圆中空夹层钢管混凝土抗弯承载力分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 2年第 l 2期( 总第 1 7 4期) 圆中空夹层钢管混凝土抗弯承载力分析 张栋， 刘清， 刘耘 ( 新疆大学建筑工程学院 ， 乌鲁木齐8 3 0 0 4 7) 【 摘要】 运用 A N S Y S 对软件单调竖向荷载作用下圆中空夹层钢管混凝土梁进行受弯分析， 得出9 个不同 空心率情况下构件的抗弯承载力， 并与文献 4 中提出的抗弯承载力理论计算公式的计算结果进行对比。分析结 果表明： 该类构件具有较高变形能力和良好的后期承载力， 在空心率为 0 7 0时构件的抗弯承载力较高。 【 关键词】 单调竖向荷载； 空心率 ； 后期承载力 【 中图分类号】 T U 5 2 8 5 7 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 0 3 4 0 3 T HE F I N I T E E L E ME N T A NA L Y S I S O F CO NC R E T I - F I L L E D DO U BL E S KI N S TEEL TUBULAR F LE XURAL BEAR G C AP ACI TY Z H A N G D o n g ， L I U Q i n g ， L I U Y u n ( I n s ti t u t e o f A r c h i t e c t u r a l E n g i ， X i n j i a n g U n i v ， U r i mq i 8 3 0 0 4 7 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B y u s i n g t h e u n i v e r s a l fi n i t e e l e me n t s o f t wa r e AN S YS o n mo n o t o n e v e r t i c a l：l o a d s o f c o n c r e t e fi l l e d d o u b l e s k i n s t e e l t u b u l a r b e a m i n b e n d i n g a n a l y s i s ， d r a wn i n 9 d i ff e r e n t h o l l o w r a t i o s the b e n d i n g b e a r i n g c a p a c i t y， a n d c o mp a r e d w i th t h e fl e x u r a l b e a ti n g c a p a c i t y p r e s e n t e d i n r e f e r e n c e the o r e t i c a l v a l u e s T h e r e s u l t s s h o w t h a t ：t h e c o mp o n e n t wi t h h i g h d e f o r ma ti o n c a p a c i t y a n d g o o d l a t e b e a r i n g c a p a c i t y； o n the h o l l o w r a t i o 0 7 0 b e n d i n g b e a r i n g c a p a c i ty i s b e t t e r Ke y wo r d s ： mo n o t o n e v e r t i c a l l o a d s ； h o l l o w r a t e ； l a t e b e a ti n g c a p a c i t y 圆中空夹层钢管混凝土结构具有承载力高， 自重 轻、 塑性、 韧性好等优点 ， 作为一种新型结构形式受 到国内外相关研究人员及工程设计人员的重视， 该结构 在运输管道、 隧道等工程中的应用较为广泛， 在工程实 际中得到较多的应用。韩林海等 对圆中空夹层钢管 混凝土构件的纯弯性能进行了一定的试验和理论研究 工作， 并取得一定的成果， 但由于圆中空夹层钢管混凝 土组合构件受力较复杂， 尚没有一套统一、 适用面广的 构造形式， 本文中通过运用有限元对 9个不同空心率情 况下的圆中空夹层钢管混凝土构件抗弯承载力进行模 拟分析， 得出较为合理的截面空心率。 1 圆中空夹层钢管混凝土模型的尺寸选择 文中拟以空心率为变量， 对 9个圆中空夹层钢管 混凝土试件进行抗弯承载力有限元分析， 其中包括一 个实心圆钢管混凝土模型和一个空心钢管模型， 模型 内、 外管尺寸及钢管的壁厚等模型尺寸如表 1 所示。 2有限元计算模型的建立 ( 1 ) 材料的单元类型选择及本构关系。钢管材 料选用 S O L I D 4 5 单元模拟。 钢材为理想弹塑性模型， 在屈服点之前的性质接近理想的弹性体， 屈服点之后 的流幅接近理想的塑性体。 钢材 的弹性模量取 2 X 1 0 MP a ， 泊松比取 0 2 5 ， 屈服强度 取为 2 3 5 MP a ， 其 应力 一 应变关系采用双线性等向强化模型( B I S O ) ， 如 图 1 所示 。 表 1 试件的内外钢管尺寸及壁厚 注： 空心率 =D ( D o一 2 0 ) ， D 。 为内钢管的外直径， 为外 钢管的外直径， t 0 为外钢管的壁厚约束效应系数 =A A k ， A A 分别为钢管和混凝土的横截面面积； 厂 v k 分别是钢管和混凝土 的屈服强度和抗压强度标准值。 基金项目 新疆维吾尔自 治区高等学校科研计划重点项 目 资助( X J E D U 2 0 1 0 1 1 0 ) ； 新疆大学“ 天山学者” 讲座教授科研项 目资助 张栋等： 圆中空夹层钢管混凝土抗弯承载力分析 3 5 茗1 5 1 0 0 5 0 0 c 芒 薹 X 应变 1 o - 应变 x1 0 一 图l 钢材的应力一 应变曲线 图2 混凝土材料的应力一 应变曲线 混凝土材料采用 S O L I D 6 5单元模拟， 混凝土材料 的弹性模理取为 31 0 MP a ， 泊松比取 0 2 ， 标准抗压 强度 取为 2 0 1 ， 对于混凝土材料的本构关系， 采用 h o g n e s t a d 模型 ： ore 一 一 ( ， 曲 or e = 曲 一 ( 孝 三 三 ) ， 8 式中， =1 8 or 曲 E c ； =o 0 0 3 8 ； or o a 为混凝土的 单轴受压强度， 应力 一应变曲线用多线性等向强化模型 ( M i s o ) 来定义， 其本构关系简化为多线段如图2 所示。 图3 模 型加载示意图 ( 2 ) 模型的单元划分和荷载施加。 模型假定： 模 型在变形过程中始终保持为平截面。 钢管与混凝土材 料完全协同工作 ， 两种材料之间不产生相对的滑移， 并忽略剪力对构件变形 的影响。 构件网格划分采用扫 掠网格划分方式。 模型施加荷载方式采用 四分点加载 方式 ， 如图3所示， 有限元模型单元划分后施加集中荷 载的有限元模型以及模型的断面图如图4所示。 3 有 限元计算结果分析 根据有限元软件的分析结果， 绘制出不同空心率 构件在受弯时梁底跨中节点的荷载 ， 位移曲线如图 5 所示 。 从 图 5可 以看 出 ： ( 1 ) 构件的荷载 一 位移曲线可以明显地分成弹 性阶段 O A段、 弹塑性阶段 A B段和塑性阶段B C 段。 在 曲线的弹性阶段 O A段 ， 构件所受到的荷载和构件在 荷载的作用下产生的变形成正 比， 荷载 一 曲线表现为 斜率很大的直线段 ； 当构件进入弹塑性阶段 A B段时， 荷载 - 位移曲线表现为一段 曲线 ， 位移不再随着荷载 的增加成正比增加， 荷载的增长幅度逐渐减小， 构件 变形幅度渐渐增大 ， 荷载 位移曲线的斜率逐渐减小； 当构件的变形进入到塑性 阶段 B C段时， 荷载的增加 幅度很小或者不变， 构件跨中梁底节点的位移大幅度 增加。 可以看出， 构件进入塑性阶段后， 构件的承载力 仍然相当稳定， 承载力没有出现下降的趋势， 并且变 形还可以继续增加 ， 表明这种结构形式具有很好的变 形能力和延性 ， 这是因为钢管和混凝土的相互约束作 用 ， 改善了构件的力学性能， 除空心钢管构件因为没 有混凝土的支撑， 承载力略有降低外， 其它构件的抗 弯承载 力仍 表现出很好的后期承载能 力 图4 圆中空夹层钢管混凝土模型 网格划分及断面示意图 6 0 Z 4 0 榻 辖 2 O D 娶 D0 30 39 5O 63 70 81 O0 0 1 o 20 3 0 40 5 0 6 0 7 0 80 位移 ram 图5 不 同空心率情况下的荷载一 位移曲线 图6 不同中空率时构件的抗弯承载力 曲线 ( 2 ) 从图 6 及表 2中抗弯承载力随空心率的变 化情况可以看出： 当空心率小于0 5 0时， 随着空心率 的增大， 钢材和混凝土的相互约束能力逐渐提高， 圆 中空夹层钢管混凝土构件的抗弯承载力也随之提高； 空心率在0 50 8 范围内时， 圆中空夹层钢管混凝土 构件的受弯承载力有所提高但变化较小， 在该空心率 范围内， 钢材和混凝土的相互约束能力达到合理的分 配， 构件在空心率增加到 0 7 0时， 构件的抗弯承载能 力最高 ， 这是由于混凝土材料不能对钢材提供足够的 支撑能力 ， 构件的抗弯承载力反而会减小。 4 构件抗弯承载力与理论计算承载力值对 比 文献 4 中提出的圆中空夹层钢管混凝土构件理 论抗弯承载力简化计算公式为： M = l 。 ，+y 。 。 式中， y = 0 4 8 1 n + n 。 ( 一 Q 8 5d+ 0 O 6x+ 1 ) + 1 1 = 一0 o 2 x- 2 7 6 I n + 1 o 4 x一 。 低温建筑技术 2 0 1 2年第 1 2期 ( 总第 1 7 4期 ) ： = 。 = ( 1 2 1 2+曰 +C ) 为内钢 管的屈服强度 。 表2 不同中空率时构件的抗弯承载力值 根据圆中空夹层钢管混凝土构件的抗弯承载力 简化计算公式计算所得的抗弯承载力 。 与有限元分 析得出的构件抗弯承载力 以进行比较， 如表 3 所示。 表3 抗弯承载力理论计算值与有限元计算值比较 注 ： 均方 差 s： ( X -X )+( X 2-X - )+ +( X n-X ) ， 表 V I t, 示平均值。 通过对比得出： 有限元分析得出的抗弯承载力与 理论计算抗弯承载力比值的平均值为 0 8 8 0 ， 均方差 为0 0 0 1 ， 有限元分析的结果与理论计算的承载能力 较接近 ， 并且数据离散性较小。引起分析构件的抗弯 承载力的差值的原 因可能是构件组成材料性能 的差 异 ， 例如有限元分析时混凝 土材料和钢材 的弹性模 量、 泊松比、 屈服强度等的取值； 理论计算公式 中线性 回归的各系数误差等。 5结语 通过对有限元计算结果的分析和理论计算承载 力结果的比较可以得出如下结论 ： 圆中空夹层钢管 混凝 土构件具有较高 变形能力 和 良好 的后期承载 力 ， 空心率在 0 5 0 8范围内时， 对圆中空夹层钢管混凝 土构件的受弯承载力影响较小； 圆中空夹层钢管混 凝土受弯构件的空心率存在一个较佳值 ( X= 0 7 0 ) ， 并且在该空心率时构件的抗弯承载力最高 ； 有限元 分析结果和抗弯承载力理论计算值 比较较近， 因此可 运用本方法对该种组合型构件进行大量的有限元分 析， 得出其它变化参数对 圆中空夹层钢管混凝土构件 承载力的影响。 参考 文献 1 x L Z H A O ， R G r z e b i e t a ， M E l c h l a k a n i T e s t s o f C o n c r e t e F i l l e d D o u b l e S k i n Ci r c u l a r Ho l l o w S e c t i o n s Fi r s t I n t e r C o n f e r o n S t e e l C o m p o s i t e S t r u c t u re s J P u s a n ， K o r e a ， 2 0 0 1 ， ( 6 ) ： 2 8 3 2 9 0 2 H a t L H， L u H Y a o G L L i a o F Y F u r t ber s t u d y o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c o n c r e t e一伽ed s t e e l tu b e s J J o u ma l of C o n s tr u e t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 0 6， 6 2 ( 6 ) ： 5 5 4 5 6 5 3 T a o Z h o n ff H a l L i n h a i Z h a o X i a d i n g B e h a v i o r o f C o n c r e t e F i l l e d D o u b l e S k i n ( C H S I n n e r a n d C H S O u t e r ) S t e e l T u b u l a r S t u b C o l u m n s a n d B e a m C o l u m n a J J o u r n a l of C o n s t r u c t i o n a l S t r e e l R e a s e a r c h 。 2 0 0 4， 6 0 ( 8 )： 1 1 2 91 t 5 8 4 黄宏 ， 陶忠， 韩林海 圆中空夹层 钢管混凝 土纯弯力学 性能研 究 J 工业建筑 ， 2 0 0 6， ( 3 ) 5 韩林海著钢管混凝土结构 M 北京： 科学出版社。 2 0 0 0 6 美 陈惠发 混凝土和土的本构关系 M 北京： 中国建筑工 业 出版社 ， 2 0 0 4 7 荣彬 方钢管混凝土组合异形柱的理论分析与试验研究 D 天津： 天津大学， 2 0 0 8 9 李永进 ， 韩林海 中空 夹层 钢管高性 能混 凝土压弯 构件力学 性能研究 c 中国钢结构协会 2 0 0 4 钢结构学术年会论文 集 2 0 0 4 收稿日期 2 0 1 2 0 9 0 6 作者简介 张栋( 1 9 8 7一 ) ， 男， 肃武威人， 硕士研究生， 研究方 向： 新型材料研究应 用。