脱空钢管混凝土偏心受压有限元分析.pdf

2 0 1 1 年第2期 广 东 公 路 交 通 G u a n g D o n g G o n g L u J i a o T o n g 总第 1 1 6期 文章编号 ： 1 6 7 1 7 6 1 9 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 1 1 0 4 脱空钢管混凝土偏心受压有限元分析 唐 述 ，刘夏平 ，刘仰韶 ( 1 广州大学土木工程学院， 广州5 1 0 0 0 6 ； 2 ， 广东华路交通科技有限公司， 广州5 1 0 4 2 0 ) 摘要： 介绍了脱空钢管混凝土偏心受压有限元建模方法， 提出了偏心受压脱空钢管混凝土考虑脱空率影响的核 心混凝土应力 一 应变关系， 并利用 A N S Y S程序对不同脱空率和偏心率的脱空钢管混凝土短柱进行非线性有限 元计算。计算结果表明， 脱空率和偏心率的增大明显地削弱了钢管对核心混凝土的套箍作用。最后， 将计算结 果与现有试验研究成果进行对比分析 ， 两者的结果总体上吻合较好。 关键词： 钢管混凝土；脱空率；偏心受压；应力应变关系；有限元分析 中图分类号： U 4 4 1 5 文献标识码 ： A O 概述 钢管混凝土结构因其抗压强度高、 抗震性能 突出、 施工方便等优点， 在工程结构中得到了广泛 的应用。然而， 在工程实践中， 部分钢管混凝土拱 桥拱肋内的混凝土由于多种原因往往不能很好地 与钢管壁粘结而出现脱空现象 J 。拱肋在大多 数情况下处于偏心受压状态， 因此， 了解和掌握偏 压下脱空钢管混凝土力学行为成为结构发展中急 需解决的课题之一。 目 前， 国内外脱空钢管混凝土偏压试验开展较 少， 部分学者采用现代计算机技术建立起考虑几何 非线性和材料非线性的脱空钢管混凝土计算模型来 研究其力学性能 J ， 但大都采用完好的三向受压 核心混凝土本构模型 ， 与实际情况不符。本文将提 出偏心受压下脱空钢管混凝土考虑脱空率对套箍作 用影响的核心混凝土应力 一 应变关系， 利用大型通 用有限元软件程序 A N S Y S ， 对不同脱空率和偏心率 的钢管混凝土短柱进行建模计算， 分析脱空率对构 件力学性能的影响。最后， 将计算结果与现有试验 研究成果进行对比， 两者吻合较好， 为后续开展相关 研究以及工程设计提供有益的参考。 1 有限元模型的建立 1 1 单元类型 本文拟采用的脱空钢管混凝土偏心受压加载方 式如图1 所示。有限元分析模型由4部分组成： 钢 管、 核心 昆 凝土、 设置在两端为保证两者共同受力的 刚性垫板和设置在两刚性垫板一侧以形成偏心的条 形刚垫层。核心 昆 凝土采用 S o l i d 6 5 单元模拟； 钢 管、 刚性垫板和条形刚垫层采用 S o l id 4 5 单元模拟。 图 1 加 载方 式 1 2 材料本构关系 脱空钢管混凝土偏心受压时的工作行为比较复 杂 ， 正确选择 钢管和核心混凝 土的本构关系， 对于 A N S Y S 模拟计算结果至关重要， 关系着计算结果的 准确性及收敛陛。钢材的单轴应力一 应变曲线一般 可简化为线弹性段、 非线性弹性段、 塑性段、 强化段 和二次塑流五个阶段 J 。为了简化分析， 本文钢管 采用三段理想弹塑性模型 J ， 如图2 所示。 图2 钢材本构关系 作者简介：唐述( 1 9 8 6 9一) ， 硕士研究生， 研究方向为桥梁结构性能评估与试验研究。E m a i l ： t a n g s h u 7 8 7 1 6 3 c o rn l 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第2期 广东公路交通 总第 1 1 6 期 当 0 s 1 时： = E 6 ( 1 ) 当 s l 2 时 ： = ( 2 ) 当 s 2 1 0 ( 5 ) 式中， e r 为偏心率； e 、 r 。 分别为偏心距和核 心 昆 凝土截面半径。 脱空钢管混凝土轴心受压构件的试验研究表 明， 脱空率 ( =A 空 A， A 空为混凝 土脱空面积 ， A 为核心t 昆 凝土截面面积) 对构件的延性影响较小， l 2 但对构件的强度有明显的影响。脱空率引起核心 混凝土受力面积和三 向受力状态的变化 ， 削弱 了 钢管对核心混凝土的套箍作用。脱空率越大， 这 种削弱作用也越大。当核心混凝土的应力 一 应变 关系采用一维形式表达、 考虑钢管与混凝土相互 作用时， 脱空率对套箍力的这种削弱作用应该在 应力 一 应变关系中得到反映。 本文采用在关系式( 4 ) 中引人脱空率修正系 数来考虑套箍力的削弱作用， 修正后的套箍指标 为： d =k , k d ( 6 ) 其中， 为脱空率修正系数。文献 的试验 数据显示， 脱空率 与k 基本为线性关系， 因此可 建立轴压下脱空钢管混凝土套箍指标折减函数： k d =一9 0 3 #+ O 7 9 9 1 ( 7 ) 将公式( 4 ) 中孝 用 亭 替代， 即为偏心受压脱 空钢管混凝土考虑脱空率影响的核心混凝土应力 一 应变关系。 图3 给出了不同脱空率、 不同偏心率下提出 的核心混凝土应力 一 应变关系曲线( 其中 = 0 、 e r e = 0 所对应的曲线为文献 模型) 。 6 0 5 O 。 2 。 l O 0 0 3 0 O 0 6 0 O 0 9 0O 0 1 2 0 0 0 1 1 e ( ) Q 2 3 5 钢 ， C 5 0 混凝土、 e r = O 2 5 3 6 0 5 0 。 2 o 1 O 0 0 3 0 00 6 0 00 9 0 o o 1 2 0 0 0 u e ( b ) Q 2 3 5 钢， c 5 o 混凝土 = 0 6 8 图3 核心混凝土应力 一应变曲线 1 3 单元的破坏准则和屈服准则 本文中 s o l i d 6 5 混凝土单元的破坏和开裂准则 采用 的是 t b ， c o n c r ， m a t n u m 定 义 的 Wi ll a m Wa m k e r 五参数模型， 五个参数的确定主要反映在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 2 期 唐述， 刘夏平， 刘仰韶脱空钢管混凝土偏心受压有限元分析 总第 1 1 6 期 S o li d 6 5 单元参数的选取上。考虑到混凝土偏压 下容易开裂 ， 而混凝土开裂 后还能继续 承担一定 的荷载， 为了使程序在计算时不至于过早 的出现 破坏而终止计算 ， 本文的单轴抗拉强度适当取大 些 圳 。 钢管单元采用 A N S Y S中的塑性选项 一多线性 随动强化模型( M K I N ) 来模拟钢材的应力应变关 系 ， 应用 V o n Mi s e s屈服准则 ， 即当应力达到屈服 强度时， 钢材屈服进入塑性阶段。 1 4 边界条件 脱空钢管混凝土有限元分析中， 为考虑钢管 与混凝土间的相互作用， 引人非线性接触单元， T a r g e l 7 0 模拟 3一D的“ 目标面” 和 C o n c t 1 7 3模 拟“ 接触面” ， 摩擦系数取为0 6 。在脱空钢管混凝 土底部的条形刚垫层 ， 将三向位移全部约束 ， 顶部 条形刚垫层加载轴 向位移 。 2 计算结果与分析 三维模型有限元结果表明， 在不同的荷载阶段， 截面基本上保持平面， 试件的横向变形曲线近似为 半波正弦曲线， 如图4 所示。随着荷载的增加， 脱空 侧钢管产生了一定程度的凹陷， 当加载到极限荷载 时， 此处因应力应变过大而最先破坏， 如图5 所示。 图 4脱空钢管混凝土极限荷载下纵向位移图 图5脱空钢管混凝土钢管 V o n M i s e s应变图 2 1 脱空率的影响 图6为不同脱空率下中截面 1 # 测点( 见图 1 ) 荷载 一 纵向应变曲线图。所有试件的荷载 纵向 应变曲线都由线性增长、 非线性增长和水平发展 三个阶段组成， 无下降阶段。曲线的水平发展阶 段通常较长 ， 说 明脱空后 的偏心受 压钢管t 昆 凝 土 构件具有 良好的延性 。 同时， 加载初期试件的应变呈线性增长， 不同 脱空率的荷载 一应变曲线在此阶段几乎重合， 说 明脱空率对试件此阶段的影响不大。这是因为在 初始荷载阶段， 混凝土的横向变形系数小于钢管 的泊松 比， 钢管与混凝土之间不会发生挤压 ， 无套 箍作用； 当加载到了后期， 曲线进入非线性发展 后， 斜率随脱空率的增大而减小， 说明未脱空构件 中的受压边缘 混凝 土和钢 管之 问互 相接触， 产生 套箍作用， 而脱空构件 中， 随着脱空高度的增大， 钢管和混凝土之间由于空隙增大 ， 接触面减小 ， 套 箍作用减弱， 导致了中截面最大纵向压应变随脱 空率的增大而增大。 0 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 5 0 2 0 0 0 0 2 5 0 3 0 0 0 0 纵 同垭 蹙 e 图6 不同脱空率截面荷载 一 纵向应变图 2 2 偏心率的影晌 图7是脱空高度为 4 ， 偏心为 2 0 、 4 O 、 6 O下的 脱空钢管混凝土中截面 1 # 测点的荷载 一 纵向应变 曲线图。 1 6 0 1 4 0 1 2 0 9 , 0 0 2 8 O 6 0 鬟 4 。0 0 0 5 0 0 0 l 0 0 00 l 5 0 0 0 2 0 0 0 0 2 5 0 0 0 纵向应变u e 图7 不同偏心率截面荷载 一 纵向应变图 从图中可以看出， 脱空率一定时， 偏心率越 小， 荷载 一 纵向应变曲线的初始斜率越大， 极限承 1 3 0 兮 善 【 一 杯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 2期 广东公路交通 总第 1 1 6期 载力也越大 ， 其非线性 的发展历程 越短。加载 的 后期， 在同样的荷载作用下， 纵应变均随偏心率的 增大而明显增大， 换言之， 外侧钢管对内填混凝土 的紧箍作用随着偏心率的增大而减弱， 这与无脱 空的钢管混凝土的规律是一致的 。 3 试验校 核 文献 阐述了一批脱空钢管混凝土偏心受压 试件的试验情况 。为验证本文 A N S Y S模型的正确 性 ， 选取表 I中的试件与本文的计算值进行对比。 图8中列出了部分脱空钢管混凝土短柱在不 同脱空率， 不同偏心率下的荷载 一 纵向应变曲线 计算值与试验值的比较图。从图中可以知道， 总 体上计算值与试验值吻合较好。在弹性阶段， 计 算值与试验值几乎相同； 进入塑性阶段， 计算值变 化相对 比较平缓光滑 ， 部分试验值 出现 了台阶状 。 加载后期， 部分试验试件出现了下降段， 而所有计 算试件没有出现下降段， 导致后期试验值与计算 值有一定的偏差。 笔者认为造成这 种情况 的原 因是 多方面 的。 试验的误差、 实际加载模型和计算模型的差别， 以 1 5 0 0 茎 9 0 60 鬟 3 0 O 1 4 0 1 2 0 1 0 0 喜 8 0 6 0 辅 4 0 柱 2 0 O 及 A N S Y S参数的选取在一定程度上导致这种情 况。但值得注意的是试验中构件产生变形， 这种 变形在前期是微小的， 当加载到后期时， 构件的变 形会随着荷载的增加而迅速增大。加载端和约束 端形成偏心 的刚垫 板和刚垫层 ， 无 法适 应这种变 形而在后期会使实 际的偏 心率随着荷载的增大而 不断增大， 但计算中则不会出现这种情况。 表 I 试件参数表 注： 试件编号中第一组数字为初始偏心距 e 。 ( r I l m) ， 第 二组数字为脱空高度 h ( mm) 。 o 5 0 0 0 2 氍 0 0 2 0 0 0 0 2 5 00 0 。 0 。 器 馏 筮 0 。 。 5 0 。 0 。 。 0 o。 。 0 o。 韪 0 0o 0 。 5 0 o o 喜 。 40 鬟2 0 O O 5 00 0 1 0 0 0 0 1 5 00 0 20 0 0 0 0 5 00 0 1 00 0 0 1 50 0 0 2 0 00 0 纵向应变 e 纵向应变u 图 8 荷载应变曲线的比较 4 结语 本文根据脱空钢管混凝土受压的受力特点， 提出了偏心受压脱空钢管混凝土考虑脱空率影响 的核心混凝土应力 一 应变关系， 并进行了有限元 计算。计算结果表明， 脱空钢管混凝土在偏心受 压下， 随着脱空率的增加会在脱空侧产生凹陷， 但 在一定的脱空高度下， 钢管混凝土偏压柱仍具有 较好的弹塑性工作性能和延性性能； 脱空率和偏 1 4 心率对脱空钢管混凝土荷载 一 应变关系都有一定 的影响， 其中偏心率的影响较大， 承载力随偏心率 增大而下降较快。最后， 将计算值与试验值的荷 载 一 纵向应变曲线进行 了对比分析， 表明两者在 前期吻合较好， 后期试验值出现了下降段而计算 值没有出现。总体来说， 两者结果相差不大， 验证 了本文提出的核心混凝土模型的可行性和可信性。 ( 下转第 1 8页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 2期 广东公路交通 总第 1 1 6期 3 结论 ( 1 ) 为提高广深高速太平立交 一 五点梅路段 的通行能力， 改善太平立交北行左出口处的安全 隐患， 减少交通交织。实施左出口改为右出口是 十分必要和紧迫的。 ( 2 ) 经综合比较， 方案一较好地结合了项 目的 特点， 为项 目实施的可行性提供了必要的依据； 方 案二能彻底解决车辆交织问题， 也提高了行车安 全性； 但沿线拆迁量大， 占地多， 且涉及水源保护 区， 方案实施的可行性小； 方案三较好地结合了地 方立交改造工程， 但通行能力不足， 达不到改造的 目的； 方案四仅分流了部分交通流， 不能彻底解决 车辆交织等问题； 因此推荐方案一为改造方案。 ( 3 ) 方案设计时应充分考虑影响区域内相关路 网的建设规划， 做好相应交通量预测分析， 并考虑方 案实施的可行陛， 提出适合项目 特点的改造方案。 参考文献： 1 公路路线设计规范 J T G D 2 0 2 0 0 6 S 北京： 人 民交通出版社， 2 0 0 6 2 东莞市虎门镇虎门立交改造工程可行性研究报 告 R 深圳： 深圳市市政设计研究院有限公司， 2 0 1 0 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 4 2 2 ) Re c o n s t r u c t i o n De s i g n f o r Le f t Ex i t Ra mp o f T a i p i n g Ov e r p a s s o f Gu a n g S h e n E x p r e s s wa y A G O i n g x i a n ( G u a n g d o n g H i g h w a y D e s i g n I n s t i t u t e C o ， L t d ， G u a n g z h o u 5 1 0 5 0 7 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ba s e d o n t h e r e c o n s t r u c t i o n o f s e c ti o n b e t we e n T a i p i n g I n t e r c h a n g e a n d W u d i a n me i I n t e r c h a n g e o f Gu a n g s h e n E x p r e s s wa y，f o u r d e s i g n s c h e me s h a v e b e e n p o i n t e d o u t T h r o u g h c o mp r e h e n s i v e c o mp a ris o n，S c h e me No 1 h a s ma d e f u l l u s e o f t h e b r o a d e n p r o j e c t ， h a s t o t a l l y c h a n g e d l e fl s i d e e x i t t r a ff i c f l o w t o H u me n d i r e c t i o n t o r i g h t s i d e e x i t ， w h i c h c a n c o o r d i n a t e t h e e xit s t y l e o f o t h e r i n t e r c h a n g e s o f Gu a n g S h e n E x p r e s s w a y，s o t h e c ros s i n g p r o b l e m o f t h i s s e c t i o n h a s b e e n r e d u c e d a n d t h e t r a ffi e a c c i d e n t s o f t h i s e x i t h a v e b e e n r e d u c e d Ke y wo r d s ：R o a d w o r k ； I n t e r c h a n g e ；R a m p Re c o n s t ruc ti o n ； P roj e c t d e s i g n ( 上接第 l 4页) 参考文献： 1 童林 ， 夏桂云 钢管混凝土脱空的探讨 J 公路 2 0 0 3 ， 5 ( 5 ) ： 1 51 9 2 林春姣， 郑皆连， 秦荣钢 钢管混凝土拱肋混凝土 脱空研究综述 J 中外公路 ， 2 0 0 4， 2 4 ( 6 ) ： 5 4 5 8 3 纪洪广， 张贝贝 有脱空缺陷的钢管混凝土短柱 承载力分析 J 科研开发 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 5 9 6 2 4 孙庆新， 杨冬波 基于 A N S Y S的脱空钢管混凝土 拱桥极限承载力分析 J 华中科技大学学报 ( 城市科学 版 ) ， 2 0 0 9， 6 ( 2 6 ) ： 4 7 9 0 5 韩林海， 钢管混凝土结构 M 北京 ： 科学 出版 社 ， 2 0 0 0 6 C h e n W F ， C h e n C H A n a l y s i s o f c o n c r e t e fi U e d s t e e l t u b u l a r b e a m c o l u m n s A p r o c e e d i n g s f o r b ri d g e a n d s t r u c t u r e e n g i n e e ri n g C Z u ri c h ： i n t e rna t i o n al a s s o c i a t i o n f o r b rid g e a n d s t r u c t u r a l e n g i n e e rin g1 9 7 3 3 75 2 7 陈宝春， 王来永， 欧智菁 ， 韩林海 钢管混凝土偏 心受压应力 一应变关 系模型研究 J 中国公 路学报 ， 2 0 0 4， 1 7 ( 1 ) ： 2 ， 4 2 8 8 杨世聪 ， 王福敏， 渠平 核心混凝土脱空对钢管混 凝土构件力学性能的影响 J 重庆大学学报 ( 自然科学 版) ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 3 6 03 6 7 9 付小超 薄壁钢管混凝土柱轴心受压性能的研究 D 南昌： 南昌大学 ， 2 0 0 8 1 O 胡明 考虑泊松比和弹性模量变化的钢管混凝 土有限元分析 D 沈阳： 沈阳工业大学， 2 0 0 8 1 1 陈宝春， 王来永， 欧智菁 ， 韩林海 钢管混凝土偏 心受压应力 一应变试验研究 J 工程力学 ， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 6 ) ： 1 5 41 5 9 1 2 X i a p i n g L i u ， S h u T a n g ， C h u n h u i t ang ， Z u o y o n g Ya n g，Z h u o S u n R e s e a r c h o n t h e c a p a c i t y o f s e p a r a t i o n c o n - c ret e fi l l e d s t e e l t u b e s s u b j e c t e d t o e c c e n t ri c c o m p r e s s i o n o n s e p ara t i o n s i d e J I C S B M 2 0 1 1 ， 1 6 8 1 7 0 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 4 0 2 ) No n l i n e a r F i n i t e El e me n t An a l y s i s o f Ee c e n t r i e all y Lo a d e d S e p a r a t e Co n c r e t e F i l l e d S t e e l Tu b e s T ANG S h u U Xi ap i n g ，L I U Y a n gs h a o ( 1 C o l l e g e o f C i v i E n g i n e e r i n g ， G u a n g z h o u U n i v e r s i t y ，G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ， C h i n a ； 2 G u a n g d o n g H u al u C o m m u n i c a t i o n s T e c h n o l o g y C o ， L t d ， G u a n g z h o u 5 1 0 4 2 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h i s a r t i c l e d e s c rib e s t h e fin i t e c l e me n t mo d e l o f e c c e n t ri c a l l yl o a d e d s e p ara t e c o n c r e t efi l l e d s t e e l t u b e s A s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n o f c o r e c o n c r e t e i s p r e s e n t e d i n wh i c h t h e c o n f i n e me n t e ffe c t o f s t e e l t u b e t o c o r e c o n c r e t e i s mo d i fie d b y s e p a r a - t i o n r a t i o T h e n fi n i t e e l e me n t a n aly z e d mo d e l s we r e mo d e l e d b y AN S YS w i t h d i ffe r e n t s e p a r a t i o n r a ti o an d e c c e n t r i c r a ti o T h e r e s ult s s h o w e d t h a t t h e s e p ara t i o n r a t i o a n d e c c e n t ric r a t i o e ff e c t s i g n i fic a n t l y t o the c o n fi n e me n t e f f e c t o f s t e e l t u b e t o C o r e c o n c r e t e A t l ast ，c o mp a r i s o n w a s c a r rie d o u t b e t w e e n w i t h t h e c a l c u l a t i o n an d t h e r e s u l t s o f t e s t ，t wo r e s u l t s a g r e e d we l 1 Ke y wo r d s：c o n c r e t e-fi ll e d s t e e l t u b e s ；s e p a r a t i o n r a ti o； e c c e n t r i c c o m p r e s s i o n ；s t r e s s-s t r a i n r e l a ti o n s h i p ；fi n i t e de me n t a n a l y s i s 1 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m