薄壁方钢管混凝土轴压短柱有限元分析.pdf

马忠古等： 薄壁方钢管混凝土轴压短柱有限元分析 7 7 薄壁方钢管混凝土轴压短柱有限元分析 马忠吉 ， 韩素滨 【 1 ． 哈尔滨工业大学建筑设计研究院， 哈尔滨1 5 0 0 9 0 ； 2 ． 黑龙江省新建监狱3 - 程设计科。 哈尔滨1 5 0 0 6 9 ) 【 摘要】 依据合理简化的力学模型， 利用大型有限元软件 A B A Q U S 建立了精细化有限元模型， 通过合理选 取材料的本构模型， 对薄壁方钢管高强混凝土短柱力学性能进行了有限元分析。研究了混凝土与钢管之问的摩 擦对薄壁方钢管屈曲模态的影响， 钢管与混凝土之间不同接触方式、 不同的初始缺陷对薄壁方钢管高强混凝土短 柱承载能力的影响， 并将数值分析结果同文献提出的公式进行比较， 证实了本文有限元模型的可行性。 【 关键词】 薄壁方钢管混凝土； 屈曲模态； 非线性有限元分析 【 中图分类号】 T U 3 7 5 ． 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 3 — 0 0 7 7— 0 2 方钢管高强混凝土具有承载力高、 抗震性能好的优点， 同时外包钢管可以作为施工模板， 所以方钢管混凝土结构 施工方便快捷， 具有较好的经济效益⋯。以前 ， 钢管混凝土 结构主要用于高层、 大跨结构和重型工业厂房， 因此要求钢 管混凝土柱的钢管较厚 ， 径厚比通常较小 ， 规范规定 ， 当 方钢管混凝土径厚 比小于 6 0 3 5 时， 可不考虑钢管的 局部屈曲。随着建筑结构技术的发展， 对结构的抗震要求 越来越高， 因此在抗震地区， 为了提高高强混凝土的延性， 同时也为了取得较好的经济效益， 可以在一些中、 低层建筑 物、 中等跨度结构和普通工业厂房中使用薄壁方钢管高强 混凝土柱。然而， 随着钢管宽厚 比的增大， 薄壁钢管的局部 屈曲对薄壁钢管高强混凝土柱承载能力的影响不可忽略。 随着有限元法的不断发展， 在钢结构、 混凝土结构和组 合结构的分析中得到了越来越多的应用， 有限元方法也成 为了除试验研究、 理论分析之后的第三种结构分析方法 ， 运 用有限元法可以得到试验中很难得到的一些重要的结构反 应信息。本文利用大型有限元软件 A B A Q U S建立了精细化 有限元模型， 研究了混凝土与钢管之间的摩擦对薄壁方钢 管高强混凝土短柱屈曲模态的影响， 深入分析了钢管与混 凝土之间不同接触方式、 不同初始缺陷对薄壁方钢管高强 混凝土短柱承载能力的影响 。 1 有限元计算模型 ( 1 ) 模型设计。本文设计了一组钢管混凝土柱并进行 承载能力有限元分析， 分析中考虑的参数为钢管与混凝土之 间的不同接触方式， 包括允许钢管与混凝土表面分开与不允 许分开， 钢管初始缺陷峰值分别取为 0 ． 2 、 0 ． 5 、 1 、 2 m m。图 1 所示为钢筋混凝土对比试件和钢管约束钢筋混凝土柱的截面 形式。混凝土柱截面尺寸为 2 0 0 m m X 2 0 0 m m。试件高度为 6 0 0 m m， 钢管厚度为 1 ． 5 m m， 钢管的径厚比为 1 3 3 。 ( 2 ) 材料本构关系。A B A Q U S 软件的材料模型库提 供了大量的非线性本构模型， 本文混凝土的受压应力应变 曲线采用了韩林海 建立的适用于钢管混凝土结构分析的 应力应变曲线， 该曲线较好的模拟了混凝土材料受压破坏 全过程的特征， 适用于圆形和方形钢管混凝土结构的非线 性有限元分析。受拉段的曲线采用双线性关系式， 达到峰 值应力前采用线性增长。在下降段采用线性下降 ， 考虑钢 筋混凝土的受拉硬化效应。极限拉应力取为0 ． 0 2 A． 为抗 拉强度。最终采用的混凝土单轴应力 一应变关系表达式见 参考文献[ 4 ] 。在本文中， 混凝土单轴抗压强度等级为 C 6 0 ， 取为 4 7 ． 4 M P a ， 单轴抗拉强度 取为4 ． 7 MP a 。 钢管、 采用 A B A Q U S 软件中提供的等 向硬化弹塑性 模型， 采用 V o n M i s e s 屈服准则， Y o n M i s e s 屈服准则适用于 模拟与静水压力无关的材料的力学性能， 屈服面为连续曲 线 ， 在数值计算中易于处理， 适用于钢材的非线性有限元分 析 ， 计算结果很接近材料的真实状态。钢管应力应变曲线 采用文献[ 4 ] 表达 ， 钢筋屈服应力 3 1 5 M P a ， 钢材的弹性模量 取2 ． 0 6 X 1 0 MP a ， 塑性强化阶段弹性模型取 0 ． 0 1 E 。 ( 3 ) 单元划分。混凝土采用 C 3 D S R单元。经过网格 试验， 在网格划分上进行了优化 网格尺寸为 2 0 m m， 不仅满 足了计算的经济性， 同时也保证了有限元分析结果的精度。 ( a ) 核心混凝 土 ( b ) 薄壁钢管 图 1 试件 的有限元模 型 钢管采用四点缩减积分壳单元 S 4 R 。在厚度方向， 采用 7个 S i m p s o n 积分点 ， 这种单元具有较高的精度， 也可以减少 许多自由度 ， 提高了计算的效率 ， 网格尺寸为2 0 mm。 ( 4 ) 边界条件。试件在底端约束三个平动自由度和 三个转动自由度， 加载端约束除轴 向外五个 自由度。钢管 与混凝土之间的接触采用界面单元模拟混凝土与钢管之间 的接触 ， 摩擦系数取为 0 ． 2 0 J 。计算 中， 采用位移加载方 式， 计算时， 采用增量迭代法求解非线性方程。 2 计算结果分析 ( 1 ) 屈曲模态分析。依据以上建立的有限元模型， 对 7 8 低温建筑技术 2 0 1 2 年第 3 期( 总第 1 6 5 划) 试件进行了模态分析， 计算分析中取前十阶模态， 图2给出 了前三阶屈曲模态， 由图可以看出， 由于核心混凝土的存 在， 改变了钢管的屈曲模态， 钢管只能发生往外的屈曲， 不 能往里屈曲。表 1给出前十阶模态的特征值 ， 可以看出， 对 于方钢管混凝土短柱， 前十阶模态的特征值非常接近， 因此 在实际结构里， 并不一定由第一阶模态控制结构的非线性 屈曲模态， 因此需要对模态进行组合， 以确定结构可能的最 小承载力。 表 1 前 十 阶 模 态 特 征 值 ( a ) 第一阶 ( b )第二 阶 ( c )第三阶 图 2 试件前 三阶屈曲模态 ( 2 ) 承载能力分析。为了研究薄壁方钢管的屈 曲后 承载能力， 激发薄壁钢管的屈 曲模态 ， 必须引入某种形式的 初始缺陷。本文在模态分析的基础上 ， 对前十阶屈曲模态 进行组合， 取四种初始缺陷幅值进行分析， 分别为 0 ． 2 、 0 ． 5 、 1 、 2 m m。虽然取的初始缺陷幅值不同， 但破坏形态基本一致 试件( 图3 ) ， 随着荷载的增加， 截面应力越来越大， 前期 ， 中 部钢管的应力增长较角部快， 到达峰值荷载前 ， 钢管发生局 Z 镉 枢 位移／ r a m ( 8 ) 不允许分离 部屈曲， 钢管中部承担的纵向应力下降， 由于核心混凝土的 膨胀， 钢管的横向应力并不降低。到达峰荷载值时， 混凝土 中部截面的应力小于角部应力， 说明薄壁方钢管在角部的 约束作用最大。 ( a ) 钢管 Mi s e s 应力图 ( b )混凝土 Mi s e s 应力 图 图 3 峰值荷载时试件的应力云图 3 短柱与节点的荷载 一位移关系曲线全过程分析 图4 各个试件荷载一 位移曲线对比 由于钢管与混凝土之间开始是接触的， 当钢管向外鼓 屈时可能会产生分离， 随着核心混凝土的膨胀， 到峰值荷载 及其以后， 钢管又可能会与混凝土接触， 所以图 4为给出了 钢管与混凝土之间接触不同处理方式的荷载一 位移曲线， 图 中只给出了不考虑初始缺陷和考虑初始缺陷幅值为 2 ra m的 荷载． 位移曲线。表 2给出了不同接触方式的承载力。两种 不同接触方式所得的荷载位移 曲线基本相似 ， 最大承载力 相差 3 ． 3 ％。考虑到到绝大部分钢管与混凝土是接触的， 所 以考虑钢管与混凝土不允许分离更为准确， 所得的承载力 比允许分离得到的承载力相对较低。对于没有考虑初始缺 陷的试件， 理论承载力取为混凝土与钢管承载力的叠加， 对 于考虑初始缺陷的试件 ， 其理论公式采 自参考文献[ 1 ] ， 本 文与参考文献f 1 ] 采取了不同的方式来考虑方钢管薄壁混 位移／ mm ( b ) 允许分离 凝土短柱的轴压承载力， 但结果很接近 ， 理论公式比有限元 计算结果低 3 ． 1 ％， 说明参考文献 [ 1 ] 的公式的结果准确度 很高。也证明了本文所建立的有限元分析模型的正确性。 表 2 承 载 力 对 比 ( 下转第 8 7页) 乏 挺 李伯岩： 柱式墩台盖梁的加宽设计 足够的搭接长度。 ． ( 2 ) 施工注意事项： ①预留后浇段的盖梁外露钢筋应 采取喷水泥浆或环氧涂层等阻锈措施 ； 如浇筑湿浇段前仍 有钢筋锈蚀状况 ， 应将上锈部分用砂纸打磨， 露出光面； ② 安装上部梁板时应保证支座外边缘与先期浇筑的墩台盖梁 边缘不小于2 5 ． 0 c m， 施工时应采取一定的措施防止梁板发 生横向移位； ③盖梁内配置的钢筋较多 ， 焊接新旧盖梁连接 钢筋时， 同一横截面内的钢筋焊缝不宜超过 5 0 ％； ④凿除原 盖梁时， 其纵向主筋要取直， 并与新盖梁的对应钢筋焊接； ⑤新旧混凝土相接部位必须凿毛、 清洗 ； ⑥植入的钢筋施工 前应对植筋胶进行抗拔试验， 必须保证钢筋的植入强度。 3 盖梁的计算 按施工步骤将新旧盖梁分为三部分， 第一部分为原桥 盖梁， 第二部分为第一施工阶段施工的盖梁， 第三部分为第 二阶段施工的盖梁。利用桥梁博士 3 ． 2将盖梁离散成杆系 结构， 对盖梁的强度和裂缝进行验算。具体计算方法如下： ①按顺桥向计算一个车道汽车荷载及人群荷载的支反力 ( 分别考虑单孑 L 布载和双孔布载， 取最不利效应) ； ②根据桥 梁上部布置情况， 确定车辆及人群在盖梁上的移动范围， 利 用桥梁博士软件 自带的横向加载功能， 在行车道范围内布 置车辆活载， 在人行道范围内布置人群荷载， 计算盖梁的强 度和内力； ③计算第二部分盖梁， 只考虑本身的恒载， 以及 上部板( 梁) 的重量， 主要控制悬臂部分端部位移量及悬臂 根部承载能力见图4 ； ④将新旧盖梁作为一个整体计算。考 虑盖梁本身的恒载， 将上部主梁及铺装荷载计算相应的支 座反力 ， 按集中力施加于盖梁相应节点。旧桥盖梁 由于已 经成桥多年 ， 盖梁混凝土的收缩徐变已大部分完成， 计算时 可以忽略旧桥盖梁收缩徐变； ⑤由模型计算结果绘制内力 图， 确定盖梁配筋。 1 ．什f f l f 叶 种 咐 中 f f t 中 。 图4 盖梁第二施工阶段计算模型 4 结语 哈平路改扩建工程 已建成近一年， 采用上面介绍的设 计方法施工的盖梁， 盖梁的使用情况 良好， 新老盖梁没有出 现开裂现像， 新老盖梁结合状况 良好 ， 该方法也为今后柱式 墩台盖梁加宽提供了新的思路。 参考文献 [ 1 ] 哈尔滨市市政工程设计院． 哈平路拓宽改造工程新发大桥桥 梁施工图设计文件[ Z ] ． 2 0 1 1 ． [ 收稿 日 期] 2 0 1 l —l 1 — 1 5 [ 作者简介] 李伯岩( 1 9 7 8 一) ， 男， 黑龙江肇东人， 硕士， 工程 师 ， 从事道路桥 梁工程设计 。 ( 上接第7 8页) 综上， 对薄壁方钢管高强混凝土轴压短柱有限元模拟 ， 钢管与混凝土之间不允许分离更准确。不考虑初始缺陷比 考虑初始缺陷承载力高 6 ． 9 ％左右， 因此对于薄壁钢管混凝 土短柱的初始缺陷取值 ， 应根据规范 取其验收允许的初 始缺陷的最大值 ， 本文采用的混凝土短柱， 同参考文献的计 算公式吻合较好。 4结语 本文建立的精细化有限元分析模型能够精细地模拟薄 壁钢管混凝土短柱， 同参考文献的计算公式吻合较好。 ( 1 ) 核心混凝土能够改变薄壁方钢管的屈曲模态 ， 其 前面十阶屈曲模态特征值很接近， 在考虑初始缺陷时， 需要 对不同屈曲模态进行组合。 ( 2 ) 薄壁钢管对混凝土的约束在角部最大， 其纵向直 接承担荷载所发挥的作用也在角部处最大。 ( 3 ) 对本文采用的薄壁方钢管混凝土短柱， 考虑初始 缺陷的薄壁钢管混凝土短柱比不考虑初始缺陷的承载力低 6 ． 9 ％， 有限元分析结果同理论公式吻合较好。 参考文献 [ 1 ] 郭兰慧． 矩形钢管混凝土构件力学性能的理论分析与试验研 究[ D ] ． 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2 0 0 6 ． [ 2 ] C E C S 1 5 9 ： 2 0 0 4 ， 矩形钢管混凝土结构技术规程[ s ] ． [ 3 ] A B A Q U S ．A B A Q U S A n a l y s i s u s e r ’ s m a n u a l [ M] ． v e r s i o n 6 ． 8 ． 2 0 o 8 ． [ 4 ] 韩林海． 钢管混凝土结构： 理论与实践( 第二版) [ M] ． 北京： 科 学出版社 ， 2 0 o 7 ． [ 5 ] X D a i ， D I J a m N u m e r i c a l m o d e l l i n g o f t h e a x i a l c o m p r e s s i v e b e - h a v i o u r of s h o r t c o n c r e t e — fi l l e d e l l i p t i c al s t e e l c ~ u m n s [ J ] ． J o u r - h al of C o n s tr u c t i o n al S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 1 0， ( 6 6 ) ： 9 3 l一 9 4 2 ． [ 6 ] G B 5 0 0 1 8 - 2 0 0 2 ， 冷弯薄壁型钢结构技术规范[ s ] ． [ 收稿 日期 ] 2 0 1 1 一l 0一l 2 [ 作者简介] 马忠吉( 1 9 6 2一) ， 男， 哈尔滨人， 高级工程师， 研 究方向 ： 结构工程 。