不锈钢-混凝土-钢双臂管等效截面计算.pdf

5 2 低温建筑技术 2 0 1 5年第 1 1期( 总第 2 0 9期 ) DOI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i a w j z 2 0 1 5 1 1 0 1 9 不锈钢 一混凝土 一钢双臂管等效截面计算 卢召红 ， 闫亮 ， 张文福 ， 于慧敏。 ， 张光明 ( 1 东北石油大学 。 黑龙江大庆1 6 3 3 1 8； 2 中国石油大庆石化公 司。 黑龙江大庆1 6 3 7 1 4) 【 摘要l 不锈钢 一 混凝土 一 钢中空夹层组合管作为一种新型构件， 可用作水下输送管道、 框架柱 、 桥墩柱 等。这种新型结构形式充分的利用了钢与混凝土两种材料的优势。本文借鉴钢 一混凝土组合结构构件的基本假 定， 利用等效截面换算法将有效宽度内圆环形截面等效成工字型截面， 简化了计算过程及复杂性， 并为组合截面 研究提供计算依据。 【 关键词】 钢混组合结构； 中空夹层组合管 ； 等效截面换算法 【 中图分类号】 T U 3 9 8 9 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 1 1 0 0 5 2 0 4 E Q U A L E N T C R oS S - S E C T I O N C A L C UL AT I oN o F S T A L E S S STEEL CoNCRETE S TEEL HoLLoW SANDW I CH CoM PoSI TE P E L U Zh a o h o n g ，YAN Li a n g ，Z HANG W EN f u ，YU Hu i rai n ，Z HANG Gua n g mi n g ( 1 N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v ， H e i l o n g j i a n g D a q i n g 1 6 3 3 1 8 ， C h i n a ； 2 P e t r o C h i n a D a q i n g P e t r o c h e m i c a l C o m p a n y ， H e i l o n g j i a n g D a q i n g 1 6 3 7 1 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ： S t a i n l e s s s t e e l c o n c r e t e s t e e l h o l l o w s a n d wi c h c o mp o s i t e p i p e c a n b e u s e d f o r u n d e r w a t e r p i p e l i n e s， La me c o l u mns ， b rid g e pi e r a n d o t h e r c o l umn a s a n e w t y p e o f s t r u c t u r e Th i s n e w s t ru c t u r e c a n ma k e f u l l u s e o f t h e a d v a n t a g e s o f t h e t wo ma t e ria l s s t e e l a n d c o n c r e t e Th i s p a pe r u s e d for r e f e r e n c e t h e ba s i c a s s u mp t i o n o f s t e e l c o n c r e t e c o mpo s i t e s t r u c t u r e Us i n g t h e e q u i v a l e n t c r o s s s e c t i o n c o n v e r s i o n me t h o d t r a n s l a t e a n e q u i v ale n t c i r c u l a r c r o s s s e c t i o n o f t h e e f f e c t i v e w i d t h t o I - s h a p e d C R O S S s e c t i o n I t s i mp l i fi e s t h e c o mp l e x i t y o f c alc u l a t i o n s a n d p r o c e s s e s ， a n d p r o v i d e s t h e b a s i s f o r t h e r e s e a r c h o f t h e c o rn b i n a t i o n s e c t i o n Ke y wo r d s： s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e s t ru c t u r e s；h o l l o w s a nd wi c h c o mp o s i t e p i p e；e q u i v a l e n t s e c - t i o n a 1 c o n v e r s i o n me t h o d O 引言 不锈钢 一混凝土 一钢中空夹层组合管( 双臂管) 其截面形式如图 1 所示 。该管道通过钢材与混凝 土不 同材料之间的相互作用， 能够充分发挥两种材料的力 学性能。最外层不锈钢具有 良好的防腐和耐久性能， 作为水中悬浮管道或埋地管道， 对内部钢管具有良好 的保护作用。钢与混凝土之间协调工作， 取长补短。 混凝土的存在延后了钢材的鼓曲， 避免了钢构件的局 部失稳， 使其稳定性得以提升。双层钢管对混凝土起 到了的“ 套箍效应” ， 延迟了混凝土的开裂， 在一定程 度上提高了混凝土的抗压能力， 塑性和韧性得到了很 大改善。组合后的承载力要大于两者独立承载力 的简单叠加。这种结构形式可用作水下、 海底 、 跨越 式油气输送管道系统； 也可作为竖向受压构件， 作为 建 筑 的框 架柱 、 桥梁 结构 的墩柱 、 基础 桩及 海洋平 台 中的腿柱等主要受力构件。 E E c 形心轴 中和轴 图 1 中空夹层组合管截面形式 该组合结构截面形式 复杂， 承载力计算 比较繁 琐。本文采用等效截面换算法 ， 将两种组合材料截面 变换为一种材料构成 的组合截面。可简化计算过程 及复杂性， 用简支梁公式来处理组合构件的应力问题。 基金项 目】 国家 自然科学基金( 5 1 1 7 8 0 8 7 ) ； 黑龙江省教育厅科学技术研究项 目( 1 2 5 4 1 0 6 8 ) 卢召红等： 不锈钢 一 混凝土 一 钢双臂管等效截面计算 5 3 1 计 算模 型建立 在外层不锈薄钢受拉一侧边缘的应变达到屈服 强度之前 ， 截面的平均应变符合平截面假定。夹层混 凝土与钢之间存在水平位移。在受压区， 外侧薄钢局 部部分发生鼓曲之前， 混凝土和钢管之间的相对滑移 很小 ， 可以忽略不计 。外侧不锈钢在受压 区边缘发 生鼓 曲局部失稳后， 忽略薄钢板的抗压承载力贡献， 认为受压承载力由混凝土和内侧钢管承担， 本文提出 如下假定 ： ( 1 ) 钢 材和混 凝 土均 为各项 同性 的线弹性 体 ， 在小变形条件下 ， 平截面假定仍然成立 ， 双材料组成 的横截面绕一个共 同的中性轴转动 。 ( 2 ) 先 滑移 假定 。不考虑 钢 管 、 薄 钢层 与混 凝 土之 间的滑移影 响 ， 两者之 间变形协调 。 ( 3 ) 不考 虑受 拉 一侧混 凝 土 的抗 拉力 贡献 ， 即 认为混凝土抗拉力 =0。 ( 4 ) 受压区最外层钢板受压承载力忽略不计。 截面 由两种 材料 钢 和混 凝 土组 成 。设 最外 层 不 锈钢和 内部 钢 管 的材 料 性 能 相 同， 截 面 面积 分 别 为 A 、 A ： ， 弹性模量 E ，=E =E ， 中和轴以上受压区混 凝土截面面积为 A ， 弹性模量为 E 。外层不锈钢厚 度为 t ， ， 混凝土夹层厚度为 h。 由基本假定 ， 小 变形 条 件 下利 用平 截 面 假定 ， 两 种材料将绕同一中性轴转动， 截面极限应力状态时应 变如 图 2所示 。 轴 t ， I JI c 0 | 嘞 E 图2 截面极 限应力状态时应变图 临界状态 时 ： 8 = 0 0 03 3 1=f e s 式中， 为钢材的极限强度值。 ( 2 ) 2 截面抗弯刚度换算 按变形前后构件的抗弯刚度相等， 进行截面换 算 ， 将有效宽度内圆环形截面等效成工字型截面。如 图 3所示 。 图 3 内圆环形截面等效成工字型截面图 等效前 ， 混凝土受压区截面应变和等效后工字型 截面应变相等， 且截面所受荷载相等。设等效后上翼 缘钢梁截面面积 A ， 则有 ： E A +E A =E A T ( 3 ) 式中， A 为等效前受压区混凝土截面面积； E 。 为 混凝土弹性模量； E 为钢材弹性模量 ； A 为等效前受 压区内部钢管有效截面面积 ； A 为等效后钢梁有效 截面面积 。 = 0 0 03 3 c 。+ 一h s2 = =-再。 占 “ 4 = J y ( 5 ) s 一E L ) J 由公式 s ( 3 ) 、 ( 5 ) 可得 ： =垡 ( 6 ) 式 ( 6 ) 包含 了等效后上翼缘宽度 b 和厚度 两 个未知量 ， 则有 ： A =b h ( 7) 确定等效后下 翼缘 的钢梁 截 面面积 A 。由基 本 假定及等效前后应变相等， 承载力相等 ， 有 ： E。 A l l+E A以 s 2=E AT ( 8 ) 式中， A 。 为等效前受拉 区外侧钢板有效截面面 积 ； s 。 为等效前受拉区外侧钢板应变值 ； A 为等效前 受拉 区内部钢板有效截 面面积 ； 为等效前受拉 区内 部钢板截面应变值 ； A 为等效后受拉 区翼缘截面面 积 ； 占 为等效后受拉区翼缘应变值； E 为钢材弹性 模量 。 8 A= ， E s 羞 = l l 卢召红等： 不锈钢 一 混凝土 一 钢双臂管等效截面计算 5 5 薄钢采用 S H E L L 6 3单元。试件的有限元整体模型见 图5 。钢材与混凝土之间的约束拉杆采用两节点线单 元 ， 并 假 设 核 心 混 凝 土 与 钢 管 及 拉 杆 之 间 不 发 生 滑移 。 不同荷载作用下， 采用有限元方法计算等效前截 面的挠度和公式计算结果进行对比， 结果见表 1 。 表 1 等效前后构件挠度对比 由表 1分析可得， 等效前后两种结构形式的挠度 大致 相等 ， 证 明了本文所得等效公式 的正确性 。 5结语 本 文所 分 析 的不 锈 钢 一混凝 土 一钢 中空 夹层 组 合管可广泛应运用油气管道、 土木工程等领域 ， 具有 良好 的工程应用前景 。 采用等效截面换算法， 进行等刚度换算。把不锈 钢 一混凝土 一钢 中空夹层组 合管等 效成 工字 型截 面。 建 立 了等效截面法 的计算公式 。 采用有限元数值分析方法对本文提出的等效截 面换算公式进行验证。对等效前后截面刚度进行对 比分析， 发现等效前后刚度大致相等， 误差在允许范 围内。该公式具有很好 的可靠性 。 参考文献 1 U e n a k a K， K i t o h H C o n c r e t e fi l l e d d o u b l e s k i n t u b u l a r me mb e l 8 s u b j e c t e d t o b e n d i n g J S t e e l a n d C o m p o s i t e S tr u c t u r e s ， 2 0 0 8， ( 8 ) ： 2 9 7 3 l 2 2 康希良， 程耀芳 ， 张丽， 赵鸿铁 钢管混凝土粘结 一 滑移本构 关系理论分析 J 工程力学 ， 2 0 0 9 ， ( 1 ) ： 7 47 8 3 张文福 ， 赵文艳 ， 张素梅 方钢管混凝 土双 向压弯截面非 线性 分析算法 J 黑龙江工程学院学报 ， 2 0 0 1 ， ( 2 ) ： 1 3 1 6 4 聂建 国 唐亮 魏茂林 钢 一混 凝土组 合粱扭转 的组合作 用分 析 J 工业建筑 ， 2 0 0 8 ， ( 3 ) ： 3 1 3 4 5 陈曦， 周德源 五种本构模型在钢管混凝土有限元中的比较 J 工程力学 ， 2 0 0 9， ( 6 ) ： 1 1 61 2 1 6 卢召红 ， 张光明等 碳 纤维钢 筋混凝 土梁 开裂性 能分析 J 低 温建筑技术 ， 2 0 1 3， ( 5 ) ： 4 1 4 4 7 谷利雄 ， 丁发兴等 钢 一混凝土组合 简支梁滞 回性能非 线性 有限元分析 J 工程力学 ， 2 0 1 3 ， ( 1 ) ： 3 0 1 3 0 6 收稿 日期 2 0 1 50 8 0 6 作者简介 卢召红( 1 9 7 6一) ， 男 ， 山东临沂 人 ， 副教授 ， 研究 方向 ： 混凝土结 构、 钢 一混凝土组合结构 。 ( 上接 第4 7页) 4结语 ( 1 ) 频谱分析结果表明， 教学楼加固后在各种 工况下所测试得到的主振频率明显高出教学楼加固 前 ， 这表明防屈曲耗能支撑可以与结构同时承担地震 作用， 提高原结构的抗侧刚度， 保证结构的安全性。 ( 2 ) 本工程采用 防屈 曲约束支 撑加 固来 改变原 有结构 的受力体 系 ， 使其偏 向于框 架 一耗 能支 撑结 构 体 系 ， 结 构抗 震性 能得 到较 大 的提 高 ， 采用 防屈 曲支 撑体系的减震效果能达到预期的抗震设防 目标。 ( 3 ) 防屈 曲耗能支撑作为一种耗能减震技术 ， 耗能效率高 ， 稳定性好， 其充分利用了钢材的材性 ， 使 钢材 的延性 和材料 强度得到充分发挥 。 ( 4 ) 防屈曲耗能支撑用于结构加固具有明显的 优势 ， 特别是刚度较差 的结构， 防屈 曲支撑在提高结 构 刚度的同时又能控制 结构 刚度提高 幅度 ， 从 而减 小 结构地震力增加的幅度， 减少构件的加固量。 ( 5 ) 采用防屈曲约束支撑加固， 与传统的加 固 方案比较能减少湿作业 ， 施工周期短 ， 经济合理， 施工 方便 ， 且防屈曲支撑的外观和截面大小对建筑的使用 影响小， 便于后期的维护和更换。 参考文献 1 吴克川， 陶忠， 胡大柱 ， 等 屈曲约束支撑在玉溪一中教学楼抗 震加固 中的应用 J 建筑结构 ， 2 0 1 4， 4 4 ( 1 8 ) ： 9 41 0 0 2 张来仪， 景瑞 结构力学( 上册) M 北京：中国建筑工业出 版社 ， 2 0 0 9 3 朱伯龙结构抗震试验 M 北京 ： 地震 出版社 ，1 9 8 9 4 姚振刚 ， 刘祖华 建筑结构抗 震试验 M 上海 ：同济大学 出 版 ，1 9 9 6 5 F E MA 4 5 0 N e h r p r e c o mm e n d e d p r o v i s i o n s f o r s e i s mi c r e g u l a t i o n s f o r n e w b u i l d i n g s a n d o t h e r s t r u c t u r e s Fe d e r a l Eme r g e n c y Ma n - a g e me n t Ag e n c y， 2 0 0 3 收稿 日期 2 0 1 5 0 8 0 5 作者简介 王林 ( 1 9 9 0一) ， 男 ， 四川富顺人 ， 硕士研究 生 研究方 向： 工程结构减震控制 ， 检测鉴定加固。