带约束拉杆钢管混凝土偏压短柱的有限元分析.pdf

浙 江建 筑 ， 第 2 7卷 ， 第 1 1 期 ， 2 0 1 0年 1 1月 Z h e j i a n g Co n s t r u c t i o n，V o 1 2 7，No 1 1 ，No v 2 0 1 0 带约束拉杆钢管 混凝 土偏压短柱 的有 限元分析 Fi n i t e El e me n t An a l y s i s o n Ec c en t r ic- l o a d e d Re c t an gu l a r CF T St u b Col u mn s wi t h Bi n d i n g Ba r s 于锦 华 ， 李 建军 Y U fin h u a，L I J i a n - j u n ( 1 浙江大学建筑设 计研究院 ； 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7 ； 2 野风集团房地产股份有限公司 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要： 应用通用有 限元程序 ， 对在偏压荷载作用下的带约束拉杆的矩形钢 管混凝 土短柱进行 力学分 析， 并与试验 进行 对 比， 认 为三维非线性有限元方法对试验的模拟是合理可行的。通过分析该模 型钢板和混凝 土的应力 分布情 况和拉杆应 力变化情 况 ， 进一步明确 了该类型构件的 内部受力及变形机理。 关键 词： 矩形钢管混凝土 ； 约束拉杆 ； 偏心受压 ； 非线性有限元分析 中图分类号 ： T U3 7 5 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 0 ) 1 1 0 0 2 1 0 4 华 南理 工大 学 土木工 程 系提 出的带 约束 拉杆 的 矩形 钢管 混凝 土短柱 具有 增强 钢板 对核 心混凝 土的 约束作 用 ， 提 高 构件 延 性 等 优 点 。本 文 采 用 通 用有 限元分 析软 件 A N S Y S ， 对 带 约束 拉 杆 的矩 形 钢 管 混 凝 土短 柱进 行非线 性有 限元 分 析 ， 更 好 地 认 识 了其 受力性 能 和破坏机 理 ， 并与 试验 结果 相 比较 ， 验 证其 可 以部 分 代 替 试 验 进 行 分 析 ， 为 其 合 理 应 用 提 供 依 据 。 1 模型 的建立 本 次有 限元 分析 采 用 分 离式 模 型 ， 约 束 拉杆 为 2节点 的三维 杆单 元 L i n k 8 ， 钢 管 为 8节 点 的 实体 单 元 S o i l d 4 5 ， 混凝 土 为 8节 点 的 三 维混 凝 土 实体 单 元 S o l i d 6 5 。假 定钢 管 、 钢 筋与 混凝 土之 间 为完全 粘 结 ， 程序 通过 各类 型单元 共享 节 点来实 现 。 钢材采用各 向同性 弹塑性材料模型 ， v o n Mi s e s 屈服准 则 。在程 序 中给定 单轴应 力一 应变 关 系后 ， 其 三维应 力一 应 变关 系 根 据 v o n Mi s e s 屈 服准 则 确 定 。 文 中使 用 的钢材 单轴 应力一 应变 关 系模 型为 弹性一 线 性 强化模 型 ( 图 1 ( a ) ) 。混 凝 土选用 A N S Y S材 料库 里 的多 线 性 随 动 强 化 混 凝 土 模 型 ， 其 采 用 Wi l l i a m Wa r n k e ( 1 9 7 5 ) 五参 数 破 坏 准 则 。混 凝 土 受 压 区 段单 轴应 力一 应 变 关 系 曲线 根 据 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 ( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) j 简化 得 到 ， 见 图 1 ( b ) 。 本次 非线 性有 限元 分 析 采 用 分 布 裂缝 模 式 ， 假定 裂缝 发 生在单 元 体 内部 ， 以 分 布裂 缝 来 代 替单 独 的裂缝 ， 即开裂 后 材 料 仍 连 续 。混 凝 土 开 裂裂 缝 剪力 传 递 系 数 和 闭 合 裂 缝 剪 力 传 递 系 数 分 别 取 0 2 和 0 9 。开裂 后 刚度折 减 系数 为 0 6 。 J - - _厂 面 j 一 0 _童 稿 日期 ： 2 0 1 0 0 52 5 一 者简介 ： 于锦华( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 浙江桐乡人 ， 工程师， 从事建筑结构设计工作 。 ( a ) 钢材 ( b ) 混凝土 图 1 简化 的 混 凝 土 单 轴 抗 压 应 力一 应 变 曲 线 2 2 浙 江建筑 2 0 1 0年第 2 7卷 本次 分 析 以 E 3 ( 一 排 拉 杆 ) 和 E 6 ( 两 排 拉 杆 ) 为 例进 行 ， 根 据结 构 和 加 载对 称 性 ， 沿 宽 度 方 向取 1 2建 模 。 为避 免 加荷 局 部 应 力集 中 ， 柱 头设 一 钢 垫 板 ， 偏 心荷 载 在 钢 垫 板 上 的 钢 垫 块 上施 加 ， 柱 底 也设 一 钢 垫块 为 支 座 。钢 垫 板 和 垫 块 均 采 用 弹性 模 量很 大 的线 弹 性 材 料 ， 柱 头 加 荷 处 和 柱 脚 支 座 处 混凝 土 具有 关 闭压 溃 和开 裂 功 能 。模 型 约 束 条 件 和单 元 划分 见 图 3 。E 3共 1 5个 L i n k 8单 元 ， 混 凝 土共 1 2 4 8 个 S o l i d 6 5单 元 ， 钢 管 ( 含 拉 杆 垫 板 ) 共 6 9 2个 S o l i d 4 5单 元 ； E 6共 3 O个 L i n k 8单 元 ， 混凝 土 共 1 2 4 8 个 S o l i d 6 5单 元 ， 钢 管 ( 含 拉 杆 垫 板 ) 共 7 1 2个 S o l i d 4 5单 元 。 D 图 2有限元模型的 图 3有限元模型 ( E 3 ) 坐标 系 示 意 图 2求解方法 本次 分析 为单 调 加 载 非 线 性 静 力分 析 ， A N S Y S 求解 控制 选择 激活 稀 疏 矩 阵直 接 求 解 器 ， 迭代 方 法 为 牛顿 一 拉 斐 逊 法 。其 在 每 个 荷 载 子 步 求 解 完 成 ， 进行下 一子 步计算 前 ， 修改 刚度矩 阵 以反映材 料 的非 线性 特征 ； 每次 迭代 都需方 程求解 器 独立求解 ， 一 个 迭代 花费 和线性 静 态分析 一样 。 考 虑 到精 度 和代 价 间 的平 衡 ， 本 次分 析设 定 程 序 默认 时间子 步步 长为 0 0 5 ， 最大 和最 小 时 间子 步 步 长分别 为 0 0 5和 0 0 0 1 ， 并 打 开 自动 步 长 ， 允 许 程 序根 据上一 子 步 的平 衡 迭代 数 目、 塑 性 应 变增 量 等 因素决 定增 加或 者减 小下一 子步 步长 。每个 子步 计算 的最 大迭 代次数 设 为 3 0次 ， 程序 将连续 进行 平 衡 迭代直 到满 足收敛 准 则 。本 次分 析采用 残余 力的 二 范数控 制 收 敛 ， 收敛 容 差 3 。若 最 大 平 衡 迭 代 次数 内不能 满 足 收敛 ， 则 分 析 将 尝试 二 分 法 。若 二分 法不 可能 ， 则分 析将 中止 。 3模 型 的 试 验 验 证 3 1 极 限 状 态 极 限 荷 载 的 有 限 元 计 算 值 与 试 验 实测 值 见表 1 ， 两 者吻合 良好 。 表1 计算结果与试验实测值对比表 极 限状 态 时有 限元 模 型 的整 体 变 形 见 图 4 ， 近 力 边压缩 变形 明显 ， 整体挠 曲成 弓形 ， 柱身侧 边钢板 有 向外膨 胀 鼓 出 。这 些 变 形 特 征 与试 验 结 果 是 一 致 的 。 ( a ) X Z 平面上的投影 ( b ) ， z 平面上的投影( 局部放大) 图 4典型 F E A模 型的极限状态 变形 图( E 3 ) 3 2荷 载一变形 曲线 E 3各 边竖 向相 对 位 移 有 限 元 计算 值 与 试 验 值 的比较见 图 5 ， 有 限元计 算 的弯 矩一 平均 曲率 曲线 与 试 验 曲线 的 比较 见 图 6 ， 有 限元 模 型 计算 与 试 验情 况 吻合 良好 ， 能够较 好地模 拟试 验 ， 验 证 了有 限元计 算 结果 的准确 性 。 4受力及变形机理分析 4 1 变形分 析 以下通 过 分 析有 限 元计 算 结果 ， 对其 变形 机 理 加 以 明确 。 图 7黑 点 为 柱 身 高 度 各 点 挠 度 的有 限 元 计 算 值 ， 曲线为 = s i n ( 可 ) ， 各点挠度计算值均大 致 位于该 正 弦半波 曲线 ， 且 加 载 中其 轴 线 变形 保 持 正 弦半 波形 ， 随荷载 增加 挠 曲程度加 大 。 第 1 1期 于锦华等 ： 带约束拉杆钢管混凝土偏压短柱的有限元分析 2 3 基 l 5 。 1 0 0 垂 。 O A Z mm A Z mm A Z mm ( a ) 近力边 ( b ) 远力边 ( c ) 侧边 图 5各 边竖向相对位移有限元计算值与试验值 的比较 0 5 l O l 5 2 O ( 1 0 ml n ) ( a 1 E 3 l 5 O 0 0 O 图 6有 限 元 计 算 所 得 的 M 一 曲 线 与 试 验 曲线 的 比 较 ( a ) 模型E 3 ( b ) 模型E 6 图 7加 载 过 程短 柱 中 轴 线 挠 曲 变 形 示 意 图 图 8为 E 6极 限状 态 时 柱 中截 面 的变 形 ( 截 面 远力 侧角 点 的坐标 为 ( 5 0 ， 5 0 ) ； 拉 杆 位置 X=1 5 0和 X： 2 5 0 。由图 可 知 ： 越 靠 近 作 用 力 一 侧 ， Y 向膨 胀量 越大 ， 大致 按线 性增 加 ， 而远 离作 用力 一侧 几乎 无膨 胀 ， 甚 至 出现 收缩 ； 靠 近作 用力 一侧 的拉 杆有 抑制 所在 位置 Y方 向膨 胀 的作 用 ， 远 离 作 用力 一侧 拉杆作用不明显 ； X方 向的膨胀 比 Y方 向明显得 多 ； 构件 1 2宽度处 ， x向膨胀量最大 ， 越往角部 越小 ， 可见 该构 件角 部 约束较 强 。 g 0 一 O -0 1 25 1 1 O 暑95 8o 65 ( a ) y 方向的膨胀 ( b ) X方向的膨胀 图 8极 限 状态 下 柱 中截 面 X- Y方 向膨 胀 变 形 示意 图 ( E 6) 4 2 应 力分析 4 2 1 拉杆应力 有 限元计算所得的近力侧拉杆 应力 比远 力侧 大得 多 ， 接 近极 限荷 载 时 ， 拉杆 应 力增 长迅 速 ， 近 力侧 拉杆 达 到屈服 。可 见 ， 近力侧 拉 杆约 束作 用 较 强 ， 且 在 接 近 极 限 荷 载 时 更 为 明 显 ， 见 图 9。 图 9加载过程 约束拉杆 应力的变化 ( E 6 ) 4 2 2 钢 板应 力 ( 取 E 3两 拉 杆 之 间 的钢 板作 为研 究对 象 ) 本小 节 通过 分 析 有 限元 计 算 所 得各 边 极 限状 态 的钢板 应力 ， 对其 传力 机 理加 以 明确 。 在侧 边 ， 拉 杆垫 板 两侧有 横 向应力 集 中现象 ， 可 见拉 杆发 挥 了其约 束 作 用 ； 近 力 边 钢 板 横 向应 力 均 为拉 应力 ， 发挥 其对 混凝 土 的约束 作用 ， 由 中部 向角 部递 减 ； 远 力边 钢板 横 向应力 不 大 ， 见 图 1 0 。 钢板 竖 向压 应力 大 致 由近力 侧 向远 力侧 递 减 ， 拉杆附近应力等值线较不平直 ， 而靠近远力侧始终 比较 平 直 ， 拉 杆 垫 板 上 、 下 边 缘 处 竖 向 应 力 较 大 。 v o n Mi s e s 应 力 分 布 情 况 与 竖 向应 力 盯 相 似 ， 极 限 状态 近力 侧钢 板 已屈服 ， 见 图 1 1 。 4 2 3混凝 土应 力 和 开裂 情 况 ( 取 E 3两 拉杆 之 间 的混凝 土 作为研 究 对 象 ) 以下通 过 分 析有 限元 计 算所 得混 凝土极 限状 态 应 力 和 裂缝 开展 情 况 ， 对 其 传力及 破 坏机 理进 行探讨 。 混凝 土 极 限状 态 竖 向应力 ， 由近 力侧 向远 力 侧减 小 ， 远 力侧 o r 接 近 于 零 ； 远 力 侧 附 近沿 截 面 高 度方 向 变化 梯度 很大 ， 而 沿竖 向 基本 不变 ； 近 力侧 附近 沿截 面高 度 方 向变 化不 大 ， 水平 方 向在 拉 杆附近的混凝 土应力较大。其最 大值 为6 5 3 MP a ， 比 有较 大提 高 ， 见 图 1 2 。 2 4 浙 江 建筑 2 0 1 0年涕2 7卷 MO L SO LD TiC H SX c A VG ) D醢- q 26 6 S髓- B1 5q2 ( a ) 侧边钢板( 右侧为近力侧) 图 1 0 ( b ) 近力边钢板 ( c ) 远力边钢板 极 限状 态 钢 板 横 向应 力 等 值 线 图 虬S OL O i Z皤 靶 a v w I 图 1 1 极 限状态钢 板竖 向应力 和 V O n Mi s e s 应力 的等值线图 ( 右侧为近力侧 J ( ) 砰 面。 等值线 C o ) 朋， 平面。 等值线 图 1 2 极 限状态混凝土 的等值线 ( 右 侧为近力侧 ) 加载过 程 中 ， 混 凝 土 在 近力 侧 角 部及 拉 杆 旁 首 先 出现竖 向劈裂 。近力 侧角 部 的竖 向劈裂沿 近力边 和侧边发展 ； 拉杆旁的竖 向劈裂沿拉杆向柱子内部 发 展 的同时 ， 沿侧边 向拉 杆左 右两 侧发 展 ， 并 与近 力 侧 角部沿 侧边 发展 的竖 向劈 裂 区域 相 连 ， 向 远力 端 不 断发展 。可见 ， 近 力 侧 角 部 和拉 杆 附 近混 凝 土 所 受约束 较 强 ， 见图 1 3 ( ) ( 1 v ) 图 1 3 混 凝 土 裂 缝 开 展 图的 y平 面 透 视 投 影 ( 右 侧 为 近 力侧 ) ( 下转 第 3 4页) 浙江建筑 2 0 1 0年第 2 7卷 ( 2 ) 支 撑 轴 力 ， 选 择 轴 力 最 大 的观 测 点 进 行 分 析 ， 具体 内容见 表 2 。 表 2支撑轴 力观测 注 ： 开挖过程中尚未形成支撑时 ， 无轴力 ， 用“” 表示。 ( 3 ) 坑 外 地 下 水 位 。地 下 水 位 日最 大 变 化 量 4 7 0 mm， 低 于报警 值8 0 0 mm d 。 基 坑 开挖 过程 中监 测数 据 都 小 于设 计允 许 值 ， 对 引起周 边环 境 的沉 降很 小 ， 可 以认 为 连 续墙 作 为 基坑 围护结构 是安 全 的 ， 对 周边 环 境 的 影 响也 很 小 。坑外 地 下 水 位 的 13变 化 幅度 也 明 显 低 于 报 警 值 ， 说 明连续墙 起 到了止 水帷幕 的作 用 。 4 2 2连续 墙施 工 对 轨 道 交通 线 的影 响检 测 因 基坑 东侧 连续墙 与 规划轨 道交 通线净 距0 5 m， 方 案 批 复时 主管部 门要求 基坑 支护 结构不 得 占用轨道 交 通线 。成 槽机 挖槽后 ， 利 用超声 波检 测 ， 成 槽 的垂 直 度偏 差 均 小 于 1 3 0 0 。成槽 深 度2 9 m， 偏 差 值 为 2 9 1 3 0 0= 0 0 9 7 m 0 5 m， 施工对轨道交通线无影响 。 4 3 发 现的 问题及修 补措 施 4 3 1 发 现 的问题基坑 开挖后 ， 连续 墙接 缝处 出 现 渗漏水 现象 ， 经过 分析 ， 可能存 在 以下两 点原 因 ： ( 1 ) 接 头 施 工不 当 ， 锁 口管 背 后 的 缝 隙 没 有 封 堵 密实 ， 使泥浆 进入 在接 头处 留下大 量泥皮 ， 而刷 壁 未将接头处的泥皮清理干净 ， 最终在接头处 留下泥渣 ； ( 2 ) 高压 旋 喷 桩 喷 浆 效 果 欠 佳 ， 未 与 土 体 均 匀 搅 拌 ， 未 起到 应有 的止水 效果 。 4 3 2修 补措 施针 对 接 头 出 现 渗 漏 水 现 象 而 采 取 的修 补 措 施 ： 凿 除 接 头 处 的 淤 泥 和 混 合 砂 砾 石 ， 插 入 塑 料 管 引 流 ， 将 堵 漏 剂 与 水 按 1：0 3 5 的 比例混 合 搅 拌 ， 涂 抹 在 一 图 4接缝 处渗 水 引 流 渗 漏部位 ， 达 到 止水 效 果 。见 图 4 。如 果 继 续 出 现 渗水 ， 采 用高 压注浆 或低 压 固结 的方 法进行 处理 。 5 结 语 地 下连续 墙 集 挡 土 、 止 水 帷 幕 为 一 体 ， 尤 其 是 “ 两 墙合 一 ” ， 地 下连 续墙 兼 作地 下 室 的外 墙 的优 势 是其 他 方案所 无可 比拟 的 ， 它将 成 为 市 区深 基 坑 支 护方 案选 择 的趋势 。但连 续墙 接头是 结构 的薄弱 环 节 ， 在施 工过 程 中要 注意 接头处 的施 工质量 ， 避免 地 下 室施工 完成 后 出现 渗 漏水 现 象 ， 这 样 才 能完 全体 现 出地下 连续 墙 的优 势 。 参 考 文 献 1 修龙 ， 王杨 ， 杨斌 ， 等 北京 中国银行 总部 大厦地下连续 墙设计 J 建筑科学 ， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 3 74 2 2 朱建峰 深基坑支护工程 中地下连续墙的设计 J 隧道建设 ， 2 0 0 5(1 )： 2 73 O 3 吴洪涛 南 京商 贸广场地 下连续 墙 工程 J 江苏 建筑 ， 2 0 0 0 ( 2) ： 5 15 4 ( 上 接 第 2 4 页 ) 5 结 语 选用 合理 的单元 模式 、 材料 本构 、 强度 准则 和裂 缝模 式 等 ， 建立 带 约束 拉 杆 的 矩形 钢 管 混凝 土 偏 压 短 柱 的三维模 型 ， 对 其进 行非线 性有 限元计 算 ， 其 结 果 与试 验情况 相 吻合 ， 说 明三 维非 线 性 有 限元 方 法 对试 验 的模拟 是合 理可行 的。通过分 析该 模型钢 板 和混凝 土 的应 力分 布 情 况 和拉 杆 应 力变 化 情 况 ， 进 一 步 明确 了该 类 型 构 件 的 内部 受 力 机 理 ： ( 1 ) 近 力 侧 角部 和约 束 拉 杆 垫 板 附 近对 混 凝 土 约 束 作 用 较 强 ； ( 2 ) 受 压 区混 凝 土处 于三 向受压 状 态 ， 抗压 强 度 比单 轴抗 压 强 度有 提 高 ； ( 3 ) 约 束 拉 杆 附 近 应 力 变 化较 大 ， 拉杆垫 板边 缘处 有应力 集 中现象 ； ( 4 ) 有两 排拉 杆 时 ， 靠 近作用力 一侧 的拉 杆约束 作用较 明显 ， 而远 力侧 的拉 杆约束 作用 不大 。 参 考 文 献 1 Wa i F a h C h e n ，D a J i a n H a n P l a s t i c i t y f o r S t r u c t u r a l E n g i n e e r s M N e w Y o r k ：S p r i n g e r V e r l a g ， 1 9 8 8 ： 3 6 23 6 8 2 李明顺 ， 徐有 邻 ， 白生翔 ， 等 G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2混凝土结构设 计 规范 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2： 2 0 6 2 0 8 3 江见鲸 钢筋混凝土结构 非线性有 限元分析 M 西安 ： 陕西 科 学 技 术 出 版 社 ， 1 9 9 4： 1 1 81 2 4 4 D m n i a n K a c h l a k e v ，T h o m a s Mi l l e r F in i t e E l e m e n t Mo d e l i n g o f R e i n f o r c e d C o n c r e t e S tr u c t u r e s S t r e n g t h e n e d w i t h F R P L a m i n a t e s R 2 0 0 1 5 吕西林 ， 金国芳 ， 吴晓涵 钢筋 混凝土结 构非线性 有限元理论 与应用 M 上海 ： 同济大学出版社 ， 1 9 9 7： 8 49 4