冷弯薄壁方钢管混凝土柱的非线性有限元分析.pdf

第2 5 卷第4 期 2 0 0 8 年 1 2月 华中科技大学学报 ( 城市科学版) J ． o f HUS T．( Ur b a n S c i e n c e E d i t i o n ) Vo 1 ． 2 5 No ． 4 De c ． 2 0 0 8 冷弯薄壁方钢管混凝土柱的非线性有限元分析 王静峰 2 ，郭水平 ，陈莉萍 ，柳炳康 ( 1 ． 合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 2 3 0 0 0 9 ； 2 ． 江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室，江苏 南京 2 1 0 0 0 9 ) 摘要：为了研究设肋方式、钢管厚度、钢材强度和混凝土强度对冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱力学性能的 影响，本文采用 AB A QU S有限元程序，对冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱进行非线性有限元分析，计算和分 析了冷弯薄壁方形钢管混凝土组合柱轴压时的荷载一变形全过程关系曲线。 给出了有限元计算中钢材和混凝 土本构关系模型、钢管及其核心混凝土之间界面模型等确定方法，分析在轴压作用下四种不同截面形式的冷 弯薄壁方钢管混凝土组合柱的力学性能和破坏模态，理论计算结果与试验结果吻合较好。研究表明，设肋能 有效改善冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱的力学性能，与不带肋截面钢管混凝土构件相比，四边肋截面钢管混 凝土构件的轴压承载力提高了 9 ． 4 ％～ 1 4 ．8 ％，十字肋截面钢管混凝土构件提高了 1 8 ． 7 ％一 3 9 ． 9 ％，而空钢管构 件降低了6 5 - 3 ％～ 8 9 ． 7 ％。同时，混凝土强度和钢管厚度对冷弯薄壁方钢管混凝土柱的轴压承载力影响较大。 关键词：冷弯薄壁；钢管混凝土；组合柱；有限元；肋 中国分类号：T U3 9 8 + ． 9 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 2 — 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 4 — 0 0 8 8 — 0 5 1 概 述 冷弯薄壁钢管填充混凝土形成冷弯薄壁钢管 混凝土 ，可用于低多层、小高层建筑结构和空间 结构柱或支撑构件 。混凝土有效地提高了薄壁构 件的局部屈 曲强度、抗火性能和防腐蚀性能，薄 壁型钢对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应 力状态，从而提高混凝土强度 ，改善其塑性和韧 性性能。 GB 5 0 0 1 8 ． 2 0 0 2《 冷弯薄壁型钢结构技术 规范》【 J J 适用于厚度为 2 - 6 mm 的冷弯薄壁型钢 结构的设计，而对于厚度小于 2 mm 的冷弯型钢 没有具体的设计方法 ，同时现有工程设计手册对 冷弯薄壁钢管混凝土缺乏具体的计算方法和构造 措施 ， 制约 了冷弯薄壁型钢在建筑工程中的应用。 目前国内外研 究学者对不带肋冷弯薄壁钢管 混凝土进行了大量的试验和理论研究 J 。 在管壁 设置加劲肋可有效提高薄壁钢管的强度和刚度 。 陶忠等 和张耀春等【 7 】 研究了加劲肋对薄壁钢管 混凝土力学性能和破坏形态 的影响。然而， 目前 对带肋冷弯薄壁钢管混凝土仍缺乏系统的研究。 本文提 出了四种不同截面形式的冷弯薄壁钢管混 凝土柱：不带肋截面、四边肋截面 、十字肋截面 和凹肋截面 ( 图 1 )，并与空钢管柱进行比较。 其中目前凹肋截面构件研究较少见 ，本文还探讨 了肋长宽比系数 a o( 即 a o =a ／ b ) 对凹肋截面构 件轴压承载力的影响。 —— J ( a )不带H J j 截面 ( b ) 四边 肋截商 — ( c ) 十字 肋截Ⅱ Ⅱ 图 1 冷弯薄壁钢管混凝土的截面形式／ mm 收稿 日期 ：2 0 0 8 — 0 6 — 2 4 作者简介：王静峰 ( 1 9 7 6 一 ) ，男，安徽合肥人，副研究员，研究方向为钢及组合结构，c o mp o s i t e 2 0 0 3 @1 2 6 ． c o m。 基金项目：江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室开放基金 ( J S C E 0 7 0 3 ) ；合肥工业大学博士专项科研基金 ( 2 0 0 7 GDB J 0 5 0) 。 — d 塾 - 7 f 第 4期 王静峰等：冷弯薄壁方钢管混凝土柱的非线性有限元分析 8 9 2 有限元计算模型 2 ． 1 材料本构关系模型 钢材采用 AB AQU S软件 中提供的等向弹塑 性模型，满足 V o n Mi s e s 屈服准则。钢材的弹性 模量取 2 ． 0 6 X 1 0 ’ MP a ；泊松比取 0 ． 3 。 核心混凝土 由于受到钢管的约束，且随着受 力状态 的改变处于动态变化，通常混凝土材料 的 单轴加载试验难 以测定塑性性能的变化，也很难 准确描述核心混凝土变化的被动约束力的影响。 为了合理地、准确地考虑这些因素的影响，本文 中采用刘威 ( 2 0 0 5 )I 8 】 提 出的适用于 A B AQ US有 限元程序 的核心混凝土单轴应 力一应变 关系模 型。计算时混凝土弹性模量 巴= 4 7 3 0 f ~ 。 5 N ／ mm ， 泊松 比取 0 ． 2 。 2 ． 2 单元类型和截面划分 钢 材 采 用 四节 点减 缩 积分 格 式 的 壳 单元 ( S 4 R ) ，在壳单元厚度方向，采用 9个积分点的 S i mp s o n积分。核心混凝土采用八节点减缩积分 格式 的三维实体单元( C3 D 8 R ) 。通过网格试验确 定了合理的网格密度 。图 2为冷弯薄壁钢管混凝 土柱的有限元模型。 土 图 2 冷弯薄壁钢管混凝土柱的有限兀模型 2 ． 3 接触面处理和边界条件 本文参考 以往界面传力性能的研究结果，采 用 C o u l o mb摩擦模型，并考虑界面粘结的影响。 钢管与核心混凝土界面摩擦系数取 0 ． 5 ， 钢管与核 心混凝土法线方向采用硬接触 J 。钢管与混凝土 接触界面模型建立时 ， 采用 C o n t a c t P a i r 命令 ， 并 利用元素集合，定义钢管和混凝土各 自接触面来 模拟接触面分离及摩擦行为；钢管与肋、混凝土 与肋之间都通过 T i e 连接。 在柱两端分别设置一刚度很大垫块模拟压力试验 机加荷端板 ，采用三维实体单元( C 3 D8 R ) 模拟 ， 加荷 端板与混凝土顶面和底面都采用法 向硬接 触；加荷端板与钢管采用 AB A QUS 中 S h e l l t o S o l i d C o u p l i n g项进行约束。 在对柱进行轴压作用 下荷载 一变形关系曲线模拟时，采用一端 自由并 施加荷载，一端固定的边界条件。计算全过程采 用位移加载方式，并通过增量迭代法求解非线性 方程 。 3 有限元模型验证 为了验证本文提 出的有限元计算模型的正确 性 ，根据文献[ 6 ] 和文献[ 1 0 ] 的试验数据进行 了模 拟计算 ，计算结果与试验结果进行 比较 。由于篇 幅有限，图 3和 图 4仅给 出部分结果，纵坐标为 轴力比，横坐标为纵 向应变。构件 的具体参数如 图 3和图 4所示 ， 其 中， 为方钢管截面外边长， t 为钢管厚度， L为构件长度， 为混凝土立方体 抗压强度 ， ． 厂 v 为钢材屈服强度，Ⅳ 0 为钢管混凝土 柱名义轴压承载力， Ⅳ为柱轴力。比较结果表 明， 计算结果与试验结果吻合较好 ，证明本文采用 的 有限元模型适用于冷弯薄壁钢管混凝土轴压构件 的荷载一变形关系 曲线的计算。 1 2 0 9 6 0‘ J 0 l 2 0 ． 9 O． 3 计算曲线 试验曲线 ， ￡ =l 4 8 ~4． 3 8 X4 4 4 mml ， ；． 2 6 2 MP a ； = 4 6 ． 8 MP a I No 1 4 0 5 k N 1 ．． ．． ．．． ．．． ．．． ． ． ．．．． ．．．． ．． ．．． ．．．— ．． ．．． ．．．．． ．． ．．． ．．- ．．． ．．． ．．．_l J 1 2 3 4 应变／ 1 0 ￡ 计 曲线 试验 曲线 l 鋈 ( b ) 图 3 不带肋方钢管混凝土有限元与试验结果 比较 9 0 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 应变／ 1 0 ￡ ( a ) 应变／ 1 0 图4 带肋方钢管混凝土有限元结果与试验结果 比较 4 参数分析 至 应变仙 ( b ) Q 2 3 5钢材 图5 钢材强度对 Ⅳ - ￡ 关系曲线的影响 本文利用建立的有限元模型对冷弯薄壁方钢 管混凝土柱进行 了初步的参数分析，考察了钢材 强度、混凝土强度 、钢管厚度等参数对不同截面 冷弯薄壁钢管混凝土柱力学性能和破坏模态的影 响。由于 目前凹肋截面类型冷弯薄壁钢管混凝土 研究较少见，本文还初步探讨了肋长宽比系数 对其力学性能的影响。图 5 ～图 8分别给 出了钢 材强度 、混凝土强度、钢管厚度和凹肋截面肋长 宽比系数对冷弯薄壁方钢管混凝土柱轴压荷载一 变形关系曲线的影响。图 9给 出了五种截面构件 的典型破坏形态。 至 应变／ I．t e ( a ) Q 3 4 5钢材 至 应变， L l ￡ ( a ) C 5 0混凝土 应变／ u ￡ ( b ) C 8 0混凝土 图 6 混凝土强度对N- e 关系曲线的影响 0 l 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 应变／ g e ( a ) t =1 ． 5 第 4期 王静峰等：冷弯薄壁方钢管混凝土柱的非线性有限元分析 9 l 耋 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 应变／ u ￡ ( b ) t = 3 图7 钢管厚度对N- e 关系曲线的影响 应变／ p e 图8 凹肋截面构件肋长宽比 对 Ⅳ - s 关系曲线的影响 ( a )空钢管 ( b )不带肋钢管混凝土 ( C )四边肋钢管混凝土 图9 冷弯薄壁钢管混凝土柱的破坏模态 5 结论 本文通过 AB A QU S有限元程序，分析和探 讨了不同截面形式和主要参数对冷弯薄壁方钢管 混凝土柱力学性能的影响，得到以下主要结论： ( 1 )本文通过 A B AQU S有限元程序建立了 轴压作用下冷弯薄壁方钢管混凝土柱的有限元计 算模型，并得到试验结果的验证。 ( 2 ) 冷弯薄壁钢管 内填充混凝土能显著提高 其轴压承载力，改善其破坏模式。因为混凝土的 存在可 以避免或延缓钢管发生局部屈曲，可以保 证其材料性能的充分发挥，提高钢管混凝土柱 的 承载力，同时塑性和韧性也大为改善 。与空钢管 构件相比，不带肋钢管混凝土构件的轴压承载力 提高了1 ． 9 ～ 8 ． 8 倍 ， 四边肋截面构件提高了2 ． 3 ～ 9 ． 7 倍，十字肋截面提高了 3 ． 0 ～ 9 ． 7倍，凹肋截面构 件提高了 1 ． 9 ～ 8 ． 5倍。 ( 3 ) 管壁设肋能有效地提高冷弯薄壁方钢管 混凝土的强度和延性，明显改善了其力学性能和 破坏模态。与无肋钢管混凝土构件相比，四边肋 截面构件的轴压承载力提高了 9 ． 4％～ 1 4 ． 8％，十 字肋截面构件提高了 l 8 ． 7％一 3 9 ． 9％。 ( 4 ) 混凝土强度和钢管厚度对冷弯薄壁方钢 管混凝土柱轴压承载力影响较大，而钢材强度的 影响较小。随着混凝土强度的提高或钢管厚度的 增大，冷弯薄壁钢管混凝土柱的轴压承载力显著 提高。 ( 5 )当肋长宽比系数 2时，凹肋截面构 件轴压承载力随 的增大而略有增加；当肋长宽 比系数 0 < 2时，凹肋截面构件轴压承载力随 的减小而显著减小。因此，在凹肋截面钢管混凝 土构件设计时， 其肋长宽比系数 取 2较为合理。 参考文献 [ 1 】 GB 5 0 0 1 8 — 2 0 0 2 ，冷弯 薄壁 型钢 结构技术规范 [ S ] ． 【 2 ] S h a n mu g a m N E， Ri c h a r d L J Y， L e e S L． T h i n — wa l l e d S t e e l B o x C o l u m n s u n d e r B i a x i a l L o a d i n g [ J ] ． J o u rna l o f S t r u c t u r al E n g i n e e rin g ，AS CE， 1 9 8 9 ， 1 1 ：2 7 0 6 — 2 7 2 6 ． 【 3 】 Uy B ． S t r e n g t h o f C o n c r e t e F i l l e d S t e e l B o x C o l u mn s I n c o r p o r a t i n g L o c a l B u c k l i n g [ J ] ． J o u r n a l o f S t r u c t u r a l En g i n e e rin g ， 2 0 0 0 ， 1 2 6 ( 3 ) ： 3 4 1 — 3 5 2 ． 【 4 ] O’S h e a M D，B ri d g e R Q ．De s i g n o f C i r c u l ar T h i n — w all e d C o n c r e t e F i l l e d S t e e l T u b e s [ J ] ． J o u ma l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 0 ， 1 2 6 ( 1 1 ) ： 1 2 9 5 — 1 3 0 3 ． 【 5 ]Hs u H L， J u a n g J L． P e rfo r ma n c e o f Th i n — wall e d Bo x C o l u mn s S tr e n g the n e d w i th I n t e r n a l B r a c e s [ J ] ． T h i n — Wa l l e d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 0 ， 3 7 ( 3 ) ： 2 4 1 — 2 5 8 ． [ 6 】 陶忠，于清．新型组合结构柱——试验、 理论与 方法【 M】 ．北京： 科学出版社， 2 0 0 6 ． [ 7 】 张耀春，陈 勇．设直肋方形薄壁钢管混凝土短柱 的试验研究与有限元分析[ J ] ．建筑结构学报，2 0 0 6 ； 2 7 ( 5 ) ： 1 6 - 2 2 ． 【 8 ] 刘威．钢管混凝土局部受压时的工作机理研究【 D 】 9 2 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8 年 福州：福州大 学， 2 0 0 5 ． [ 9 】 尧国皇．钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作 机理研究【 D】 ． 福州： 福州大学， 2 0 0 6 ． [ 1 0 】N i s h i y a r n a I ， Mo r i n o S ， S a k i n o K ， e t a 1 ． S u mma r y o f Re s e a r c h o n Co n c r e t e — fi l l e d S t r u c t u r a l S t e e l T u b e Co l u mn S y s t e m． T h e US — J a p a n Co o p e r a t i v e Re s e a r c h P r o g r a m o n Co mp o s i t e a n d Hy b rid S t r u c t u r e s [ M] ． Bu i l d i n g Re s e arc h I n s t i t u t e ， J a p a n ， 2 0 0 2 ． No n l i n e a r Fi n i t e El e me n t An a l y s i s o f Co n c r e t e - fi l l e d S q u a r e Co l d — f o r me d Th i n ． wa l l e d S t e e l Tu b u l a r Co l u mn s W A NGJ i n g -f e n g ，GU O S h u i - p i n g ，C HE NL i - p i n g ， B i n g — k a n g ( 1 ． S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e rin g ， He f e i Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ， He f e i 2 3 0 0 0 9 ， Ch i n a ； 2 ． J i a n g s u K e y L a b o r t o r y o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d P r e v e n ti o n Di s a s t e r ， Nanj i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T o s t u d y t h e e f f e c t s o f ri b t y p e ， t h i c k n e s s o f t u b e ， s t r e n g t h o f s t e e l a n d c o n c r e t e o n t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r o f c o n c r e t e - fi l l e d s q u a r e c o l d - f o r me d t h i n — w a l l e d s t e e l t u b e c o l u mn s ， n o n l i n e ar fi n i t e e l e me n t ( F E ) a n a l y s i s o n t h e s q u ar e c o l d — f o rm e d t h i n — wa l l e d C F T c o l u mn s w a s c a r r i e d o u t b y u s i n g AB AQ US s o f t w are ． Th e me c h a n i c a l b e h a v i o u r o f s q u are c o l d - f o r me d t h i n - wa l l e d CF T c o l u mn s wi t h f o u r d i f f e r e n t c r o s s ． - s e c t i o n wa s a na l y z e d u nd e r a xi a l c o mp r e s s i o n． Th e r e s u l t s o f fin i t e e l e me n t a n a l ys i s s h ow g o o d a g r e e me n t wi th tha t of t h e e x p e rim e n t s ．I t wa s c o n c l u d e d t ha t r i bs i n t he t u b ul ar c a n l arg e l y i mpr o ve t h e a x i a l c o mp r e s s i ve c a p a c i t i e s o f c o l d - f o rm e d t h i n— wa l l e d CF T c o l u mns ．Co mpare d wi t h CFT c o l u mns wi t h o ut rib s ．the a xi a l c o mp r e s s i v e c a p a c i t i e s o f t h e c o l u mn s wi t h f o u r r i b s a n d wi t h c r o s s e d r i b s i n c r e a s e b v 1 8 ． 7 ％～ 3 9 ． 9 ％ a n d i n c r e a s e b y 9． 4％-1 4． 8 ％ r e s pe c t i v e l y ，b u t f o r h ol l ow s e c t i o n s t e e l t u b e r c o l u mns ，t h e v a l u e r e d u c e b y 6 5 ． 3 ％- 8 9 ． 7 ％． S t r e n g t h o f c o n c r e t e a n d t h i c k n e s s o f t u b e a l s o a f f e c t t h e a x i a l c o mp r e s s i v e c a p a b i l i t i e s o f s q uare CF T c ol umn s ． Ke y w o r d s ： c o l d — f o rm e d t h i n — wa l l e d ； c o n c r e t e — fi l l e d s t e e l t u b e( C F T ) ； c o mp o s i t e c o l u mn ； fi n i t e e l e me n t ； rib s