钢管初应力及混凝土自应力对钢管混凝土构件承载力影响分析.pdf

公路 交通技术2 0 1 4年 6月 第 3期 T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o ~J u n ． 2 0 1 4 N o ． 3 钢管初应力及混凝土 自应力对钢管 混凝土构件承载力影响分析 邵 京 ， 周水兴 ( 重庆交通大学土木与建筑学院， 重庆4 0 0 0 7 4 ) 摘要 ： 通过在钢管上施加均布面荷载和对混凝土施加温度荷栽分别模拟钢管初应力和混凝土 自应力， 利用A N S Y S 有限元程序建立钢管混凝土构件实体模型， 分析钢管初应力和混凝土 自应力对钢管混凝土构件承载力影响规律， 在 此基础上拟合钢管混凝土构件承载力计算公式， 相对于数值结果而言， 该拟合计算公式具有较高的精度。 关键词 ： 钢管混凝土； 钢管初应力； 混凝土 自应力； 承载力分析； 承载力计算公式 文章编号： 1 0 0 9 — 6 4 7 7 ( 2 0 1 4 ) 0 3 — 0 0 5 9 — 0 7 中图分类号： U 4 4 1 ． 5 文献标识码 ： A An a ly s is f o r l n f l u e n c e s o f l n it ia I St r e s s o f St e e l Tu b e s a n d Se lf — s t r e s s o f Co n c r e t e O n B e a r i n g Ca p a c it y o f Co n c r e t e - f i l l e d S t e e l Tu b u la r Me mb e r s S H A 0 J i n g ． Z H O U S h u i x i n g Ab s t r a c t ：T h i s p a p e r s i mu l a t e s i n i t i a l s t r e s s o f s t e e l t u b e s a n d s e l f — - s t r e s s o f c o n c r e t e b y a p p l y i n g l o a d o f u ni f o r ml y d i s t r i b u t i o n s u r f a c e a n d a p p l y i n g t e mpe r a t u r e l o a d o n c o nc r e t e，e s t a b l i s h e s t h e e n t i t y mo d e l o f c o n c r e t e-fil l e d s t e e l t ub u l a r me mb e r s b y me a ns o f ANS YS fin i t e e l e me n t ， a nd a n a l y z e s t h e l a ws o f i n fl u e n c e s o f i n i t i a l s t r e s s o f s t e e l t u b e s a n d s e l f —s t r e s s o f c o n c r e t e o n c o n c r e t e—fi l l e d s t e e l t u b u l a r me mb e r s ，a n d o n t h i s b a s i s fi t s c o mp u t a t i o n a l e q u a t i o n f o r b e a ri n g c a p a c i t y o f c o n c r e t e - fi l l e d s t e e l t u b u l a r me mbe r s ． Re l a t i v e t o n u me ric a l r e s u l t ，t h i s fit t e d c o mp u t a t i o n a l f o rm u l a h a s h i g he r a c c u r a c y． Ke y wo r d s ：s t e e l t u b e c o n c r e t e；i n i t i al s t r e s s o f s t e e l t u b e ；s e l f -s t r e s s o f c o n c r e t e ；a n a l y s i s o f b e a ri n g c a p a c i t y；c o mp u t a t i o n a l e q u a t i o n for b e a n n g c a p a c i t y 钢管混凝土结构具有承载力高、 抗震性能好、 施 工方便等优点， 在高层建筑、 桥梁工程中应用广 泛 J 。然而 ， 管内混凝 土是在 已经架设好 的空钢管 立柱或空钢管拱肋基础上灌注的， 在形成钢管混凝 土组合材料前， 空钢管截面中因在制作过程中已经 存储 了一定的初应力 ， 将会影 响钢管混凝土结构承 载力 』 。处于封闭状态下 的管 内混凝土受到其收 缩徐变的影响， 导致 管内混凝土在低应力状态下的 脱空 ， 不仅使钢管混凝土计算理论与实际不符 ， 而且 也会降低其结构承载力。为避免管内混凝土的脱 空， 利用 自应力混凝 土， 使其在低应力状态下处于三 向受压状态 ， 充分发挥钢管的约束套箍作用 ， 可达到 提高钢管混凝土结构承载力和工作性能的目的 J 。 针对钢管初应力和混凝土自应力对钢管混凝土 基金项 目： 重 庆市教委科技 项 目( K J 1 2 0 4 1 2 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 3 —1 2 — 1 7 作者简 介： 邵京 ( 1 9 8 9 一) ， 男 ， 浙江省金华市人 ， 在读研究生 构件的承载力影响， 国内已经开展了相关的理论和 试验研究 J 。周水兴等 基于非线性问题 的平衡 方程和空间梁单元非线性几何方程， 提出了用组合 空间梁单元法分析钢管初应力对钢管混凝土拱桥承 载力的影响， 并给出了承载力计算公式。此外 ， 周水 兴等 。 。 还通过试验和理论分析提出了自应力钢管 混凝土本构关系和构件承载力计算公式。但迄今为 止 ， 国内外尚未见同时考虑钢管初应力和混凝 土 自 应力对钢管混凝土构件承载力影响进行研究的相关 报道。 本文在文献 [ 1 O ] 给 出的 自应力钢管混凝 土本 构关系模型基 础上 ， 应用 A N S Y S有限元程序 ， 同时 考虑钢管初应力和混凝土 自 应力的影响， 对钢管混 凝土构件承载力进行分析， 在此基础上拟合出构件 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 4车 承载力计算公式， 为今后自应力钢管混凝土构件设 计提供参考。 1 钢管与自应力混凝土的本构关系 1 ． 1 钢材本构关系 钢管 中采用的 Q 2 3 5 、 Q 3 4 5和 Q 3 9 O钢材均为低 碳软钢， 在极限承载力分析时可简化为理想弹塑性 材料 ， 其应力应变关系如式( 1 ) 所示 。 占 ( 1 ) 【 o ． 4 5 式中： 。 为核心混凝土泊松 比。 2 有限元模型建立 2 ． 1 单元划分 本文仅研究圆形钢管混凝土构件 ， 为减少单元 数目， 提高计算效率， 取 1 ／ 4圆柱体模型。单元划分 时 ， 为避免沿圆心呈辐射划分单元造成部分单元为 五面体， 将靠近圆心位置的单元划分成四边形， 再沿 圆心的边缘扩散， 确保沿构件高度方向所有单元均 为六面体。 承载力分析选用 A N S Y S 有限元程序， 钢管与核 心混凝土均采用 S O L I I M5单元 。构件横 截面划分 见 图 1 。 图 1构件横截面划分 2 ． 2 钢管初应力和混凝土 自应力施加方法 钢管初应力的施加 比较容易 ， 只需在钢管壁上 施加均布力 ， 但对核心混凝 土施加 自应力则 比较 困 难 ， 为此 ， 本 文提 出对核心混凝土加温的方法 ： 采用 A N S Y S中的轴对称壳单元 S H E L L 5 1 ， 建立核心} 昆 凝 土和钢管模型 ， 对核心混凝土施加温度荷载 ， 得到钢 管的环向应力 然后利用 自应力 q与钢管环向应 力的关系式( 6 ) ， 求出混凝土自应力所需施加的温 度值 。 g：上 胡 ( 6 ) g 胡 L 0 式 中： t 为钢管壁厚 ； r 为钢管内空半径 。 2 ． 3 分析步骤 为模拟实际施工中钢管初应力和管内混凝土自 应力产生过程， 采用 A N S Y S中的生死单元技术， 分 3个步骤进行分析。 步骤 1 ： 先激活空钢管单元 ， 在构件顶面施加面 力 ， 以模拟钢管初应力 ； 步骤2 ： 激活管内混凝土单元， 根据事先求出的 自应力值所对应的温度值， 将其施加到核心混凝土 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 3期 邵京， 等： 钢管初应力及混凝土 自应力对钢管混凝土构件承载力影响分析 6 1 上 ， 以模拟核心混凝土的 自应力 ； 步骤 3 ： 计算 2种应力共同作用下的构件承载 力。 3 仅有钢管初应力或仅有混凝土自应力对钢管混 凝土构件承载力影响分析 3 ． 1 钢管初应力对钢管混凝土构件承载力影响 为验证本文方法 的正确性 ， 选取文献 [ 2 ] 开展 的不 同钢管初应力 的承 载力试验结果进行分析 ， 试 件尺寸及参数见表 1 ， 不同钢管初应力的钢管混凝 土构件的承载～ 应变关 系见图 2 。 由图2可以看出， 试验结果与有限元计算值吻 合较好 ， 且不 同钢管初应力的钢管混凝土承载力是 不同的， 换句话说 ， 不 同钢管初应力对钢管混凝土构 件承载力存在实际影响。 3 ． 2 混凝土自应力对钢管混凝土构件承载力影响 为进一步验证用数值方法计算混凝土 自应力对 钢管混凝土构 件承 载力 的正确性 ， 采用文 献 [ 9 ] 的 试件尺寸进行试验 ， 试验结果与理论计算值见表 2 ， 试验与理论计算 的荷载一 位移关系见图 3 。 理论计算与试验结果表明 ， 本文采用 的本构模 型和数值方法用于计算钢管混凝土构件承载力是合 理的。由表 2和图 3 可以看出， 钢管混凝土构件的 承载力与混凝土本身 的自应力密切相关。 4 钢管初应力和混凝土 自应力对 钢管混凝土构件 轴压承载力影响分析 为研究 同时计人钢管初应力和混凝土 自应力对 钢管混凝土构件承载力 的影响 ， 选取如表 3所示 的 钢管混凝土短柱构件尺寸和参数 。 0 1 0 0 0 20 0 0 3 0 0 0 40 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 8 0 0 0 9 0 0 01 00 0 0 应变， 1 O - 6 ( b )Z N S 2 0 1 0 ( 3 0 2 0 0 0 3 0 0 0 40 0 0 5 0 0 0 60 0 0 7 0 0 0 8 0 0 0 90 0 01 00 0 0 应变／ 1 0 一 ( c )z N S 6 图 2 不 同钢 管初 应力的钢 管混凝土构件承载力一 应变关 系 表 1 不同钢管初应力的钢管混凝土构件试件尺寸及参数 z 舔幅 z 销慨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 公路交通技术 2 0 1 4年 ( c )s 2 — 1 ( d )$ 2 - 2 图3 不同混凝土自应力的钢管混凝土构件承载力一 应变关系 4 ． 1 钢管初应力对 自应力钢管混凝土构件承载力 影响分析 计算结果表明 ， 混凝土 自应力 g取 1～ 6 MP a ， 钢管初应力度 届( 钢管初应力与屈服强度之 比) 的变 化对构件承载力的影响规律基本相同； 自 应力越大， 构件承载力也越大， 在保持 自 应力值不变时， 构件承 载力随初应力度 的增大而减少。钢管初应力对自 应力钢管混凝土短柱构件承载力影响见图 4 。 4 ． 2 混凝土 自应力对钢管初应力混凝土构件承载 力影响分析 混凝土 自应力对钢管混凝土构件承载力影响分 析结果见图 5 。计算表 明： 在钢管初应力保持不变 的情况下 ， 构件承载力 随混凝土 自应力增大呈抛物 线变化 ； 钢管初应力越大 ， 构件承载力越低 。相对于 普通钢管混凝土， 钢管 自应力混凝土可提高承载力 ， 最高可达 2 0 ％ 。此外 ， 钢管初应力对承载力峰值点 所对应的最佳自应力水平影响不显著， 均在 自应力 水平 的0 ． 0 8附近。 令 一盐 塑 笪 垫 堕 塑 遇 自 廑 塑 塑 笪 遢 垦 夔 ， 7 、 “ 一 普 通钢 管混 凝 土构 件承 载力 则 A 一 2 、 B 一 2构件承载力提高系数 随钢管初应 力度 和混凝土 自应力 g变化 的关 系曲线见 图 6 。 对其他构件也可绘 出类似关系曲线。 z 镉瞄 z 籁 z 铺幅 z 铺憾 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 3期 邵京， 等： 钢管初应力及混凝土 自应力对钢管混凝土构件承载力影响分析 6 3 ( a )A 一 2 ( c )B - 2 1 1 1 z 1 ( e )D一 2 ( f )E 一 2 图 4 钢管初应力对钢管混凝土短柱承载力影响 4 ． 3同时计入钢管初应力和混凝土 自应 力的钢管 混凝土构件承载力计算 基于以上承 载力分析结果 ， 当套箍 系数 在 1 ≤ 42时 ， 利用 回归方法拟合了同时计人钢管初应力 和混凝土 自应力的钢管混凝土构件承载力计算公 式 ： N = K ~ K Z A ( 8 ) K s = 1 ． 0 + ( - 0 ． 0 6 4 4 # 2 + o ． 2 5 5 6 一 0 ． 3 8 9 3 ) ‘ ”( 9 ) K s =- 3 1 ． 3 7 7 7 + 4 ． 7 0 8 7 7 + 1 f l O ) 式中 ： Ⅳ 为构件承载力值 ； K s为钢管初应力对 构件 承载力影响系数 ； K q 为混凝土 自应力对构件承载力 提高系数 为普通钢管混凝土的轴心抗压强度设 计值， 按文献 [ 1 ] 计算； A 为钢管混凝土横截面面 积 。 根据 回归得到 的承载力公 式 ( 8 )～( 1 0 ) ， 重新 计算表 1 ～ 3中B 一 2构件的承载力， 结果见表4 、 表 5。 由表 4和表 5计算结果表明， 按公式 ( 8 )一 ( 1 0 ) 计算的承载力值与试验值和有限元计算值吻 合良好， 具有较好的计算精度。 5结语 本文根据 自 应力钢管混凝土和钢材本构关系， 建立了有限元实体模型， 开展了同时考虑钢管初应 力和核心混凝土自 应力对钢管混凝土构件承载力的 影响分析， 得到如下结论。 z 辐幅 z 慨 镉慨 z 憾 z 铺嚼 z 镉憾 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 4丘 1 l o 0 1 O 5 O l o o O 9 5 0 9 0 o 8 5 0 8 0 o 7 5 0 7 0 0 1 3 5 0 1 3 0 o 1 2 5 0 l 20 o 1 1 5 0 1 l o 0 1 05 0 l oo O 95 0 9 0 0 O 1 1 0 0 1 0 5 0 1 O o o 童 9 5 0 藿 8 0 0 7 5 0 O 1 2 3 4 5 6 自应力值q ／ MP a ( c )B - 2 0 9 00 8 5 0 8 0 o 7 5 0 7 0 o 6 5 0 6 0 o 5 5 0 5 0 0 4 5 0 l 2 3 4 5 自应力值q ／ 1V I P a ( b )A- 3 O 1 2 3 4 5 6 自 应力[~ q ／ M P a ( d )C - 2 fl~q ,M e a 自应力值g ， M P a ( a )A- 2 ( b )B 一 2 图6 混凝土 自应力对初应力钢管混凝土构件承载力提高系数影响 1 )仅有钢管初应力或仅有混凝土 自应力的钢 管混凝土构件承载力计算结果与试验结果吻合较 好， 验证了文中本构关系和数值方法的正确性。 2 )当混凝土 自应力一定时 ， 钢管混凝土构件承 载力 随初应力度 口的增 大而减少 ， 但减少 幅度均不 超过 1 0 ％。 咖娜咖踟跏 瑚伽咖 z 锚嚼 O O O O O O O O O O 咖咖蚴咖啪湖珊瑚 z 铺憾 z 铺瞬 z 幅 z ) I ， 铺憾 姐 搦憾 籁 超 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 3期邵京， 等 ： 钢管初应力及混凝土 自应力对钢管混凝土构件承载力影响分析 6 5 表 4 构件试验值与公式计算值比较 试件序号 试验值／ k N 式( 8 ) 计算值／ k N 试验值／ 计算值 试件序号 试验值／ k N式( 8 ) 计算值／ k N 试验值／ 计算值 Z NS l 1 1 2 8 ． 7 1 1 6 1 1 ． 0 2 S l 一1 7 8 0 7 8 0 ． 6 l Z NS 2 l 0 9 5 ． 1 1 1 3 0 ． 3 1 ． 0 3 S 1 — 2 8 1 0 8 1 2 ． 5 0 ． 9 9 Z NS 6 1 0 41 ． 1 1 0 7 1 ． 4 1 1 ． o 3 S 2 一l 8 o 6 8 9 2 ． 3 0 ． 9 0 S 2 — 2 8 印 9 4 2 ． 2 0 ． 9 1 表5 B一 2构件 q = 3 MP a时的有限元计算值与公式计算值比较 3 )当钢管初应力一定时， 钢管混凝土构件 承载 力与 自应力值之间呈抛物线型的变化规律 ， 并在 自 应力水平为 0 ． 0 8附近达到最大承载力 。 4 )拟合了同时计人钢管初 应力和混凝 土 自应 力的钢管混凝土构件承载力计算公式， 其考虑了钢 管初应力度、 自 应力值、 混凝土套箍系数等参数， 与 数值结果相 比具有较好的计算精度 。 尽管本文对仅有钢管初应力和仅有混凝 土 自应 力的构件承载力计算值与试验结果进行了对比， 且 有较高的计算精度， 但由于缺乏同时计入钢管初应 力和混凝土 自应力的钢管混凝土构件承载力 的试验 结果 ， 因此提出的承载力计算公式需要与试验值做 进一步 比较和完善 。 参 考 文 献 [ 1 ] 钟善桐． 钢管混凝土结构[ M] ． j E 京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 黄世娟． 初应力对钢管混凝土轴压构件承载力影响的 试验研究[ D] ． 哈尔滨 ： 哈尔滨建筑大学 ， 1 9 9 5 ． [ 3 ] 韩其林， 钟善桐． 钢管混凝土力学[ M] ． 大连： 大连理工 大学出版社， 1 9 9 6 ． [ 4 ] 查晓雄． 钢管初应力对钢管混凝土压弯扭构件工作性 能影响的理论分析和试验研究[ D] ． 哈尔滨： 哈尔滨建 筑大学， 1 9 9 6 ． [ 5 ] J o h a n s s o n Ma t h i a s ， G y l h o f t K e n t ．Me c h a n i c a l b e h a v i o r o f c i r c u l a r s t e e l — c o n c r e t e c o mp o s i t e t u b u l a r c o l u m n s[ J ] ． J o u r n al o f E n g i n e e ri n g Me e - h a n i c s ， 2 0 0 2 ， 1 2 8 ( 8 ) ： 1 0 7 3 - 1 0 81． [ 6 ] 钟善桐， 查晓雄． 钢管初应力对钢管混凝土构件承载 力影响的研 究 [ J ] ． 哈尔滨建筑 大学 学报， 1 9 9 7 ， 3 0 ( 3 ) ： 1 3 - 2 2 ． [ 7 ] 周水兴， 刘 琪． 钢管初应力对哑铃型钢管混凝土拱 桥承载力影响分析 [ J ] ． 工程力学， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 7 ) ： 1 5 9 — 1 6 5 ． [ 8 ] 尧国皇． 钢管初应力对钢管混凝土压弯构件力学性能 影响的研究[ D] ． 福州： 福州大学， 2 0 0 2 ． [ 9 ] 徐磊． 钢管自应力免振混凝土轴压柱设计理论研究 [ D] ． 大连： 大连理工大学， 2 0 0 5 ． [ 1 0 ]Z h o u S h u i —x i n g ，L i L u ，Ma Y u e ．T h e C o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p o f s e rf - s t r e s s c o n c r e t e — f i l l e d s t e e l t u b e f J ] ． A d v a n c e d M a t e r i al s R e s e arc h ， 2 0 1 2 ， 4 2 8 ( 1 0 ) ： 1 0 3 — 1 0 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m