圆钢管混凝土受压短柱试验研究及有限元仿真分析.pdf

2 0 1 2年第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 0l 2 No 1 J a n u a r y 圆钢管混凝土受压短柱试验研究及有限元仿真分析 李月安 ( 襄樊学院 ， 4 4 1 0 5 3 ) 摘 要 ： 通过 对基 于不同长细比的 圆钢管混凝 土短 柱的受压力 学试验 ， 对其破 坏现象及机理进行 了分析 ； 探 讨 了长细比对该类构件力 学性能的影响规律 ， 同时分析 了该类构件 中钢 管对核心混凝土的约束作用。 建立三维精细有 限元模 型 ， 比较分析 了数值模拟 结果和试验结果 ， 并确定 了钢 管及混凝土的破坏 准则和其本构 关系的合 理性 ， 从 而 为该 类构件的设计提供 了可靠的理论依据 。 关键词 ： 钢管混凝土 ； 偏压短柱 ； 有限元 ； 仿真分析 Ab s t r a c t ：T h e c o mp r e s s e d me c h a n i c a l e x p e r i me n t a 1 s t u d y o n t h e d i f f e r e n t s l e n d e r n e s s r a t i o o f c o n c r e t e fi l l e d c i r c l e s t e e l t u b e s h o r t c o l u mn s i s c o n d u c t e d a n d t h e f a i l u r e p h e n o me n o n a n d me c h a n i s m a r e a n a l y z e d T h e i n f l u e n c e r u l e o f t h e s l e n d e rne s s r a t i o o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h i s k i n d o f c o mp o n e n t i s d i s c u s s e d ， me a n w h i l e ， t h e r e s t ric t i o n e f f e c t o f s t e e l t u b e O i l c o r e c o n c r e t e i s a n a l y z e d Th e 3 D fi n i t e e l e me n t mo d e l i s e s t a b l i s h e d Th e n u me ri c a l s i mu l a t i o n r e s u l t a n d t e s t r e s u l t a r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d Th e f a i l u r e c ri t e r i o n o f t h e s t e e l t u b e a n d c o n c r e t e a n d t h e r a t i o n a l i t y o f i t s c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n a r e d e t e r mi n e d ， t h e r e f o r e ， t h e r e l i a b l e t h e o r y b a s i s f o r t h e d e s i g n o f t h i s k i n d o f c o mp o n e n t s c a n b e p r o v i d e d Ke y wo r d s ：Co n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e ； S h o r t c o l u mn w i t h e c c e n t r i c c o mp r e s s i o n l o a d i n g ；F i n i t e e l e me n t ；S i mu l a t i o n a na l y s i s 中图分类号： T U 3 7 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 0 1 - 4 4 0 4 0前言 钢管混凝土结构是 由混凝土填入钢管 内而形 成的一种新型组合结构 。由于钢管混凝土结构能够 更有效地发挥钢材和混凝 土两种材料各 自的优点 ， 具有承载能力高 、 塑性和韧性好 、 耐火性能优 良、 施 工速度快等优点 ，能够适 应现代工程结构向大跨 、 高耸 、 重载方 向发展和承受恶劣条件的需要 。特别 是随着我 国高层 、 超 高层建筑 的发展 ， 钢管混凝 土 结构的研究和应用越来越广泛 。目前 ， 对钢管混凝 土的研究主要侧重于轴压构件和偏压长柱构件 ， 对 偏压短柱 的研究涉及不多。因此 ， 对偏压短柱进行 试验与理论研究是十分必要的。本文着重对各试件 的整体荷载一 应变 曲线进行分析 比较口 ， 揭示各参数 对该类构件力学性 能的影 响规律 ； 同时 ， 通过有 限 元仿真分析 ， 综合材料 的本构关 系 ， 比较数值模拟 结果与试验结果 ， 从而为该类构件在工程实践 中的 应用提供参考依据。 1 试 验概 况 1 1 试件准备 确定实验因子为长细 比， 用两个 实验体设计作 比较。钢管采用 Q 2 3 5钢材 ， 外径为 1 8 0 mm， 长径 比 分别为 3 3 3和 4 4 4 。根据以往的试验 ， 构件长径 比 接近 4的试验效果 比较好 。长径比太小则端部效应 明显， 长径比太大则构件容易失稳破坏圈 。试验构件 的截面尺寸及相关参数如表 1 所示 。 为了保证钢管与混凝土共同受力 ， 在试件两端 表 1 试验构件截面尺寸及相关参数 用 1 0 ra m厚的钢板焊牢。下端板于浇灌混凝土前焊 好 ， 兼作 浇混凝土的底模 ， 上端板 开直径 为 l O O mm 的圆孔 ， 供浇灌混凝土用。 1 2 试验用原材料 普通硅酸盐水泥， 强度等级为 3 2 5 ； 中砂 ， 细度 一 44一 模数为 2 5 ，堆积密度 1 5 0 0 k g m ； 5 - 2 0 mm连续级配 碎石 ， 堆积密度 1 6 3 0 k m。 ； 掺入适量减水剂 。 试件配 合比见表 2 。 1 _ 3 试验方法及数据测量 混凝土从钢管顶板预留的圆孔灌入 ， 用振捣棒 李月安 圆钢管混凝土受压短柱试验研究及有限元仿真分析 插入振实 ， 每次填人混凝土层 的高度约为 3 0 4 0 c m， 分层振捣 ， 振捣好一层后再浇注下一层 ， 直至把钢 管灌满为止 ， 最后用水泥砂浆将柱端抹平。试件在 室 内标准养护 2 8 d ，室 内温度为 2 0 2 ，相对湿 度 9 0 。 管 内混凝土强度 由同条件成型养护并与试 件 同龄期 的 1 5 0 ramx 1 5 0 mmx 1 5 0 m m立方体试验确 定_3 I 。 测量钢管纵 向应变 、 钢管环 向应变 、 构件侧 向 挠度及纵 向变形 、 荷载值等 。在钢管混凝 土达到标 准养护天数后 ， 进行应变片 的粘贴 ， 在每一试件 的 中截面对称地贴有 8片应变片 ， 应变片的粘贴位置 见图 1 所示。图中每一点上都有 2个应变片 ， 记录 数据时， 1 点的纵 向应变记为 1 Z ， 横 向应变记为 1 H。 为了测定试件的侧 向弯曲挠度 ， 在试件长度的 1 4、 1 2及 3 4处各设置一个位移计 ， 同时沿试件纵 向还 设置两个 电测位移计 以测定试件 的纵 向总变形 ， 见 图 2所示 。 4 0 2 图 1 应 变片粘贴 位置及加 载位置( 截 面观测 ) 应变片x 8 振弦应变计x 4 器 图 2 试验加载图和试验测量仪器装置 图 2试验 结 果分析 2 1 试件现象简述及分析 加 载初期 ， 试件处 于弹性受力阶段 ， 整体变形 及纵 向变形变化都不大 ， 随着荷载逐渐增加 ， 试件 开始发生侧 向挠 曲， 到达破坏荷载 时 ， 偏压柱发 生 较大侧向弯曲 ， 挠度急剧增大 ， 试件破坏 ， 破坏后 的 试件见 图 3 。 A短柱开始加载时 ， 上端截面位移略大 于 中截面位移 ， 到达极 限荷载 的 5 0 时 ， 中截 面位 移增长加快且大于上截面位移 ，破坏 时试件弯 曲， 面鼓起 ，面凹进 ； B短柱加载过程 中现象与 A 短柱类似 ， 但 中截面最大位移小于 A短柱 ， 在整个 加载过程 中， 面纵 向始终受压 ， 面纵 向始终受 拉 ， 且应变的最大值总是在面和 面。从破坏角 度来判断：如果靠近加载端的钢管首先受压屈服直 至破坏 即为小偏心受压试件 ， 如果远离加载端的钢 管首先受拉屈服直至破坏即为大偏心受压试件。因 此 ， 破坏 时， 对于大偏压来说 ， 破坏面在 面 ， 而对 于小偏压来说 ， 破坏面在面。结合实验所得数据 及破坏形态 ， 显示应变 的绝对最大值在 面 ， 所 以 A、 B短柱都为小偏压。 试件 A( 8 0 0 mm) 试件 B( 6 0 0 mm) 图 3 试件整体破坏形态 2 2 应变 曲线分析 ( 1 ) 纵向应变分析 纵 向应 变是 受压试件 的主要 变形且其规律性 比较强 ， 能较好地反映各受压试件的力学性能 ， 由 图 4可发现各试件的荷载一 纵 向应变 曲线都具有明 显的三个阶段 ： 线增 长阶段 ( 线弹性阶段 ) 、 非线性 增长阶段 ( 屈服阶段) 、 水平发展阶段( 破坏阶段) 。 试件的破坏是 由于钢管 的屈服造成的 ， 各试件 的屈服荷载约为极限荷载的 6 0 左右 ， 且此处有 明 显的拐点 ， 表明试件已进入弹塑性阶段 。钢管应力 进 入弹塑性 阶段后 ， 弹性模量 E不断减少 ， 而核心 混凝 土的模量并没有减少 ， 或减少不多 ， 这就引起 钢管与核心混凝土之间应力分配 比例不断变化 ， 混 凝土受力增加而钢管受力减小 ，荷载一 纵向应变关 一 45 2 0 1 2年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 9期 系偏离直线而形成过渡 曲线 ( 弹塑性阶段 ) 。 对于不 同长细比的圆柱 ， 在弹性范围内， 曲线基 本重合。此时 ， 构件 的长细 比不影响构件 的力学性 能。随着荷载的增大 ， 长细比较大的构件先进人屈 服阶段 ， 表明长细比较小的构件承载力略高于长细 比较大的构件。 ( 2 ) 环向应变分析 钢管对于混凝土的约束作用是 钢管混凝 土柱 极限承载力提高 的关键所在 ， 因此 ， 研究钢管环 向 应变发展对于了解约束作用机理是非常必要的。每 个试件环 向应变的测点共有四个 ( 1 H、 2 H、 3 H、 4 H) ， 测定各试件上的环 向应变。采用了应变最大点 2 H 一 1 5 o o 2 0 ( 一 纵 向 +6 0 0 ra m短柱 纵 向应变曲线 + 8 0 0 m m短柱 纵 向应变曲线 f J f l | l 1 一 ： _量霉霉； ， r 0 5 0 0 1 O 0 0 1 5 0 0 20 0 O A 的值来绘制曲线， 由图 4所知 ， 对于 8 0 0 mm试件 ， 钢 管对混凝土的约束作用发挥得十分有 限 ， 在钢管环 向应变达到钢管屈服应变后 ，试件就很快被破坏 ， 而对于 6 0 0 m m试件 ， 则要经过一段较长的过程试件 才被破坏。可见 ， 对于圆钢管混凝土短柱偏压构件 ， 长细比对钢管所起的约束作用影响显著。 ( 3 ) 挠度曲线分析 由图 5可见 ，挠度曲线可明显看到线性阶段 ， 对于同一试件 ， 中截面挠度 3 4截面挠度 1 4截面 挠度。在试验中采用 的是柱式的铰支座 ，因此 ， 3 4 截面挠度 、1 4截面挠度 。同时， 长细 比小的短柱挠 度要小 于长细比大的短柱 ，其破坏阶段相对滞后 ， 6 0 0 ram短柱 环 向应变 曲线 +8 0 0 ra m短柱 环 向应变 曲线 O 5 0 o 1 O 0 o l 5 o 0 2 O 0 o 环 向 图 4 试件荷载一 应变曲线 - -l ，4 截 面 1 0 l r s E 士一一 -I -3 NN 一二 I ，7 。- 4广 _= 一 搬 仨 二 一 0 n 5 0n 1 0 0 0 1 5 0 0 2 承载能力更强 ，混凝土与钢管协 同效应更为明显 ， 有着 良好的互补作用 ， 充分发挥了混凝土与钢材各 自的优点。 3 偏压短柱有限元仿真分析 3 1 有限元模型建立 混凝土材料采用 S o l i d 6 5单元模拟 ，该单元为 三维钢筋混凝土实体 5 ， 可用于模拟含钢筋或不含 钢筋的三维实体 。取弹性阶段的泊松 比为 0 2 混凝 土的破坏准则采用 Wi l l i a m w a r n k e五参数破坏准 则 ， 开 口裂缝剪力传递系数取为 0 5 ， 闭 口裂缝剪力 传 递 系数 取 为 1 0 。钢 管 采 用 八 节 点 实 体单 元 S o l i d 1 8 6模拟 ， 泊松 比取 0 3 ， 屈服应力取试验实测 值 ， 假定为理想弹塑性材料 。 一 46一 用有 限元法计算钢管混凝土构件时 ， 假定钢管 混凝土构件在受弯矩和轴力作用后 ， 截面仍保持为 平面 ； 钢管和混凝土的本构关系分别采用理想弹塑 性模型和 H o g n e s t a d模型 ；假设钢管与混凝土之间 不产生相对滑移， 完全粘结6 1 。 为 了使计算顺 利收敛及 钢管和混凝 土共同受 力 ， 在模 型的上 、 下端各 增加一 刚度很大 的厚度为 1 0 mm的钢板。由于钢管层对核心混凝土 的紧箍作 用随着荷载的增加而不断加强，使核心混凝土因径 向变形受到约束而处 于三 向受压状态 ， 建立整体 实体模型时 ， 以柱底面中心为原点 0， Z方 向为柱 的 纵 向方向。 外壁为圆钢管 ， 内部为混凝 土。 为合理地 模拟试验情况 ， 在钢板的两端都采用铰支座， 以 l 一 4 0 0 0 O O O O 0 咖 咖 咖 咖 咖 咖 0 7 6 5 4 3 2 1 0咖咖 咖咖咖咖咖 0 舢 一 一 一 一 1 1 l l 加 M j m 8 6 4 2 O 李月安 圆钢管混凝土受压短柱试验研究及有限元仿真分析 方向为 X轴 ， 2 3方 向为 Y轴 ， 沿钢管长度方向为 Z 轴 ， 约束 X、 Y方 向并在此端加载 ， 另一端约束 z方 向， 网格划分后的模型如图 6所示。 图 6钢 管 混 凝 土 有 限 兀 模 型 3 2 有限元模拟结果分析 分析图 7可知 ， 本次数值模拟所选取 的单元类 型 、 钢管及混凝土的本构关 系阎 和破坏准则 、 加载方 案等均是合理的。 由表 3可知 ， 数值模拟的极 限承载力 比试验数 据略小 ， 这是 由于在计算时对钢材的本构关系进行 了简化 ，而混凝土 的本构关系采用 的是经验公式 ， 在混凝土数值模拟 中， 为 了计算收敛 ， 关闭了混凝 土 的压碎功能 ，对于钢管与混凝土之 间的连接 关 系 ， 在模拟 中采用 的是直接粘和 ， 由于荷载步的长 度不能太小 ， 所 以真正 的极限荷载介于两个荷载步 之间 ， 说明关于钢管混凝土的一些假定是 可以用于 B短 柱 图 7 偏压短柱钢管 y o n m i s e s 应变分布图 表 3 试验结果 与 A N S Y S 计 算结 果 试件编号 极限承载力 k N 试验结果 A NS Y S计算结果 工程设计 中的。 4结 语 试验表 明， 偏心受压构件宏观破坏现象为试件 往荷载方 向弯曲 ， 荷载对立面有钢渣掉 落 ， 且能观 察到细微裂 缝 ， 伴有炸裂声 ， 破坏后 的弯 曲程度随 长细比的增大而增大 。在短柱范围内， 长细 比的差 别对 圆钢管混凝土试件的力学性能影响不大 ， 柱子 的长细 比不宜过大 ， 因为钢管对核心混凝土的约束 作用非常有限。在结构设计中 ， 应选择合理的荷载 布置形式 ，尽量避免大偏压状态 的存在 。根据荷 载一应变 曲线 ， 各 曲线均有 明显的直线段 ( 线弹性 阶段 ) 、 非线性段( 屈服 阶段 ) 、 水平发展段( 破坏阶 段) ， 符合基本力学原理 ， 钢管与混凝土能发挥 良好 的互补增强作用 ， 使钢管混凝土构件具有其他受压 构件无法 比拟的优点 建立三维精细有限元模型可知 ， 对钢管和核心 混凝土分块进行有限元分析 ， 可 以综合考虑核心混 凝土的三向受压状态 和钢 管层对核心混凝土的紧 箍作用 ， 两者对材料极限承载力和稳定极限承载能 力都有积极的作用 ， 忽视这种作用或将其作为安全 系数考虑是偏于保守的。数值模拟结果和试验结果 接近 ，说明采用大型通用有限元软件 A N S Y S对 圆 钢管混凝 土受压短柱进行三维有 限元模拟是可行 的， 数值模拟所选取的钢管及混凝土的破坏准则及 其本构关系是合理 的， 可以作为对圆钢管混凝土短 柱进一步理论研究的可靠基础。 参考文献： 1 1李鹏钢管高强混凝 土核 心柱受压性能试验与理论研 究 ： 硕士学位论文】 杭州 ： 浙江大学 ， 2 0 0 5 2 陈宝春 ， 王来永 ， 韩林海 ， 等 钢管混凝土偏心受压应力一 应 变试 验研 究 工程力学 ， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 6 ) ： 1 5 4 1 5 9 【 3 】 易伟 建 ， 张望喜 建筑结 构试验 北京 中国建筑 工业出版 社 ， 2 0 0 4 4 】 钟善桐 钢管混凝土结构 第三版 清华大学出版社 ， 2 0 0 2 5 】 江见鲸 ， 陆新征， 叶列平， 等 混凝土结构有限元分析 北 京 ： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 5 6 】 刘鹏 程 圆钢管 混凝土短柱 受压力 学性能试验 及有限元 研究 ： 【 硕士学位论文】 昆明 ： 昆 明理工大学 ， 2 0 0 7 7 】 徐兴 ， 程 晓东 ， 凌道 盛 钢管 混凝 土轴 心受压构 件极限承 载力的有限元 分析 固体力学学报 ， 2 0 0 2 1 2 ， 2 3 ( 4 ) ： 4 1 9 4 2 4 8 黄翔宇， 石少卿， 尹平， 刘颖芳 高强钢管混凝土短柱轴压 承载力试 验和有限元分 析 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 5 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 2 0 5 作者简介 ： 李月安 ( 1 9 6 7 一 ) ， 男 ， 讲师 。 联系电话 ： 1 5 3 9 1 5 8 2 9 1 3 E ma i l ： j x x ly a 1 6 3 c o m 4 7 一 一 一 一 一