圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱工作机理的研究.pdf

2 0 1 1年第 2期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 1 21 文 章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 2 - 0 1 2 1 - 0 4 圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱工作机理的研究 黄 宏 ， 杨 超 ， 张安哥 ( 华 东交通大学 土木建筑学院 ， 南 昌 3 3 0 0 1 3 ) 摘要 ： 利用有限元软件 A B A Q U S建模 ， 计算 了圆钢 管混凝土受不等端弯矩偏压 时的荷载一 变形全过程 关 系曲线 ， 计算结果与试验结果符合 良好。在验证 了有限元软件对此类构件模拟的正确性基础上， 对此 类构件 的工作机理进行 了分析 ， 并考察 了端弯矩比、 偏心距、 长细比、 名义含钢率、 钢材和混凝土强度对 圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱力学性能的影响规律。研究表明， 端弯矩 比对构件受力性能有显著影 响 ； 偏心距、 长细比、 名义含钢率、 钢材和混凝土强度对构件 的影响与其对等端弯矩偏压柱的影响类似。 关键词 ： 圆钢管混凝土 不等端弯矩 有限元承载力 机理 中图分类 号 ： T U 3 9 2 3 文献标 识码 ： B 圆钢管混凝土具有承载力高 、 延性好等优越的力 学性能 ， 还具备施工方便及造价经济合理等工程优点 ， 近年来在高层建筑和桥梁中得到广泛应用。实际结构 工程中， 一般钢管混凝土构件均为偏 心受压状态 ， 因 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 9 0 1 ； 修 回日期 ： 2 0 1 0 - 1 1 - 1 0 基金项 目： 国 家 自然 科 学 基 金 ( 5 1 0 0 8 1 2 2) ； 江 西 省 自然 科 学 基 金 ( 2 0 0 9 G Z C 0 0 2 3 ) 作者简介 ： 黄宏( 1 9 7 7 一 ) ， 女， 江西樟树人 ， 副教授 ， 博士。 此 ， 对钢管混凝土偏压构件进行研究具有实际工程意 义。对于钢管混凝土偏压柱 ， 根据顶端和底端弯矩的 异同， 可分 为等端 弯矩偏 压柱和不等端弯矩偏压柱。 本文拟对圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱进行研究。 以往针对 圆钢管混凝土等端弯矩偏压力学性能的 研究较多 ， 而对其不等端弯矩偏压力学性能 的研究 则相对较少 。其 中， 刘殿忠 进行 了 2 7个 圆钢管 混凝土柱的不等偏压试验研究 ； 蔡绍怀和顾维平 进 的荷载阶段基本上保持平面 ， 脱空后的偏心受压钢管 混凝土构件还具有 良好的延性。 2 )在加载的初期 ， 混凝土脱空对构件横 向变形影 响不大； 在加载的后期 ， 同样 的荷载作用下 ： 脱空率越 大， 挠度越大； 偏心率越大 ， 挠度越大； A式加载比 B式 加载的挠度要大。 3 )核心混凝土脱空会 降低钢管混凝土偏压构件 极限承载力， 脱空率越大 ， 极 限承载力 降低越多 ， 脱空 率与承载力之间呈非线性关 系； 脱空后的钢管混凝土 极限承载力随偏心率增大而降低 ， 当脱空率较小时， 因 核心混凝土脱空引起的承载力折减随偏心率 的改变而 变化较小； 钢管混凝 土短柱因脱空引起 的极限承载力 降低程度 ， A式加载比 B式加载严重 ； 脱空对长柱极限 承 载力 的影 响远 比短柱 小 。 参 考 文 献 1 陈宝 春 钢 管混 凝 土 拱 桥 M 北 京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 20 07 2 韩林海 钢管混 凝土结 构理 论与 实践 M 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 4 3 钟善桐 钢管混凝土结构 ( 第 3版 ) M 北 京 ： 清华 大学 出 版社 ， 2 0 0 2 4 R O E D E R C W C o m p o s i t e a c t i o n i n c o n c r e t e fi l l e d t u b e s J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 9 ， 1 2 5 ( 5 ) ： 4 7 7 4 8 4 5 陈宝春 钢管 混凝 土拱 桥应 用与研 究 进展 J 公 路 ， 2 0 0 8 ( 1 1 )： 5 7 6 6 6 涂光 亚 ， 颜东煌 ， 邵 旭东 脱粘对 桁架式 钢管混凝 土拱桥受 力性 能的影 响 J 中国公路学报 ， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 6 ) ： 6 1 - 6 6 7 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 承载能力分 析 J 华 中科技 大学学报 ( 城市 科学 版) ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 2 ) ： 4 7 5 1 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 重庆交 通大学 学报 ( 自然 科学版 ) ， 2 0 0 8 ， 2 7( 3) ： 3 6 0 3 6 5 9 叶跃忠 混 凝土 脱粘 对钢 管混凝 土 中、 低 长柱 性能 的影 响 J 铁 道建筑 ， 2 0 0 1 ( 1 0 ) ： 2 5 1 0 中国工程建设标准化协会标准 C E C S 2 8 ： 9 0 钢管混凝土 结 构设 计与施工规程 S 北京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 1 9 9 0 1 1 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构 M 北京： 人民交通出版 社 ， 2 0 0 7 ( 责任审编 白敏华) 1 2 2 铁道建筑 行 了2 7个两端弯矩不相等的无侧移钢管混凝土框架 柱的试验研究 ； K i l p a t r i c k和 R a n g a n 进行 了 2 5个高 强 圆钢管混凝土柱的不等偏压试验研究 。另外 ， 丁发 兴 利用模型柱法对此类构件的承载力进行了计算 。 尽管以往研究者在圆钢管混凝土不等端弯矩偏压 柱力学性能试验研究方面取得 了一些进展 ， 但对其工 作机理的理论研究 尚少见报道。本文拟采用有限元软 件 A B A Q U S对圆钢管混凝土不等端弯矩偏 压柱的荷 载一变形关系全过程进行计算 ， 并与其他研究者 的大 量试验结果进行对 比， 用 以验证有 限元软件 A B A Q U S 模拟圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱受力的正确性和 可行性， 在此基础上 ， 通过典型算例从构件的荷载一变 形全过程曲线和对其受力性能的影响因素等方面对此 类构件进行分析 ， 以期从理论方面深入认识 圆钢管混 凝土不等端弯矩偏压柱的工作机理。 跨中挠度u m m m ( a ) 试件S C - 1 8 1 有限元模型计算 根据圆钢管混凝土不等端弯矩偏压构件的几何与 荷载边界条件 的不对称性 ， 取全结构模 型进行计算 。 其有限元计算模型， 包括材料模型 、 单元类型和界面接 触等参见文献 6 7 。为验证有限元法计算 的合理性 与可行性 ， 对文献 2 - 4 中的 7 9个圆钢管混凝土不等 端弯矩偏压柱的试验进行了模拟 ， 图 1给出有限元对 文献 4 中部分 算例荷载一跨 中挠度 曲线 的计算 结 果。可见计算曲线的斜率 比试验结果略偏小 ， 承载力 和下降段曲线与试验结果符合较好 。图 2给出了承载 力计算结果 ( N ) 与试验结果 ( N ) 的比较情况， 其 比值 ( N 。 N ) 的平均值为 0 9 2 8 ， 均方差为0 0 5 3 。可见 ， 有 限元计算结果与试验结果整体符合较好 ， 在本文计算 端弯矩 比在(一1 ， 1 ) 范围 内， 采用有 限元法对 圆钢管 混凝土不等端弯矩偏压柱的计算是可行的。 跨中挠度u m m m ( b ) 试件S C - 2 3 重 图 1 一“ 试验 曲线与计算 曲线的 比较 图 2 承载力试验与计算结果 的比较 2荷载一变形全过程分析 为了更好地了解 圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱 受压工作机理 ， 这里以典型构件为例对其进行分析。 所选典型算例的基本参数为 ： D= 4 0 0 m m， t =1 0 m m， = 4 0 0 0 m m； 采 用 C 6 0混凝土( = 6 0 M P a ) 和 Q 3 4 5 钢材( = 3 4 5 MP a ) ； 端弯矩 比 =一1 ( 卢=M M， ， 其 中 和 为构件两端弯矩， 需满足 l I f I ) ； 偏心率 e 。 r =0 5 ( e 为 对应 的偏 心距 ， e =1 0 0 mE， r =D 2 ) 。 图 3为典型构件荷载一纵向应变全过程 曲线 ， 为 便于论述 ， 曲线上取 了三个特征点， 分别是： 点为钢 管即将进入屈服 阶段的点； B点为构件达到极限承载 力的点 ； C点为纵向应变达到1 0 0 0 0 微应变的点。图4 为典型构件沿柱高各特征点处对应挠度 曲线。图 5为 各特征点处跨中截面混凝土纵向应力分布情况 ， 应力 $ 3 3代表纵向应力 ， 图5中， 为混凝土圆柱体抗压强 度。图 6为各特征点处钢管的纵向应力分布 云图， 应 力 $ 2 2代表钢管管壁纵 向应力。下面结合 图 3一图 6 7 0 0 0 6 0 0 0 5 0 0 0 至4 0 0 0 毫3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 图 3 典型构件 荷载( ) 一纵 向应变( s ) 全过程曲线 l 窟 - 3 0 -1 0 1 0 3 O 5 0 7 O u mm 图 4 典型构件沿柱高 ( 日) 各特征点处挠度 ( “ ) 曲线 对荷载一变形全过程曲线的三个阶段进行描述： 1 )O A段 ： 如图 3和图 4所示 ， 在此低荷载阶段 ， 构件荷载一纵 向应变曲线基本呈直线关系， 钢管与混 2 0 1 1 年第 2期 圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱工作机理的研究 ( a ) A 点 ( b ) B 点 ( C ) C 点 图 5 跨 中截面核心混凝 土各特征点处的纵向应力 等值线分 布( 单位 ： MP a ) 凝土均处于弹性阶段。加载过程中 ， 跨 中截 面核心混 凝土全截面处于受压状态， 如 图 5( a ) 所示 ， 核心混凝 土纵向应力分布较均匀 ， 为 2 0 MP a左右。如图 6 ( a ) 所示 ， 在 A点处 ， 钢管仅在顶端出现很小范 围的拉应 力区， 其余部分受压 ， 纵向拉应力仅为 3 2 MP a ， 钢管底 端纵 向压应力为 3 4 4 5 MP a ， 即将进入屈服。 2 )A B段： 在此阶段， 构件各点挠度曲线呈反对称 波形 ， 反弯点位于柱的半高或其附近， 如图 4所示。混 凝土纵向应力继续增 长， 但未达到 圆柱体抗压强度 ( =5 1 MP a ) ， 应力等值线大幅转动 ， 如 图5( b ) 所示。 此时， 钢管拉应力 、 压应力 区都 已进入塑性 阶段 ， 钢管 纵向拉应力、 压应力同时增大 ， 压应力区域逐渐减小 ， 拉应力区域逐渐扩展 ， 扩展到纵 向截面 的 1 2 ， 如图 6 ( b ) 所示 。 3 )B C段 ： 在 点之后 ， 随着荷载的增大 ， 挠 曲线 的反对称性消失 ， 反弯点 向加载方向漂移。随着荷载 的逐渐增大 ， 更进一步导致沿柱长刚度分布的不对称 性加剧 ， 从而反弯点的漂移也随之进一步加剧 ， 如 图 4 所示。在此阶段 ， 随着反弯点的变化， 跨中截面混凝土 出现一部分纵向应力值增大 ， 而另一部分纵 向应力值 有减小趋势， 钢管纵 向应变增长缓慢 ， 构件变形加剧 ， 如 图 5 ( C )和 图 6 ( C ) 所示 。 图 6 各特征点处横 向力作用面钢管 的纵 向应力 ( $ 2 2 ) 分布云图( 单位： MP a ) 3 影 响因素分析 3 1 端弯矩比的影响 研究表明， 端弯矩比对构件受力性能有显著影响 ， 对于端弯矩 比从 一1到 1变化时 ， 构件承载力逐渐减 小， 延性降低， 如图7所示。图 8给出了构件达到极限 承载力后 ， 承载力下降了 2 5 后的各点沿柱 高的挠度 曲线。结果表 明， 在其它条件相同时， 所有构件均朝同 一 侧弯曲， 随着端弯矩比从 一1到 1变化 ， 构件各点的 最大挠度逐渐增大， 最大挠度点由靠近最大偏心距的 一 端逐渐 向中点移动 ； 对于端弯矩 比为 1的构件 ， 即为 等端弯矩偏压构件时 ， 构件沿跨中截面对称， 挠 曲线呈 明显的正弦半波。产生这一现象的原因是 ： 随着端弯 矩 比从 一1到 1变化， 构件承受的最大弯矩 由柱端 向 跨 中移动， 构件挠度增大 ， 因此 ， 二 阶效应对构件承载 力的影响越来越显著 ， 导致构件承载力下降。 7 0 0 0 6 0 o 0 5 0 0 0 Z 4 0 0 0 窆3 0 0 0 20 o 0 l 0 0 0 矗=0 8=0 5 8= 1 0 0 4 0 0 0 8 0 0 0 1 2 0 0 0 s 1 O 图 7 端弯矩 比对荷载 ( ) 一纵向应 变( ) 曲线的影 响 4 3 3 菩 1 一B=- 1 0 一 B=- - 0 5 8=0 一 3 ：0 5 =1 0 图 8 构件各点沿柱高 ( 日) 的挠度( “ ) 曲线 3 2 偏心距 e 。 的影响 图9为偏心距 e 。 不 同的圆钢管混凝土不等端弯 矩偏压荷载一纵 向应变关系计算 曲线 ， e 的变化范 围 图 9 偏心距 ( e ) 对荷载( N ) 一纵 向 应变 ( 8 ) 曲线 的影 响 1 2 4 铁道建筑 为 5 02 0 0 mm。结果表 明， 在其它条件相同时 ， e 对 曲线斜率的影响 比较明显， 随着 e 的增加 ， 承载力峰 值点下降， 下降段曲线更为平缓。 3 3 长 细 比的影响 图 1 0为长细比A不同的圆钢管混凝土不等端弯矩 偏压荷载一纵向应变关系计算曲线 ， A的变化范围为 2 0 1 2 0 。结果表明， 在其它条件相 同时， 随着 A的增加， 荷载一纵向应变曲线上升， 构件的后期延性降低明显。 8 0 0 0 7 0 0 0 6 0 0 0 7 5 0 0 0 3 4 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 ， 二 2 = 2 8 一 8 O A 1 2 0 0 4 0 0 0 8 0 0 0 1 2 0 0 0 X1 0 6 图 1 0 长细 比( A ) 对荷载 ( ) 一纵 向 应变 ( s ) 曲线 的影 响 3 4名义 含钢率 的影 响 图 1 1为不同的名义含钢率 O L 时 ， 圆钢管混凝土不 等端弯矩偏压荷载一纵向应变关系计算曲线 ， O 的变 化范围为 0 0 50 2 0 。结果 表明 ， 在其 它条件 相 同 时 ， 随着 的增加 ， 承载力峰值点提高 ， 后期延性差别 不 大 。 图 1 1 名义含钢率 ( a ) 对荷载( N ) 一纵 向 应变 ( ) 影 响曲线 3 5钢 材 强度 的影 响 图 1 2为不 同的钢材 强度 条件下 ， 圆钢管混 凝土 不 等端弯矩偏压荷载一纵 向应变关系计算 曲线 ， 结果表 明， 在其它条件相同时， 其对构件受力性能的影响规律 与名义含钢率类似。 1 00 0 0 8 0 0 0 Z 60 0 0 毫 4 0 0 0 2 0 0 0 。 、 = 腑 P 。 L = 3 4 5 M P a 一 2 3 5MP a O 40 0 0 8 0 0 0 1 2 0 0 0 ， 1 0 0 图 1 2 不 同钢材强度 ( ) 的荷 载( ) 一纵 向 应变( ) 影响曲线 3 6 混 凝土 强度 的影 响 图 l 3为不同的混凝土强度条件下 ， 圆钢管混凝土 不等端弯矩偏压荷载一纵 向应变关系计算 曲线 ， 混凝 土强度的变化范围为 C 3 0一C 9 0 。结果表明， 在其它条 件相同时 ， 随着混凝土强度 的提高 ， 其承载力提高 ， 延 性降低。 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 图 1 3 混凝土强度 ) 对荷载 ( ) 一 纵向 应变 ( s ) 曲线 的影 响 4 结 语 1 )利用有限元软件 A B A Q U S建模计算得到的圆钢 管混凝土不等端弯矩偏压柱荷载一变形关系曲线与文献 中的试验结果符合 良好， 表明本文计算方法是可行的。 2 )结合混凝土和钢管的纵 向应力分布 图对端弯 矩 比 =一I 的典型构件进行分析 ， 分析表 明： 构件跨 中截面混凝土始终承受纵向压应力， 而钢管的纵 向截 面应力分布始终分为拉应力区和压应力区， 在构件达 到极限承载力的同时， 纵 向截面拉应力 区和压应力 区 钢管均进入屈服 ， 较充分发挥 了钢管的材料强度。 3 )端弯矩比对圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱有 显著影响， 端弯矩 比从 一I 到 I 变化时， 构件二阶效应增 加， 导致构件承载力显著下降， 变形增加， 延性降低。 参 考 文 献 I 韩林海 钢 管混 凝土结 构理 论 与实践 ( 第二版 ) M 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 7 2 刘殿忠 在不等端 弯矩作用 下钢管混 凝土偏压 柱稳定承 载 力的计算 J 哈尔滨建 筑工程学 院学报 ， 1 9 8 6 ， 1 9 ( 1 ) ： 1 8 2 5 3 蔡绍怀 ， 顾维平 弯矩分布图形对 钢管混凝 土无侧移柱 承载 能力 的影响 J 建 筑结 构学 报 ， 1 9 9 0， 1 1 ( 5 ) ： 1 8 4 K I L P A T R I C K A E ， R A N G A N B V T e s t s o n h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u m n s J A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 1 9 9 9， 9 6 ( 2)： 2 6 8 2 7 4 5 丁发兴 圆钢管混凝 土结构受力性能 与设计方法研究 D 长沙 ： 中南大学 ， 2 0 0 6 6 黄宏 ， 张安哥 方 中空夹层钢管混凝土轴压构件工作机理研 究 J 铁道建筑， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 1 0 7 1 0 9 7 黄宏 ， 杨超 ， 张安哥 ， 等 圆钢管混凝土不等偏压的有限元计 算 J 华东交通大学学报 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 6 ) ： 1 1 1 5 ( 责任审编 白 敏华)