 T 。 。 b x h x t ( mm) Dx B ( mm) ( mm) ( t m) ( t m) T 1 5 1 5 0 x l 5 O x 6 45 0 x 4 5 0 2 9 4 1 6 2 0 1 3 2 5 1 4 g T 1 1 1 5 0 x 1 5 0 x 6 3 7 0 x 3 7 0 2 9 4 1 6 2 0 9 1 2 1 0 05 T_ O7 1 5 0 x 1 5 0 x 6 2 9 0 x 2 9 0 2 9 4 1 6 2 0 6 9 4 6 6 8 B 1 5 2 00 x 1 5 0 x 6 3 7 0 x 4 2 0 2 9 4 1 6 2 0 1 2 1 8 1 2 39 B 1 0 2 0 0 x 1 O O x 6 3 2 0 4 2 0 2 9 4 1 6 2 0 8 9 9 9 1 8 2 4 一 l 8 号 委 2 6 O 1 2 9 雪 6 黾 3 0 O o 0 4 o 0 8 O 1 2 0 1 6 扭转角 ( r a d m ) ( a ) T - 1 5 0 0 0 4 0 08 0 1 2 0 1 6 扭转角( r a d m ) ( c ) T 0 7 蚤 一 囊 至 、 一 O 扭转角( r a d m ) ( b ) T - 1 1 0 0 0 4 0 0 8 0 1 2 0 1 6 扭转角 ( r a d m ) ( d ) B - 1 5 扭 转 角 ( r a d m ) ( e ) B 一 1 0 图4计算 曲线和实验曲线比较 4纯扭构件荷载一 变形关系全过程分析 发展区域。 图 5为空腹箱形钢骨混凝土纯扭构件的典型 ( 3 )塑性阶段 ( B C ) ：此阶段，钢管屈服区不断 向 联 系 曲线 ，7 _ 为扭矩，妫 构件总的扭转角。根 内发展，混凝土的裂缝也不断开展，截面进入塑性 据空腹箱形钢骨混凝土纯扭构件的工作性能，曲线 的区域不断增大，钢筋笼中箍筋的应力仍在不断增 大致可分为以下三个阶段 ： 加。由于内部钢骨的存在和外部钢筋笼的约束作用 ， ( 1 )弹性阶段 ( O A ) ：在此阶段，扭矩与转角成线 曲线仍觉有较好的延性 。以上，严关系 曲线上 A 性关系，A点大致相 当于钢材进入弹塑性阶段的起 点、B点和 C点对应构件应力分布云图如图 6所示 点。 ( 图 6的计算条件为表 l中的 T 一 1 5试件 ) ，从图 6 ( 2 )弹塑性阶段 ( A B ) ：在此阶段，B点处对应 的 可见 ，外围混凝土的剪应力较大，钢筋笼中箍筋的 钢管最大纤维压应力达屈服点，部分截面进入塑性 应力 比纵 向钢筋要大。 47 加 m O 至一 蹑 加 m O