钢管混凝土柱的工作机理及力学性能的有限元分析.pdf

9 2 露天采矿技术 2 0 1 3 年第9 期 钢管混凝土柱的工作机理及力学性能的有限元分析 仲祗 卿 ( 中煤国际工程集团沈阳设计研究院，辽宁 沈阳 1 1 0 0 1 5 ) 摘要： 简述 了钢管混凝土柱所具有的优点以及钢管与混凝之间的工作机理。为 了分析钢管混凝土柱的 力学性能， 通过运用有限元分析软件对圆形截面的钢管混凝土柱的承载能力进行了研究。 在有限元分析时考 虑了由于焊接所产生的残余变形、径厚 比以及长径比等不 同参数对钢管混凝土柱承栽能力以及延性性能的影 响。 最终， 得 出径厚比对柱的承栽能力以及延性性能的影响显著 ， 而长径 比主要 影响柱发生局部破坏的长度 。 关键词： 钢管混凝土 ； 工作机理 ； 承栽能力； 延性 中图分类号： I T U 3 7 文献标识码： B 文章编号： 1 6 7 1—9 8 1 6( 2 0 1 3 ) 0 9—0 0 9 2—0 4 随着建筑业的迅速发展 ，常见的结构形式构件 难以满足建筑的设计要求。 正因如此， 一些新型的结 构形式逐渐出现在建筑工程领域 ，并且得到广泛的 应用 。 例如 ， 钢管混凝土柱就是结合普通混凝土柱 以 及钢柱的特点而形成的一种新结构形式。钢管混凝 土柱是指在钢管的内部填满混凝土 ，并进行挤压密 实后 的组合构件。通常钢管混凝土柱根据截面形式 可以分为方形、 矩形 、 圆形 3种。最早的钢管混凝土 结构应用在英国的一个铁路桥的桥墩柱中，但是其 主要 目的是 为了防止钢管 内侧发生锈蚀 现象而破 坏 ， 并不是出于其力学性能。 对钢管混凝土结构进行 力学性能的研究始于上世纪 5 0 、 6 0年代 ，当时一些 西方 比较发达的国家研究了钢管混凝土的承载能力 以及抗震等性能。 在上世纪末期， 我国的一些研究学 者首先对钢管混凝土结构进行初步探讨分析。 2 钢管混凝土柱的优点及其工作机理 2 ． 1 钢 管混凝 土柱 的优 点 正是由于国内外的许多学者对钢管混凝土结构 进行深入的分析研究 ，使我们认识了该种组合结构 形式具有如下的优点： 1 ) 与普通钢筋混凝土结构柱和纯钢管柱相比， 钢 管混凝土结构能很大程度上提高柱的承载力，并且 具有 良好的延性性能【 1 ] 。 通常普通的钢筋混凝土柱在竖向荷载作用下 ， 收稿 日期： 2 0 1 3 — 0 4 - 2 1 作者简介： 仲祗卿( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 工程师， 硕士。 主要从事 钢与混凝土组合作用的研究。 混凝土属于双向受压的情况 ， 承载能力较低 。 但对于 钢管混凝土而言，由于外侧的钢管对 内部混凝土起 到套箍约束的作用，使内部的混凝土呈三向受压的 受力状态而大大提高其抗压强度。 而对于钢管而言， 由于钢管焊接加工所产生 的缺陷对管柱的承载力影 响较大 ， 以至于钢管会过早的产生局部屈曲破坏 。 如 果钢管内部填满 了混凝土，就会有效的延缓钢管发 生局部屈 曲破坏，从而保证了外部钢管的强度得到 充分的应用发挥， 提高柱的整体承载能力。另外 ， 试 验表 明：处于三向受压状态的混凝土能够延迟结构 材料 的脆性破坏， 明显改善了柱的延性性能。 2 ) 钢管混凝土柱的耐火性能好 。由于混凝土结 构具有 良好的耐火性 ，所 以采用钢管混凝土柱 的结 构在遇到火灾的时候 ，钢管 内部的混凝土能够吸收 大部分的热能 ，从而避免了外侧耐火性能差的钢管 发生严重破坏 。 因此 ， 钢管混凝土柱可以延长整个结 构的耐火时间，为火灾的救援提供充分时间而减轻 经济损失 以及人员的伤亡。 同时 ， 钢管混凝土形式的 柱与其他 的结构形式相 比，能节省三分之一的防火 涂料 。 3 ) 钢管混凝土柱施工简便， 周期短， 经济效果显 著。 由于在钢管内部填充混凝土， 可以省去浇筑混凝 土时支设模板 的程序 ， 从而加快施工的进度 ， 缩短施 工周期。 外侧的钢管可以起到受力筋的作用， 可以避 免因钢筋绑扎多造成的问题 。 另外 ， 与普通钢结构相 比， 对于钢管的加工、 吊装、 安装等施工程序较为方便 ， 同时可以减少一些不必要的开支 ， 减少成本。 2 ． 2 钢管混凝土柱的工作机理 钢管混凝土柱的受力机理就是外侧的钢管有效 的约束钢管内部混凝土发生向外鼓曲的破坏，同时 露天采矿技术 2 0 1 3 年第9 期 9 3 管内核心混凝土还可以阻止外侧钢管过早的发生局 部屈曲破坏圆 。在钢管混凝土结构中混凝土始终处于 三向受力的状态，这样可以有效的提高内部核心混 凝土的强度 。 钢管与混凝土的受力情况如图 1 所示。 这种钢管与混凝土的组合结构不仅仅延缓了内部混 凝土被压碎破坏的时间， 还能够保证钢材的工作性能 得到充分的发挥利用翻 。由于钢管混凝土组合结构弥 补了混凝土和钢管的不足，从而显著的提高了整个 结构的承载能力，保证了结构的整体稳定性以及杆 件的局部稳定性， 为建筑物留有较多的安全储备【4】 。 p ( a ) 混 凝土 ( a ) 混凝土单元 ( b ) 钢管 ∞ ( b ) 钢单元 图 1 材料 的受 力状 况 图 2 分析模型 L | | l’ -— _ -_ ( a ) 钢材 重 ( b ) 混凝 土 01 图 3 桩体材料应力一应变关系图 在有限元分析时，假设柱子受水平方向和竖直 ， 方向的荷载作用。 通常长柱在受到压弯作用时， 由于 受局部屈 曲的影响， 在沿柱的轴向产生变形。 因此本 文确定边界条件时， 定义柱的下端为固定约束， 上端 定义为 自由端。 通常钢材在进行加工时，会 由于焊接而产生残 余变形。本文在沿柱的轴向考虑了一个正弦的半个 波长的变形 ， 最大变形位于柱的长度的中间位置 ， 其 中最大的变形取值 0 ． 0 0 2 5 L 。 3 钢管混凝土柱的有限元分析 4 数据结果的分析 3 ． 1 建立有限元分析模型 本文通 过有 限元分 析软件 A B A Q U S对 圆形钢 管混凝土柱进行非线性分析~ - -6 1 。分析模型中的混凝 土和钢材分别采用实体单元 C 3 D 8 R和壳单元 S 4 R 。 进行 网格划分时 ， 沿着截 面一圈划分 3 2等份 ， 沿着 柱的轴向方向直径的 2 ／ 3 高度处进行加密划分， 其 他部位划分较为稀疏。分析模型及网格划分如图 2 所示。 分析时材料属性定义如下 ：钢材 的屈服强度为 2 3 5 M P a ， 弹性模量 2 0 6 0 0 0 M P a ， 泊松比 为 0 ． 3 ， 钢材本构关系采用二折线型， 如图 3 ( a ) ， 其中E 。 = 1 ／ 1 0 0 E o ； 混凝土的强度等级为 C 2 5 ， 其抗压强度取 1 6 ．7 MP a ，抗 拉强 度 为 1 ． 7 8 MP a ，弹 性模 量 为 2 8 0 0 0 MP a ，泊松 比 为 0 ． 2 ， 应力一应变关系如图 3 ( b ) 。 3 ． 2 定义边界条件 以及残余变形 本文通过建立不同直径和长径比的模型 ，研究 了各参数对钢管混凝土柱承载力的影响 ，模型尺寸 如表 1 所示 ， 其中所有模型都考虑了焊接残余变形 的影响。 表 1 模型的几何尺寸 直径 D l m m 径厚比 长径 比 长度 L ／ m m 壁厚 t l m m残余变形 I m m 径 厚比 的 计 算 公 式 如 下 ： 尺 t = 罟争 、 ／ ，其中 为钢材屈服强度， E为弹性模 ： 94 露天采矿技术 2 0 1 3 年第9 期 量 ， 7为泊松比。 4 ． 1 参数长径比的影响 当径厚 比相同时 ，不同的长径比对钢管混凝土 柱的承载力的影响如图4 所示。长径比的研究主要 考虑了 O ． 1 ， 0 ． 1 2 5 ， 0 ． 1 5 ， 0 ． 2 4种情况 。 图 4 是不同长径比的承载力与位移的关系曲 线。从图中可以看出， 在弹性阶段， 长径比对钢管混 凝土柱的承载力的影响不明显，长径比的不同主要 影响柱的极限承载能力。 当径厚比为0 ． 0 6 3 时， 极限 承载力最大的长径 比为 0 ． 1 ；当径厚比为 0 ． 1 2 6时 ， 极限承载力最大的长径 比为 O ． 1 5 。 从 中可以得出， 对 于不同径厚比的柱，总会存在一个不同的长径比产 生最大极限承载力 ，所以确定长径 比对柱的承载力 非 常重要。 l 5 0 0 童1 2 0 0 9 0 O 饕 6 。 。O O 0 0 ． 3 0 ． 6 0 ． 9 1 ． 2 1 ． 5 0 0 ． 3 0 ． 6 0 ． 9 1 ． 2 1 ． 5 位移／ n u n 位移／ r a m ( a ) 径厚比为 0 ． 0 6 3 ( b ) 径厚比为 0 ． 1 2 6 图 4 不 同长 径 比的影响 4 ． 2 参数径厚 比的影响 通过对长径 比的分析 ，可知出现最大承载力的 长径 比随着径厚 比不 同而发生变化。因此在考虑径 厚 比的影 响时 ，径厚 比分别 考虑 了 0 ． 0 6 3 ， 0 ． 1 2 6 ， 0 ． 1 8 8 ， 0 ．2 5 1 4 种不同情况，其中柱的长度计算公式 如下 ： =D( 一0 ． 0 1 0 ) 通过最终得到的数据结果 ，得 出不同径厚比对 柱应力以及应变的影响。图 5是柱的应力( ) 与 应变( 。 ／ ) 的关系曲线。 从图中可以看出 ， 不 同的径 厚 比对柱的极限强度影响比较 明显 ，同时柱的极 限 强度随着径厚比的增大而减小。 通过与相关的分析结果进行比较，得出不同径 厚比与极限应变的关系如图6 所示， 其中纵坐标是 钢管达到极限承载力时对应的应变与钢管的屈服应 变的比值。 从图6 可以看出， 当径厚比小于 0 ． 1 时， 对钢管 混凝土柱的变形影响比较显著，应变随径厚比的变 大而急剧下降； 当径厚比超过 0 ． 1 后 ， 应变随径厚比 0 O 0 0 2 0 1 6 l 2 8 4 0 2 4 6 B 应变 图 5 应力一应变关系曲线 图 6 8 J e 厂氓t 关系 曲线 变大而下降比较缓慢 ，说明径厚 比过大对钢管混凝 土的延性性能的影响不明显 。 5 结论 通过对不同径厚比、长径比对钢管混凝土柱的 承载能力的研究 ， 可 以得 出以下结论 ： 1 ) 不同径厚 比总会对应一个存在最大极 限承载 力的长径 比，通常把此时的长径 比所对应的柱 的高 度定义为有效失稳长度 ，即钢管混凝土柱发生局部 屈曲破坏高度 。 2 ) 径厚 比对柱的影响 比较 明显 ， 柱 的承载力随 着径厚 比的增大而降低。当径厚比在 O ． o 3到 O ． 1 范 围内， 对柱的延性性能的影响较为显著 ； 超 出这个范 围后， 柱的应变随径厚比的变大而缓慢下降。 3 ) 结合以上分析可以看出在超高层、 桥梁领域钢 管混凝土的应用前景是非常广泛的。如 ：深圳赛格广 场、 香港金融中心大厦、 东莞台商大厦、 重庆万州大桥、 广东紫洞大桥、 向家坝大桥等者 乏 用了钢管混凝土结构。 参考文献： [ 1 ] 韩林海． 钢管混凝土结构[ M] ． 北京： 科学出版社 。 2 0 0 0 ． ( 下转第 9 8页) 9 8 露天采矿技术 2 0 1 3 年第9 期 坡 ， 在雨季受积水影响严重 ， 造成线路下沉 ， 冬季又 受冻害影响 ， 造成道床变形 ， 线路起拱 ， 列车运行经 过时造成脱轨事故。 6 ) 车辆检修原因。企业 自备车一般长期超负荷 运转 ， 专业检修人员短缺， 专业技术水平低， 维修保 养工作做的不完善， 日 常检修不能保证质量 ， 对走行 部 、 连接装置不能进行细致、 彻底、 全面的检查 ， 缺少 金属探伤仪， 各部位有轻微裂纹、 裂痕也不能及时准 确地检验出来， 给行车安全带来很大隐患。 列车在运 转途中由于震动和冲撞造成断轴、 制动梁脱落、 车钩 及缓冲装置断裂、 脱落， 从而引起机车车辆脱轨。有 时还会造成车辆 自行溜逸引起撞车事故。 7 ) 列车保压状态不好。由于铁路专用线 E 设备简 陋， 不能进行列车保压试验 ， 遇到风管漏风或连接不好 时，不能满足机车在锁闸位置漏泄不超过每分钟 0 ．2 k g 的标准， 造成列车风压漏泄严重。 在遇到车列中有 卜 2 辆的关门车， 形成列车整列充风缓慢， 不能整列车同 嗣同步缓解或制动， 列车运行阻力增加造成运缓事故。 还有的车辆制动鞲鞴行程过长，在列车充风缓解时得 不到充分缓解， 造成车辆车轮抱死闸瓦， 列车运行时加 大对钢轨的冲击力 ， 遇到曲线转弯时造成脱轨事故。 8 ) 机车的原因。砂管堵塞、 风管漏泄 、 砂箱砂量 不够 、 砂子质量不能满足要求等 ， 是机车撒沙装置不 能正常发挥作用的主要原因，在列车遇到坡度较大 的长大坡道时容易造成列车运缓事故。如若需要动 能闯坡， 又会因为速度过快造成列车脱轨。 9 ) 机车乘务人员的原因。 机车乘务人员的操纵手 法对列车的安全运行影响较大。 列车风压不足就启动 是造成列车运缓的主要原因之一 ； 还有牵引列车时不 能首先进行有效压缩车钩 ， 减少列车启动阻力也是运 缓事故的原因之一。 在列车运行过程中频繁使用机车 制动而不是列车制动，造成列车车辆之间冲撞加大， 也是造成车钩及缓冲装置断裂的主要原因。 2 预防事故的措施 1 ) 加强线路巡检。 线路状态的好坏， 直接关系到 事故的发生频率 ，所以抓好线路巡检工作是首要任 务。加强维护和检查力度 ， 排查事故隐患 ， 将事故消 除在萌芽状态 ， 是减少事故发生 的最有效措施 。 2 ) 加强专用线设计工作 ， 努力提高专用线设计 标准。 增大线路曲线半径， 适当的增加缓和曲线和竖 曲线， 使列车运行更加平稳、 顺滑。 3 ) 加强顺坡、 调坡工作。 做好顺坡、 调坡工作， 才 能使线路整体平顺，防止出现小型驼峰 ( 俗称撅腚 坡) ， 有效预防坑害， 从而杜绝三角坑的出现， 减少事 故发生次数。 4 ) 加强牵引计算， 更好的确定线路坡度。 经过起 动验算和制动验算， 尽量减少动能闯坡， 从而减少运 缓和脱轨事故的发生概率。 5 ) 加强站场、 线路排水工作。各线路、 站场增设 横向及纵向的排水沟 ， 增设涵洞， 保证线路、 站场在 雨季不被水浸、 水淹 ， 在冬季减少冻害的发生。 6 ) 加强管理， 建立健全各项规章制度。 各企事业 单位要加强对铁路专用线的管理力度， 向国铁看齐， 制定切实可行的考核制度 ，有条件的要成立专 门的 考核领导小组 ，定期对铁路专用线各项设备进行检 查和考核， 努力改变专用线的落后状态。 7 ) a n 强教育 ， 提高职工技术水平。 通过教育和学 习， 提高职工的专业水平， 勤维护、 勤检修， 保证设备 完好。提高司乘人员的操纵水平， 减少胡干蛮干， 做 到按标准作业， 遵章守纪， 减少事故发生。 8 ) 筹措资金， 保证铁路专用线生产运行。 加强对 铁路专用线安全的重视程度 ， 多方面投入资金 ， 加大 扶持力度， 增加现代化的检修设备， 购置必要的工业 探伤设备等， 从根本上杜绝事故的发生。 3结语 通过以上措施， 彻底杜绝了我矿线路雨季水害、 冬季冻害事故 ， 运缓事故的发生次数大幅度下降 ， 全 年未因线路原因造成脱轨事故。 充分发挥了铁路 运输运能大、 速度快的优势， 为我矿的安全生产做出 了较大贡献 。 ( 上接第 9 4页) [ 2 ] 孙汉忠 ， 薛兴伟． 钢管混凝土短柱轴心受压承载力计算 [ J ] ． 建筑技术开发， 2 0 0 4 ， ( 6 ) ． [ 3 ] 林宗凡． 钢 一混凝土组合结构[ M] ． 山东： 同济大学出版 社． 2 0 0 4 ． [ 4 ] 薛伟兴。 刘洪瑞． 钢管混凝土短柱的强度计算【 J ] ． 建筑技 术开发， 2 0 0 3 。 ( 1 1 ) ． [ 5 ] 余志武 ， 丁发兴． 钢管高性能混凝土短柱受力性能研究 [ J ] 。 建筑结构学报 ， 2 0 0 2 ， ( 4 ) ． [ 6 ] 林宗凡． 钢混凝土组合结构[ M] ． 上海： 同济大学出版社 ， 2 0 0 4．