圆形钢管自密实混凝土加固RC方柱偏压性能有限元分析.pdf

2 0 1 5年 第 6期 (总 第 3 0 8期) Nu m b e r 6 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o ． 3 0 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 1 2 圆形钢 管 自密实混凝土加 固 R C方柱偏压 性能有限元分析 王云虎 ，卢亦焱 。薛继峰 。 梁鸿骏 ( 武汉大学 土木建筑工程学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ) 摘要： 通过 4根短柱( 1 根 R C方柱和3根钢管 自 密实混凝土加 固柱) 的偏心受压试验， 研究外套钢管 自密实混凝土加固法对 R C方柱承载力和延性性能的影响， 结果表明加固后 R C柱的承载力与延性得到大幅提高 ， 且加固柱的承载力随偏心距的增大而 减小。 为进一步研究钢管壁厚和后浇混凝土强度对加固效果的影响 ， 采用了通用有限元软件 A NS Y S对加固偏压柱 的受力全过 程进行了计算分析。 经验证 ， 计算所得试件的荷载 一 变形曲线与试验结果吻合 良好。 在此基础上对加 固柱进行参数分析研究 ， 研 究结果表明： 偏心距对加固偏压柱的承载力影响最为明显 ， 其次是钢管壁厚 ， 自密实混凝土强度的影响较小。 关键词： 钢管 ；自密实混凝土； 加固； 偏压承载力； 有限元 中图分类号： T U 5 2 8 ． 0 l 文献标志码： A 文章编号：1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 6 — 0 0 5 0 — 0 4 F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f s q u a r e RC c o l u mn s t r e n g t h e n e d wi t h s e lf—c o mp a c t i n g c on c r e t e f i l l e d c i r cul ar s t e eI t ube un der e cc en t r i c Ioa d WA J ~ G Y u n h u ， LU Y i y a n ， XU E J i f e n g ， L I A NG Ho n g j u n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Wu h a n Un i v e r s i t y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 2， C h i n a ) Ab s t r a c t ： On e r e i n f o r c e d c o n c r e te c o l u mn a n d t h r e e r e t r o fi t t i n g c o l u mn s s u b j e c t e d t o e c c e n t ri c l o a d i n g h a v e b e e n p r e s e n t e d ． T h e e x p e r i — me n t a l r e s u l t s s h o ws t h a t t he u s e o f s e l f—c o mp a c tin g c o nc r e te fil l e d s t e e l t u b e s i s i n t e r e s t i ng s i n c e the d u c ti l i ty a n d the b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e RC c o l u mns a r e g r e a t l y i m p r o v e d， a nd the u l ti m a t e b e a r i n g c a p a c i t y i s d e c r e a s e d wi t h the i n c r e a s e o f th e e c c e n t r i c i t y． I n o r d e r t o f u r the r i n v e s t i g a t e the e f f e c t of the thi c kn e s s of t h e s t e e l t u b e s a n d the c o n c r e t e s t r e n g th o n the e c c e n t r i c l o a d i n g b e h a v i o r o f t h e s tr e n g t h e n e d c o l u m n s ， a fi n i t e e l e me n t ( A N S Y S ) a n a l y s i s i s e m p l o y e d to a n al y z e th e l o a d i n g p r o c e s s o f th e r e t r o fi t t i n g c o l u m n s s u b j e c — t e d t O e c c e n t r i c l o a d i ng ． I t i s f o u n d tha t the c a l c u l a ti o ns o f l o a d—d e f o r ma tio n c u r v e s a g r e e we l l wi th the e x p e rime n t a l r e s u l t s ． On t hi s ba — s i s ， the i n flu e n c e of s o me pa r a me t e r s i nc l ud i n g the thi c kn e s s o f the s t e e l t u b e， the c o n c r e t e s tre ng th and the e c c e n t r i c i t y o n the u l ti ma t e b e a tin g c a p a c i t y o f the r e tro fit t i ng c o l u mns i s a n a l y z e d． Th e s t u d y s h o ws that the i nfl u e n c e o f the e c c e n t r i c i t y i s o b v i o us ， the thi c kn e s s o f the s t e e l t u b e i s l e s s a n d the c o n c r e t e s t r e n g t h i s the l e a s t ． Ke y wor ds： s t e e l tub e： s e l f—c o mp a c ti n g c o n c r e t e； r e tro fit ； e c c e n t r i c—l o a de d c a p a c i t y； fin i t e e l e me n t 0 引言 圆形钢管混凝土组合结构能充分发挥材料特点 ： 一方 面钢管对核心混凝土的约束作用 ， 使核 心} 昆 凝土处于三向 受压状态， 从而提高混凝土强度， 改善混凝土韧性和塑性； 另一方面 ， 核心混凝土又能延缓 和避 免钢管的局部屈 曲， 从 而保证钢材性能 的充 分发 挥； 此外 ， 钢 管还可以作为混 凝 土浇筑的模板 ， 加快施 工速度 ， 节 省费用。 因此 ， 钢管混 凝土组合结构具有承载力高、 刚度大、 抗震性能好 、 构 件截 面尺寸小 、 施工简便迅速 、 经济效益好等突出优点 。 这优 良 的力学特性为结构加 固提供了一个新 的思路 ， 利用该组合 结构对混凝土结构进行加固 ， 可大幅度提高加 固构件 的承 载力 、 刚度和延性等。 在钢管混凝 土加 固柱方面⋯ ， 国外较早开展了钢套管 补强混凝土柱强度和变形能力 的研究 。 P r i e s t l e y等 用 椭 圆套管加 固混凝土方柱和 圆柱并对 其抗 剪强度进行 了 试验研究及理论分析 ， 研究表明钢套管可 以大幅提高加 固 柱的抗剪强度 和弯 曲韧性 。 A b o u t a h a 等 用不 同类 型 的 矩形钢管对混凝土柱进行加固， 套管类型分为局部套管与 全套两种 ， 研究结果表明两种套管方式均能有效提高柱 的 强度及延性。 除此之外 ， 肖岩等 也对局部 方套管及矩形 套管加固混凝土柱的强度及延性进行了研究。国内对 于钢 套管加固混凝 土柱研究较晚 ， 李鹏等 对钢套 管加 固的混 凝土方柱试件进行 了试验研究 ， 并分析了加固柱的轴压性 能和约束机理。 蔡健等 进行了圆形钢套管内填混凝土 结构加固方形短柱轴压 、 短柱偏压 和中长柱轴压等试验研 究 ， 研究发现外套钢管加 固法可有效提高加固柱的承 载力 收稿 日期 ： 2 0 1 4 —0 9 —1 8 基 金项 目 ： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 0 7 8 2 9 4 ) ； 中央高校基本科研业务费专项资金 资助 ( 2 0 1 4 2 1 0 0 2 0 2 0 1 ) 5 0 2 ． 9 0 1T i m， 偏心距分别为 2 0 、 4 0 、 6 0 m l T l 的试件 的荷载 一纵 向位移曲线 。 由图可知 ， 偏心距对加 固试件 的承载力影响 3结 论 位移／ mm ( a ) 自密实混凝土强度 很大 ， 偏心距越大 ， 加固试件的越早进入弹塑性阶段 ， 其极 限承载力也越低。 位移／ m m ( b ) 钢管壁 厚 图7 不 同因素对荷载位移的影响 ( 1 ) 钢管 自密实混凝土加 固法可以大幅提高 R C方柱 的偏压承载力与延性 ， 并将未加 固柱 由脆性破坏转为延性 破坏 。 ( 2 ) 本研究的有限元模 型计算结果与试验结果较为吻 合 ， 说明本研究所选取 的模 型合理正确 ， 可 以作 为计算钢 管} 昆 凝土加固 R C方柱偏心受压构件的依据 。 ( 3 ) 参数分析表 明 ： 减小偏心距或增加 钢管壁厚均能 显著提高加 固柱的承载力与延性 ； 而 自密实混凝 土强度对 加 固柱承载力影响较小 。 参考文献 ： [ 1 ]刘西拉． 结构工程学科的进展与前景[ M] ． 北京 ： 中国建筑工业 出版社， 2 0 0 7 ． E 2 3 P R I E S T L E Y M， S E I B L E F ． D e s i g n a n d s e i s m i c r e t r o fi t me a s u r e s f o r c o n c r e t e a n d m a s o n r y s tr u c t u r e s [ J ] ． C o n s t ruc t i o n B u i l d i n g Ma t e ri a l ， 1 9 9 5 ， 9 ( 6 ) ： 3 6 2 — 3 7 7 ． [ 3 ]P R I E S T L E Y M J N， S E I B L E F ， X I A O Y， e t a1 ． S t e e l j a c k e t r e t - r o f i t fi n g o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b rid g e c ol u mn s f o r e n h a n c e d s h e a r s ~ e n g t h --p a r t 1 ： t h e o r e t i c a l c o n s i d e r a ti o n s a n d t e s t d e s i g n [ J ] ． A C I 上接第 4 9页 [ 5 ]伍远辉， 罗宿星， 付盈盈， 等． 氯离子环境下混凝土钢筋的电化 学阻抗谱特征r J ] ． 表面技术 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 2 3— 2 9 ． [ 6 ]张静萍， 史美伦， 贺鸿珠． 粉煤灰火山灰 生 的交流阻抗研究[ J ] ． 粉煤灰 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 3 5— 3 9 ． [ 7 ]王迎斌， 马保国， 罗忠涛， 等． 掺矿渣水泥水化反应特性的试验 研究[ J ] ． 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 1 3 5— 1 3 7 ． [ 8 ]B A R NE T T S J ， e t a 1 ． S t r e n g t h d e v e l o p me n t o f mo r t a r s c o n t a i n i n g g r o un d g r a n ul a t e d bl a s t —f ur na c e s l a g： Ef f e c t o f c u ring t e mpe r a — tu r e a n d d e t e r m i n a t i o n o f a p p a r e n t a c t i v a t i o n e n e r g i e s [ J ] ． C e me n t a n d Co n c r e t e Co mp os i t e s ， 2 0 0 6． [ 9 ]马振珠， 岳汉威 ， 宋晓岚． 水泥水化过程的机理、 测试及影响因 素[ J ] ． 长沙大学学报 ， 2 0 0 9 ， 2 ( 5 ) ： 1 5 — 2 0 ． 位 移／ mm ( c ) 偏 心距 S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 1 9 9 4 ， 9 1 ( 4 ) ： 3 9 4 — 4 0 5 [ 4 ]A B O U T A H A R ． S ． E f f e c t o f s t e e l c o r r o s i o n a n d l o s s o f c o n c r e t e c o v e r o n s tr e n g t h o f d e t e ri o r a t e d R C c o l u m n s [ J ] ． C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri al s ， 2 0 1 1 ， 2 5 ( 5 ) ． [ 5 ]肖岩， 郭玉荣， 何文辉， 吴徽． 局部加劲钢套管加固钢筋混凝土 柱的研究[ J ] ． 建筑结构学报， 2 0 0 3 ， 1 2 9 ( 6 ) ： 7 2 5— 7 3 2 ． [ 6 ]李鹏， 易伟建钢套管加固钢筋混凝土柱的轴心受压试验研究[ J ] ． 建筑技术开发 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 8 5— 8 9 ． [ 7 ]蔡键 ， 徐进． 圆形套管加固混凝土中长柱轴压承载力研究[ J ] ． 铁道科学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 ( 4 ) ： 6 2 — 6 7 ． [ 8 ]C A I J ， X U J ． U l ti ma t e s tr e n g t h e n o f r e i n f o r c e d c o n c r e te c o l u m n s s ~ e n g the n e d b y c i r c u l ar s t e e l j a c k e t i n g [ J ] ． J o u r n a l o f S o u th C h i — n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 1 O ) ： 7 8 — 8 3 ． [ 9 ]卢亦焱 ， 张学朋． 外套钢管混凝土增大截面加固混凝土柱的方 法： 中国， 1 0 1 5 8 1 1 5 2 [ P ] ． 2 0 0 9— 1 1 — 1 8 ． 第一作者： 联 系地址： 联 系电话： 王云虎( 1 9 9 1 一 ) ， 男 ， 硕士 ， 主要从事工程结构加固理 论研究。 武汉大学土木建筑工程学院结构楼 3 1 2室( 4 3 0 0 7 2 ) l 5 07 2 4 0 2 5 2 9 [ 1 0 3 S O N G H W ， A N N K Y， P A C K S W， e t a 1 ． F a c t o r s i n fl u e n c i n g c h l o rid e tra n s p o r t a nd c h l o rid e thr e s h o l d l e v e l f o r t h e p r e d i c ti o n o f s e r v i c e l i f e of c o n c r e te s t r u c t u r e s [ J ] ． I n t ． J ． S t r u c t ． E n g ， 2 0 1 0 ． [ 1 1 ] T O MO S A WA F ． J a p a n s e x p e ri e n c e s a n d s t a n d ar d s o n t h e d u r a b i l — i t y p r o b l e m s o f r e i n f o r c e d c o n c r e te s t r u c t ure s [ J ] ． I n t e r n a ti o n a l J o u r na l o f S t r u c t u r a l En g i n e e rin g， 2 0 0 9． 第一作者： 联 系地址： 联 系电话： 刘龙海 ( 1 9 7 0一) ， 男， 博士 ， 教授 ， 研 究方向： 土木 工 程， 结构加固与处理。 湖南长沙南湖路长坡社区 I 栋 4单元 6 0 8 ( 4 1 2 0 0 0 ) 1 3 1 1 3 9 8 4 9 2 4 53