钢管混凝土构件自应力及承载力分析研究.pdf

2 0 1 5年 第 9 期 ( 总 第 3 1 1期) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 1 1 ) 混 凝 土 Con c r e t e 混凝土制品 CoNCRETE P R0DUCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 9 0 3 5 钢 管混凝 土构件 自应 力及承 载力分析研 究 王腾 。杨鑫 。 周茗如 ， 魏晓军 ( 兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ) 摘要： 介绍了钢管混凝土的受力特征 ， 然后 ， 在确定 了钢材和核心混凝土应力 一应变关系模型的基础上 ， 利用有限元软件 A B A Q U S建立了钢管混凝土力学性能模型， 通过 A B A Q U S软件模拟得出了各构件荷载位移全 曲线， 以及各个构件 的承载力状 况。 最后 ， 把模拟结果与试验结果进行了对比。 结果表明， 该有限元模型可以很好地模拟钢管混凝土中核心混凝土 自应力及承载 力工作机理。 关键词： 钢管混凝土 ； A B A Q U S ；自应力 ； 承载力 中图分类号 ： T U 5 2 8 7 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 1 2 6 0 4 S t u d y on s e lfs t r e s s a n d b e a r i n g c a p a c i t y o f c on c r e t e f i l l e d s t e e l t u b e c o mp o n e n t WANG T e n g， Y ANG Xi n， Z HOU Mi n g m ， WE IXi a o j u n ( Ke y La b o r a t o r y o f Di s a s t e r P r e v e n t i o n a n d Mi ti g a ti o n i n C i v i l E n g i n e e ri n g o f Ga n s u P r o v i n c e ， L a n z h o u Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， La n z h o u 7 3 0 0 5 0， C h i n a ) Abs t r ac t： I t p r e s e n t e d a s t u d y o n the me c h a n i c a l b e h a v i o r o f c o n c r e t efil l e d s t e e l t u b e Fi r s t b rie fly i n tro d u c e d t he c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e me c h a ni c a l c h a r a c t e ris t i c s The n t h e s tr es ss t r a i n r e l a ti o n s h i p o f s t e e l t u be a n d c o n c r e t e c o r e wa s i d e nti fie d a n d a fin i t e e l e me n t mo d e l o n t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r o f c o n c r e te fi l l e d s t e e l t u b e wa s d e v e l o p e d u s i n g AB AQUS L o a dd i s p l a c e me n t wh o l e p r o c e s s c u r v e a n d b e a r i n g c a p a c i t y s t a t u s o f e a c h c o mp o n e n t we r e g o t thr o u 曲 u s i n g AB AQUS s o ft wa r e B a s e d o n t h e c o mp a ri s o n b e t we e n t h e r e s u l t s f r o m fin i t e e l e me n t a n a l y s i s mo d e l a n t e s t s Th e r e s u l t s s ho w tha t t h e fin i t e e l e me n t mo d e l c a n we l l s i mu l a t e s e l fs t r e s s o f c o r e c o n c r e t e a n d b e a rin g c a p a c i t y wo r k i n g me c h a ni s m i n c o nc r e t e fil l e d s t e e l t u b e Ke y wo r d s： c o n c r e t efi l l e d s t e e l tube ； ABAQUS ； s e l f s t r e s s ； b e a r i n g c a p a c i t y 钢管混凝土就是 向钢管 内灌入混凝 土， 形成钢管与混 凝土共同作 用 的机 理 ， 其实质 是钢 管对 核心混凝 土 的约 束 。 在钢管与混凝土的相互作用过程 中， 核心混凝 土在钢 管的约束下 ， 产生套箍作用 ， 造成核 心混凝土处于 三向受 压状态 ， 从而提高了混凝土 的压缩变形 能力和抗压强度 。 同时 由于钢管和混凝 土之 间的相 互作用使钢管 内部 混凝 土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏 ， 构件 的延性性能 明 显改善 ， 而钢管借助核心混凝 土的支撑作用 ， 增强 了其稳 定性 ， 改变了空钢管 的失稳 状态 ， 从 而提高 了构件 的承载 能力 。 由于混凝土本身存在收缩徐变等现象 ， 造成实际工程 中出现混凝土与钢管壁脱 空导致紧箍力出现太迟的现象 。 采用膨胀水泥或加入膨胀剂后， 在膨胀作用下钢管的套箍 作用会使混凝土提前进入( 三向受压状态， 笔者在 施工技 术) ) 2 0 1 4年第 8期第 1 5卷 大管径钢管膨 胀混凝 土 自应 力试验研究 中对膨胀 剂的掺量做 了详细分 析和 比较 ， 最 终选定建议膨胀剂掺量为 1 0 。 在此条件 下 ， 本 研究通 收稿 日期 ： 2 0 1 4 一l 2 一O 6 基金 项 目 ： 国家 自然科 学基金项 目( 5 1 4 6 8 0 3 9 ) 1 2 6 过 A B A Q U S软件分析了钢管混凝土 的自应力及承载力状 况 ， 同时利用现场试验对模拟结果进行 了验证 。 1 A B A Q U S模型建立 1 1 混凝 土升温应力 一应 变关 系 韩林海 等根据对钢管混凝 土柱耐火极 限试 验结果 的试算 ， 发现可 以采用 常温下的表达式 ， 来描述混凝 土在 恒高温受压情况下的应力 一 应变关系模 型 ， 从 而提 出了高 温下钢管混凝 土 的应力 一应变关 系。 笔者采用 A B A Q U S 软件并结合现场试验多次模拟试算 ， 发现要达到相应 的膨 胀效果所应施加 的温度 荷载通 常在几 十摄 氏度 ， 远 小 于 2 0 0 o C。 笔者通过将模拟的核心混凝土温度值 带人韩林海 提 出的钢管混凝土升温本构模型 中， 发现其峰值应力 与极 限应变大小和常温下的钢管混凝土相差很小。 所以为了方 便研究钢管混凝土构件承载力 ， 本研究所研究的核心混凝 土升温膨胀时的应力 一应变关系采用 常温下 的混凝土应 力 一 应变关系。 本研究采用文献 4 给出的应力 一应变关系模 型 ， 具 体模型表达式如式 ( 1 ) ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表4 A B A QU S模拟分析结果汇总 而 C 5 0混凝土构件极限应变减小量分别为 2 3 O 、 3 1 7 ； ( 3 ) 同一混凝土构件套箍系数随钢管壁厚的增大而增 加 ： ( 4 ) 在不考虑膨胀作 用下 ， C 4 0混凝土构件 随套 箍系 数 的增加极 限承载力提高 4 3 4 ， 而 C 5 0混凝土时构件随 套箍系数 的增加极 限承载力提高 3 7 _ 8 ； ( 5 ) 在考虑膨胀作用下 ， 当温度上 升 1 0 、 2 0 、 4 0时 ， C 4 0混 凝 土 构 件 极 限 承 载 力 分 别 提 高 4 2 3 、 4 1 2 ， 3 9 1 ， 而 C 5 0混 凝 土 构 件 极 限承 载 力 则 分 别 提 高 了 3 6 9 、 3 5 9 、 3 4 3 3 试验 结果及 分析 3 1试 验 模 型 根据上文分析可知随温度升 高 C 4 0混凝 土与 C 5 0混 凝土的应变减小量接近 ， 但 C 4 0混凝土极 限承载力 比 C 5 0 混凝土提高大 ， 所 以本研究建立的试验模 型宜选用 C 4 0 混 凝土 ( 混凝土配合比见表 5 ) 。 钢管选用直径 为 1 5 0 0 r l L 1T I ， 壁厚 5 0 mm， 高 6 0 0 m m 的空心钢管 。 在钢管表面 1 2高度 处贴轴向及环 向应变片 ， 采用 D H 3 8 1 6静态 电阻应变仪测 取应变值 ， 同时钢管内同一高度处埋人振 弦式混凝土应变 计 。 混凝土测点布置见图 3 。 1 2 8 、 卜 1 1 2 l 1 _ 1 1 一 。 3 图3测点布置及编号 4 表 5 C A0混凝土试验配合比 说明： 2 8 d 强度是圆柱体强度。 3 2试 验 结 果 钢管 内半径 a= 7 0 0 m n l ， 外半 径 b= 7 5 0 mn l ， 钢管弹 性模量 E 。 = 2 0 6 G P a ， 。 = 0 2 8 3 ； 膨胀混凝 土弹性模 量采 用胡曙光等 建议的： =( 0 2 8 8 ， c +1 7 8 7 )X 1 0 MP a ， x 。 = O 1 7 3 。 钢管及混凝 土应变以浇筑开始前所测值 为基准进行计算 。 钢管及混凝土温度 、 应变变化见图 4 。 图4可见 ： 混凝土应 变在混凝土浇筑 2 4 h后达到最低 值， 然后开始快速增长， 5 7 d左右达到峰值， 之后开始出 现小幅下降。 在 1 4 d 左右开始保持稳 中略降的趋势。 从 图 中可见 ， 混凝土应变变化可分为三个阶段 ： 发展期 、 衰减期 和稳定期。 其 中发展期将维持 7 d左右 ， 在此 阶段 随着混 凝土膨胀力的增 长 ， 钢管对混凝土 的套箍力 也随之增 大， 同时由于混凝 土本身进 行着 收缩徐 变， 导致 出现应 变衰 减。 在 2 5 d 后 ， 钢管对混凝土的套箍力与混凝 土膨胀力达 到平衡 ， 此时应变进入 了稳定期 。 同时 ， 由于试验构件纵 向 未施加约束 ， 所 以纵向应变略大于径向应变。 表 6可见 ： 测点不 同时 ， 混凝土 自应力有所差异 ， 但变 化不大 。 而核心混凝土环 向应变大 于轴向应 变 ， 与前文模 拟结果类似 ， 证 明混凝土受径 向应力影响较大。 表 7可见 ： 随温度的升高 ， 核心混凝 土 自应 力与 紧箍 应力有所提高 ， 但测点不 同时 ， 混凝土 自应力亦有所 差异 ， 但变化也不大。 表 6 混凝土膨胀应力计算结果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 6 O 1 2 O 8 0 4 0 。 一4 0 8 0 一 l 2 O 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 龄期， d ( a ) 混凝土温度变化 0 4 8 l 2 1 6 2 0 2 4 2 8 龄 期， d ( c ) 混凝土应变变化 3 2 2 8 24 趟 赠 2 0 l 6 I 2 0 ： ； 兰6 0 謇 5 。0 1 0 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 时间， d ( b ) 钢管表面温度变化 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 时问， d ( d ) 钢 管表 面应变变 化 图4试验试件温度及应变变化曲线 表7 考虑温度影响下紧箍力计算结果 4 结 语 本研究采用 A B A Q U S软件建立的钢管混凝土力学性 能模型进行常温下核心混凝土升温膨胀模拟 。 通过温度加 载 ， 得到钢管及核心混凝土的应力分布状况。 然后为验证模 拟结果进行了现场试验 ， 通过测取钢管表面及核心混凝土的 应变及温度变化 ， 采用圆筒在 内压及温度作用下的拉梅计算 式及应变能计算式， 分析计算 了钢管应力及混凝土 自应力 。 经过软件试算结果与现场试验数据对比发现试验计算值与 软件模拟值吻合较好。 证 明本研 究非线性有 限元理论模型 可用于进一步研究钢管混凝土构件的工作机理分析。 参 考文 献 ： 1 周茗如， 魏晓军， 郭中宇 大管径钢管膨胀混凝土 自应力试验 上接第 1 2 5页 2 周维 再生混凝土及再生砌块在绿色建筑中的应用分析 J 绿 色建筑 ， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 6 1 6 2 3 谢静静， 朱平华， 李美娟 再生混凝土保温砌块性能研究 J 混 凝土与水泥制品 ， 2 0 1 3 ( 1 1 ) ： 5 5 5 8 - 4 3 白国良， 张锋剑 ， 安昱峄， 等 再生混凝土砌块抗压强度和配合 比试验研究 J 建筑结构， 2 0 1 0 ， 1 2 ： 1 2 8 1 3 0 ， 1 3 4 5 安昱峄， 张锋剑， 李晓文， 等 再生混凝土砌块抗折强度影响因 素分析 J 砖瓦 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 2 6 2 9 6 刘建龙， 张海平 自保温多孔砌块在夏热冬冷地区的热工性能 研究 J 新型建筑材料， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 4 7 7 李厌繁 从一小砌块混凝土配制强度经验计算式谈起应 正确区分普通混凝土小砌块和普通混凝土的强度等级 J 砖 研究 J 施工技术， 2 0 1 4 ， 8 ( 1 5 ) ： 5 0 5 3 2 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构( 修订版) M 北京 ： 人 民交通 出版社， 2 0 0 7 ： 3 4 ， 3 5 3 6 3 韩林海 钢管混凝土结构一理论与实践 M 北京： 科学出版 社 ， 2 0 0 7 ： 6 6 6 8 4 王秀丽， 韩雯 微膨胀钢管混凝土膨胀性能与极限承载力试验 研究 J 兰州理工大学学报， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 1 ) ： 1 O一1 6 5 杨有福 ， 韩林海 混凝土密实度对矩形钢管混凝土短柱力学I性 能影响研究 J 工业建筑， 2 0 0 4 ， 3 3 ( 1 ) ： 9 1 5 6 魏晓军 大管径钢管膨胀混凝土塔柱力学性能研究 D 兰州： 兰州理工大学 ， 2 0 1 3 7 胡曙光， 丁庆军 钢管混凝土 M 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 7： 4 65 0 8 沈聚敏， 王传志， 江见鲸 钢管混凝土有限元与板壳极限分析 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 1 9 9 3 第一作者： 联系地址 ： 联系电话 ： 王腾( 1 9 8 6一) ， 男， 博士 ， 研究方 向： 主要从事建筑材 料及建筑结构的研究。 兰州市七里河区兰州理工大学校本部( 7 3 0 0 5 0 ) 1 8 91 9 0 7 5 0 4 6 瓦 ， 2 0 1 2 ( 1 0 ) ： 4 0 4 6 8 中国建筑科学研究院 J G J 1 3 4 2 O 1 0 ， 夏热冬冷地区居住建筑 节能设计标准 s 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 1 1 9 3陈利群， 杨伟军 多排孔混凝土空心砌块热工参数计算方法研 究 J 砖瓦， 2 O L O ( 3 ) ： 2 1 2 4 第一作者 ： 张海镇( 1 9 9 2一) ， 男 ， 硕士研究生 ， 研究方向 ： 工程材 料和工程结构。 联 系地址： 西安市碑林区雁塔路 1 3号 西安建筑科技大学土木工 程学院( 7 1 0 0 5 5 ) 联 系电话 ： 1 8 7 0 2 9 7 1 1 0 9 1 29 O 6 2 8 4 O 6 2 8 、 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m