钢管混凝土柱施工模拟分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 1 年第 l 2期( 总第 1 6 2期 ) 钢管混凝土柱施工模拟分析 周江 ( 同济大学建筑 工程系 上海2 0 0 0 9 2 ) 【 摘要】 根据钢管混凝土的施工特点， 引入合理的计算假定 ， 运用 A N S Y S软件建立有限元模型， 分析了管 内混凝土在未结硬前对空钢管的影响， 为今后开展钢管混凝土施工分析提供新思路。 【 关键词】 钢管混凝土； 施工分析； A N S Y S 有限元分析 【 中图分类号】 T U 3 7 5 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 1 2 一 O O 4 4 0 3 CoNS TRUCT I ON S D江ULATI oN ANAL YS I S OF CoNCRETE F I LLE D S TE EL T UB E Z HO U J i a n g ( D e p a r t me n t o f B u i l d i n g E n g i n e e ri n g ， T o n i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t o t h e c o n s t r u c t i o n c h a r a c t e ri s t i c o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e，d u e t o s o me r a t i o n a l a s s u mp t i o n s ，t h i s p a p e r fou n d fi n i t e e l e me n t mo d e l b y ANS YS，a n a l y s e d t h e e ff e c t f r o m we t c o n c r e t e t o the s t e e l t u b e，w h i c h c a r r i e s o u t n e w i d e a s f o r f u t u r e r e s e a r c h Ke y wo r d s ： c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e；c o n s t ruc t i o n a n a l y s i s ；A NS YS fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s 钢管混凝土柱在高层建筑的应用越来越多， 而现在的 建筑结构设计 ， 一般只通过软件本身的施工模拟( 如 P K P M 中的模拟施工加载 1 ， 模拟施工加载 3 ) 粗略地考虑施工阶 段对结构性能的影响， 很少进行施工专项分析。对于钢管 混凝土结构， 在施工过程中， 空钢管不但要求承受上部结构 的恒载及施工荷载如图1 所示， 在灌注混凝土过程中还要承 受湿混凝土的侧向压力， 在形成钢管混凝土之前 ， 空钢管中 已经有了一定的初应力与初变形。混凝土浇注过程中对空 土边缘构件配筋砌体墙片有较好的滞回耗能能力。 ( 3 ) 墙片的刚度退化。将循环荷载下每次循环顶点 的割线刚度定义为等效刚度， 由墙片滞回曲线获得的等效 刚度随变形的增加而减小。在墙片进入通常所说的弹塑性 阶段之前墙片的刚度就有一定程度的降低， 当墙片第一条 裂缝出现时的开裂刚度约为弹性刚度 的4 5 6 0 ， 达到 极限荷载时， 墙片刚度退化更加严重 ， 此时的刚度平均仅为 弹性刚度的 1 0 ， 如图5所示。 1 6 0 _ 吕 2 0 至 8 0 畏4 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 o 0 荷载 k N 图5 抗弯墙片的刚度退化曲线 3 结语 通过两片带混凝土边缘构件墙片的抗弯试验， 可知： 带混凝土边缘构件的配筋砌体墙片的刚度对其变形和地震 作用有着重要意义， 但 目前对此研究较少， 需要作较深入的 试验研究及分析； 带混凝土边缘构件的配筋砌体墙片具 有饱满的滞回曲线， 能够很好的吸收耗散能量， 表现出较好 的抗震性能； 带混凝土边缘构件的配筋砌体墙片刚度退 化比配筋砌体抗震墙的慢， 并且具有更好的延性性能。 参考文献 1 G B J 1 2 9 9 0 ， 砌体基本力学性能试验方法标准 s 2 G B 5 0 0 0 3 2 0 0 1 ， 砌体结构设计规范 s 3 孙恒军 配筋砌体基本力学性能及墙片抗震性能的试验研究 D 上海： 同济大学土木工程学院， 2 0 0 2 4 何明春， 程才渊带混凝土边缘构件的配筋砌体剪力墙抗弯 性能的有限元分析 J 佳木斯大学学报， 2 0 1 0 ， 2 8 ( 5 ) ： 6 8 4 5 ( 1 8 层砼小型砌块配筋砌体建筑工程试验研究 课题组 1 8层 砼小型砌块配筋砌体建筑工程试验鉴定资料 Z 1 9 9 8 6 杨伟军 混凝土砌体配筋砌体抗震墙研究及砌体结构可靠性 分析 D 长沙： 湖南大学， 2 0 0 0 7 朱伯龙 钢筋混凝土非线性分析 M 上海： 同济大学出版社， 1 9 8 5 收稿日期 2 0 1 1 0 8 一 l 2 作者简介 陶倍林( 1 9 8 6一) ， 男， 河南叶县人， 硕士， 研究方 向 ： 砌体结构抗震 。 周江 ： 钢 管混凝 土柱施工模拟分 析 4 5 钢管会产生静水压力与泵压， 在实际工程中已经有了由于 没有考虑或没有充分考虑钢管混凝土的施工力!学性能而出 现的工程事故 。本文通过 A N S Y S建立空钢管施工阶段 的有限元模型， 分析了混凝土灌注高度、 板件宽厚比、 柱中 间约束等参数对钢管混凝土柱施工性能的影响。 组 平静水压力 图1 钢管混凝土施工阶段受力示意图 1 分析模型 1 1 计算假定 为便于分析， 钢管混凝土柱的施工模拟分)昕可以基于 如下假设 ： 假定空钢管在施工阶段处于弹性阶段； 不 计湿混凝土与钢管壁之间的粘滞摩擦力， 因为这种摩擦力 会因混凝土性能的不同而不同， 采用泵送混凝土时， 一般要 先用水泥浆进行润管 ， 摩擦力已经有所减小； 混凝土考虑 泵送浇灌， 即从下向上顶升， 暂时不考虑泵送时的动压力影 响； 湿混凝土的静水液体压力大小为 P= p h ； ( 施工阶段 的分析计算时， 管内流态混凝土不承受弯矩、 剪力及轴压 力， 只能传递液压力。 1 2 边界条件 钢管混凝土根据钢管截面形式可以分为圆钢管混凝土 和方钢管混凝土， 对于 圆钢管混凝土结构在环向静压力作 用下， 钢管环 向受拉， 环向压力不会产生可观的侧 向变形。 而对于方钢管混凝土钢管壁 ， 在湿混凝土静水压力作用下， 钢管主要通过钢板的抗弯承受静水压力 ， 如果一次浇筑的 楼层数较多， 在湿混凝土侧向压力作用下会产：生可观的侧 向变形甚至发生安全事故。出于圆钢管混凝土与方钢管混 凝土在施工阶段的不同受力特点， 本文只讨论方钢管的施 工力学性能。 1 3 有限元模型的建立 图2 有 限元模 型分析示意 在用 A N S Y S 建立有限元模型时， 考虑方钢管的对称性， 只取出方钢管的 1 4部分( 图2 ) 建立长板条的有限元模型， 单元采用 S HE L L 6 3壳单元。板条的右侧边界为对称边界， 左侧方钢管角部边界主要与连接条件有关 ， 为安全起见， 在有限元分析中连接处边界取为铰接。 2 参数分析 分析了泵送层数， 钢管柱壁板件宽厚比， 钢管柱中间侧 向支撑对钢管壁侧向位移的影响。 2 1 泵送层数对钢管侧向位移的影响 在本节分析中考虑泵送层数分别为 1 、 3 、 5 、 7 、 9层， 层高 取4 m， 湿混凝土容重取为 2 4 k N m ， 方钢管 b= 0 5 m， t = 0 O 1 5 m m， 分析结果如图3 所示。空钢管内环向压力的大小 主要跟混凝土的泵送层数有关 ， 随着泵送层数的增加 ， 底层 钢管柱顶 ， 柱底的侧向压力也成倍增加， 使得底层钢管柱中 下部侧向位移也迅速增加， 随之也增加了混凝土所需 的浇 筑量 。 喜 暑 翟 暮 层高 mm 图3 侧向位移随灌注高度变化示意 2 2 钢管柱壁宽厚 比的影响 取定层高 L为4 m， 方钢管的截面宽度 b 分别为 l O 0 0 m m 与5 0 0 mm， 通过改变板件厚度使得截面宽厚比 b t 分别为 2 5 9 ， 2 8 7 ， 3 2 5 ， 3 8 3 ， 5 6 1 ， 泵送层数分别为 1 、 3 、 5 、 7 、 9 层 ， 分析结果如图4所示。 吕 宕 厦 晕 窨 吕 尽 蘑 层高 m m ( a ) b = l O O O m m t =5 6 b t = 3 8 b t =3 2 b t =28 bf t =25 l 层 3 层 5 层 7 层 9 层 t ： 5 01 层 b t = 3 0 3 层 b t = 2 7 5 层 b t = 2 3 7 层 b t =- 2 2 9 层 层高 ra m ( b ) b = 5 O O mm 图4 钢管壁宽厚 比对侧 向位移的影响 昧斟藩靛 二 = 二 二 = = 二 昧斟 鲻瑚 J L 。 。 。 ， 。 ， ， L 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 l 2 期( 总第 1 6 2 期) 图 4 ( a ) 与图4 ( b ) 采用了不同的板件宽度 6与板件厚 度 t ， 在 b t 相同的情况下在相同泵送层数时， 方钢管的侧 向 位移也基本相同， 说明钢管壁的侧向位移大小主要跟管壁 板件宽厚比相关 ， 且在同样的泵送层数下， 侧向位移会随着 板件宽厚比的增大显著增大。 2 3 钢管柱中间侧向约束的影响 由上图3 、 图4可知， 方钢管壁在流动混凝土侧向压力 作用下 ， 在底层中下部会产生显著的侧向位移 ， 现在底层钢 管柱中间加上一道侧向约束 以防止其发生变形， 未加侧向 约束与加了一道侧向约束的管壁侧向位移如图5 所示。 足 翠 暑 逞 曩 层高 m m ( a ) 未加侧向约束 层高 t a m ( b ) 加一道侧向约束 图5 侧向约束对侧向位移的影响 由图5可知， 当在柱问增加侧向约束时， 在钢管柱中间 局部的侧向位移会显著减小， 但对最大侧向位移影响不大。 3绪语 通过以上分析我们知道混凝土灌注层数及板件宽厚比 对管壁侧向位移影响很大， 侧向约束会影响管壁侧移沿层 高的分布， 但对最大位移影响不大。随着灌注层数的增加， 若要使管壁的最大侧向位移维持在一定范围， 对板件宽厚 比的要求会越来越高。在设计过程中考虑到板件的局部屈 曲也需要一定的板件宽厚比( 规范 l u规定为 4 o ) ， 若因为施 工的影响而提高板件宽厚 比的要求 ， 增加工程用钢量， 这种 做法显然是不经济的。经上述分析可以知道， 对于板件宽 厚比限值为4 0的方钢管柱， 在保证钢管壁的最大侧向位移 为 5 ram， 混凝土的最大泵送层数可以达到 3层， 而对于更大 宽厚比的钢管柱， 必须进行施工阶段受力分析从而确定合 适的混凝土泵送层数。 参考文献 1 秦荣， 谢肖礼， 等 钢管混凝土拱桥钢管开裂事故分析 J 土 木工程学报， 2 0 0 1 ， ( 3 ) ： 7 4 7 7 2 B U y ， S D a s We t c o n c r e t e l o a d i n g o f t h i n w a i l e d s t e e l b o x c o l u m n s d u r i n g t h e c o n s t ru c t io n o f a ta l l b u i l d i n g J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 4 2( 2 ) ： 9 5一l l 9 3 王文达。 韩林海 钢管混凝土结构施工阶段力学性能分析 J 工业建筑 ， 2 O O 4， 3 4( 6 )： 6 5 6 7 ( 4 李勇， 王晓红 钢管内流态混凝土受力机理研究 J 哈尔滨建 筑大学学报， 2 0 0 1 ， 34( 9 ) ： l 1 7 一 l l 9 5 B u y ， M A B ra d f o r d W e t c o n c r e t e l o a d i n g o f p m fi l ed t r o u g h g i I d - e r 8 J 1 1 1 i n w a l l e d s t r u c t u re s ， 1 9 9 6 ， 2 5 ( 2 ) ： 8 1 1 0 8 6 钟善桐 钢管混凝土结构( 第三版) M 北京： 清华大学出版 社 2 0 0 3 7 韩林海， 尧国皇 钢管初应力对钢管混凝土压弯构件力学性能 的影响 J 土木工程学报， 2 0 0 3 ， 3 6 ( 4 ) ： 8 一 l 8 8 李瑞礼， 曹志远 高层建筑结构施工力学分析 J 计算力学学 报 ， 1 9 9 9 ， 1 6 ( 2 ) ： 1 5 71 6 1 9 陈之毅， 秦效启 沈祖炎。 等 湿混凝土浇注过程中方钢管混凝 土柱侧壁压力的试验研究 J 】 建筑结构 2 0 0 3 ， 3 3 ( 7 ) ： 2 7 1 0 杨俊峰， 胡伟兵， 杜峰， 等 矩形钢管混凝土斜( 扭) 柱施工阶 段钢管侧壁压力试验研究 J 施工技术。 2 0 0 6 ， 3 5 ( 1 1 ) ： 1 1 1 G B 5 0 0 1 7 - 2 0 0 3 ， 钢结构设计规范 s 收稿 日 期】 2 0 1 1 0 8 3 0 作者简介】 周江( 1 9 8 7 一) ， 男。 浙江绍兴人 。 硕士， 研究方 向 ： 钢结构稳定性。 欢迎订阅 低温建筑技术 ( 月 刊) 低温建筑技术 1 9 7 9年创刊， 面向广大从事基本建设的设计、 科研、 教学、 施工和管理人员， 是指导我国三北地区建筑 科学技术和冬期施工技术发展的唯一综合性的科技期刊。 订阅办法： 全年 1 2期， 每期定价 l O 0 o元， 全年 1 2 0 0 0元整， 另附邮资4 o元 ， 即每套定价 1 6 0元。全国各地邮局均可订 阅， 邮发代号 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