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第2 5 卷第4 期 2 0 0 8 年 1 2月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f HUS T( Ur b a n S c i e n c e E d i t i o n) VO 1 2 5 NO 4 De c 2 0 08 矩形钢管混凝土双向压弯构件力学性能初探 陈宇超， 王文达 ( 兰州理工大学 a 土木工程学院；b 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ) 摘要：基于 AB A QU S软件，建立了矩形钢管混凝土双向压弯构件的三维实体有限元模型，进行了荷载一 变形 曲线的全过程数值模拟，理论模型得到了实验结果的验证。基于此模型，进行了矩形钢管混凝土双向压弯构件 力学性能的影响因素分析，讨论了荷载偏心角、含钢率、约束效应系数、混凝土及钢材强度等参数对其力学性 能的影响规律。本文结论可为进一步研究矩形双向压弯构件的实用设计方法提供参考。 关键词：矩形钢管混凝土；双向压弯；力学性能；数值模拟；参数分析 中图分类号：T U3 9 2 3 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 4 0 3 1 3 04 近些年来 ，方 、矩形截面钢管混凝土结构在 工程中不断得到应用，如台北 1 0 1 大厦、武汉证 券大厦、杭州瑞丰 国际商务大厦等。矩形截面钢 管混凝土构件 由于其和梁 的节点连接处理方便 ， 强轴方向的抗弯刚度大，抗弯性能好 ，因此得到 更为广泛的应用 。矩形钢管混凝土构件作为边柱 角柱时，或承受非中心荷载时，往往为双向压弯 构件，对矩形截面双 向压弯构件的研究较少L l 】 。 为明晰矩形 钢管混凝土双 向压弯构件 的力学性 能，建立合理的设计方法，有必要进行该类构件 力学性能的研究。本文建立了该类构件的数值模 拟模型，在得到试验结果验证的基础上，对影响 其力学性能的主要因素进行 了参数分析，并得到 相关结论 ，可为进一步研 究矩形钢 管混凝土双 向 压弯构件的实用设计方法提供参考。 1 理论模型 1 1 有限元模型的建立 利用 AB A QUS 【 6 软件模拟矩形钢管混凝土 双 向压弯构件的力学性能。混凝土采用塑性损伤 模型，单轴应力 应变关系采用韩林海 ( 2 0 0 7 )【 1 1 中的相关表达式。钢材采用弹塑性材料模型 。低 碳钢 的应力一 应变关系采用二次塑流模型， 而高强 钢材采用线性强化模型 。核心混凝土采用 C 3 D8 三维实体单元，钢管则采用 S 4壳单元模拟。考 虑钢管和混凝土之间的相互作用 ，采用切向的库 伦摩擦和法向硬接触来模拟二者之间的接触【 1 I 2 】 。 1 2 理论模型校验 为校验本文理论模型的正确性，分别对文献 u ， 卜 中的方形及矩形钢管混凝土轴压、 压弯( 及 双 向压弯 )试件进行了理论分析，总体上理论模 拟结果和实验结果吻合 良好 。部分理论计算曲线 和实验曲线的对比见图 1 。由图 1 可见，理论曲 线与实验 曲线吻合较好，可用来进行矩形钢管混 凝土构件双 向压弯力学性能的分析和参数分析。 2 参数分析 2 1 参数分析模型的确定 参数分析 时的典型构件 以矩形截面 B x t = 4 0 0 minx 9 _ 3 ml T l 为基础， 截面长宽 比分别取 1 2 5 ， 1 5 ， 1 7 5 ，2 ，含钢率 a =0 1 。Q2 3 5钢材，c 3 0混凝 土 ，构件计算长度 L = 3 6 m。分别考虑了荷载偏 心率 r ，荷载偏心角 ，含钢率 ，钢材强度 ， v ， 混凝土强度 ， c u ， 长细 比 等参数变化对矩形钢管 混凝土柱构件极 限承载力的影响，共计算 4 7 2个 模型。各参数分别按强轴和弱轴进行了计算，主 要参数对矩形钢管混凝土构件 _ “ 关系的影响 见图 2和图 3 。 收稿日期：2 0 0 8 0 6 1 8 作者简介：陈宇超 ( 1 9 8 1 ) ，男，辽宁丹东人，硕士生，研究方向为组合结构，o c e a n k k I 1 6 3 c o m。 王文达 ( 1 9 7 6 一 ) ，男，甘肃清水人，副教授，博士，研究方向为组合结构及结构抗火，wa n g w d l u t c n 。 基金项目：甘肃省高等学校研究生导师科研项目计划 ( 0 7 0 3 B 一 0 5 ) ；甘肃省建设厅科技攻关项 目 ( J K 2 0 0 7 8 ) ； 兰州理工大学博士基金。 3 1 4 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8钜 4 0 0 2 瓮2 0 0 O 5 0 0 0 4 0 0 0 Z 3 0 0 0 苫2 0 0 0 1 0 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 Z 2 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 Z 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 O 6 0 0 0 4 5 0 0 Z 3 0 0 0 】 5 O O O 2 0 0 0 l 5 0 0 z 1 0 0 0 之 5 0 0 O 0 2 0 4 0 6 0 0 2 0 O 0 1 6 0 0 丕 1 2 0 0 8 0 0 4 O O 0 1 5 3 0 4 5 6 0 0 2 0 4 0 6 0 “ n m m ( a ) S HC1 1 2 【 ( b ) F G Z 4 1 ( c ) S H C 一 4 。 图 1 矩形钢管混凝土 A B AQ US计算 “ 关系和实验结果比较 0 5 0 0 0 4 0 0 0 Z 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 O 2 5 5 0 7 5 1 0 0 0 ， m m i l l ( a ) e ， ， 变化( 强轴) 0 6 0 ( )0 4 5 0 0 Z 差3 0 0 0 1 5 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 z 3 0 0 0 乏2 0 0 0 1 0 0 0 O 2 5 5 O 7 5、 l 0 0 0 “一11 1 11 1 ( b ) e ， ，变化( 弱轴) 2 5 5 O 7 5 1 0 0 0 1 4 I1 ， l ll l ll ( d ) 0变化( 弱轴) 0 5 0 0 0 4 0 0 0 Z 3 0 0 0 乏2 0 0 0 1 0 0 0 O 6 0 0 0 4 5 0 0 圣3 0 0 0 l 5 0 0 0 2 5 5 O 7 5 1 0 0 “ l m m ( C ) 0变化 ( 强轴) 2 5 5 0 7 5 l 0 0 O “ n 1 m m ( e ) ， c 变化( 强轴) 2 5 5 0 7 5 l O 0 0 “r n m m ( g ) 变化( 强轴) 0 6 0 0 0 4 5 0 0 Z 3 0 0 0 】 5 0 0 O 6 0 0 0 4 5 0 0 至3 0 0 0 乏 1 5 0 0 0 2 5 5 O 7 5 J O O “ln ， mm ( f ) ， c 变化( 弱轴) 2 5 5 0 7 5 1 0 0 O “ m i l l ( h ) 变化( 弱轴) 2 5 5 0 7 5 l 0 0 0 l n m l Y t 6 0 0 0 45 0 0 至3 o o 0 】 5 0 0 0 2 5 5 O 7 5 1 0 0 “ n a m m ( i ) a变化( 强轴) 5 0 1 0 0 l 5 0 2 0 0 0 U n ， mm 5 0 l 0 0 1 5 0 2 0 0 “n , m m ( j ) a ( 弱轴) 变化 ( k ) ( 强轴) 变化 ( 1 ) ( 弱轴) 变化 图 2 矩形钢管混凝土双向压弯构件( D B = 1 2 5 ) 第 4期 陈宇超等： 矩形钢管混凝土双向压弯构件力学性能初探 3 1 5 0 2 5 5 O 7 5 l O 0 “ n 1 m m ( a ) e ， ， 变化( 强轴) ( b ) e r 变化( 弱轴) ( c ) 变化 ( 强轴) o 2 5 5 O 7 5 1 O 0 H m m m ( d ) 变化( 弱轴) ( e ) ， c 变化 ( 强轴) ( D f e 变化( 弱轴) O 2 5 5 O 7 5 l O 0 “ mf m m ) f y 变化 ( 强轴) ( h ) f y 变化 ( 弱轴) ( i ) 0 【 变化( 强轴) 0 2 5 5 0 7 5 l O O “ n m m ( j ) a变化( 弱轴) ( k ) 变化 ( 强轴) ( 1 ) 变化( 弱轴) 图 3 矩形钢管混凝土双向压弯构件 ( D I B = 2 ) 2 2 参数分析结果讨论 通过对 4 7 2个参数分析构件计算结果的分析 对比可见，总体上构件的承载力随钢材强度 ， 混凝土强度 ， c ， 含钢率 的增加而增长 ， 随着长 细比 ，荷载偏心率 e r 的增大而降低。但是随着 钢材强度 ， v的继续提高对构件极限承载力 的提 高作用相对减少 ( 图 2 ( g ) ，( h ) ，图 3 ( g ) ，( h ) ) ， 且弱轴方向尤为明显。混凝土强度 的提 高的 对承载力的影响比较明显，特别是高强度混凝土 ( 图 2 ( e ) ，( f ) ，图 3 ( e ) ，( f ) ) 。含钢率 a对构件极 限承载力也影响比较大 ( 图 2 ( i ) ， ( j ) ， 图 3 ( i ) ， ( j ) ) ， 主要 因为含钢率直接影响到钢管对混凝土的约束 效应系数 的取值。长细比 的增加使得构件的 尺寸趋于细长对于偏心受压不利 ，其极限承载力 明显 降低 ，( 图 2 ( k ) ，( 1 ) ，图 3 ( k ) ，( 1 ) ) ，荷载偏 心率 e r 对极限承载力的影响较为平缓 ( 图 2 ( a ) ， ( b ) ，图 3 ( a ) ，( b ) ) ，荷载偏心角 增加对极限承 载力 的影响随着荷载偏心距的增加而逐渐 明显， 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 使得极限承载力变得更小 ( 图 2 ( a ) ， ( c ) ， ( b ) ， ( d ) ) 。 由于矩形截面非对角线对称截面，所以分析 时要从强轴和弱轴两个方面分析，本文 以对角线 来划分强轴区域和弱轴区域 。在强轴区域混凝土 强度，钢材强度，含钢率的变化对极限承载力的 影响较弱轴区域影响较弱，因弱轴区域钢管对混 凝土的约束较弱 ( 图 2 ( e ) ，( f ) ，( g ) ，( h ) 等) 。图 3 ( k ) 强轴 比图 3 ( 1 ) 弱轴中 影响曲线降低的多， 是 因为荷载偏心距及其长细比计算方法不同。由此 可见，对矩形钢管混凝土双 向压弯承载力的主要 影响因素有 ， v ， 。 ，0 【 ， 和 ， ， ，此外构件的截 面尺寸也对其承载力有很大影响，高宽比越大， 截面的弱轴区域越 多，对构件的影响越大，合理 分配构件的高宽比，对提高构件的极限承载力贡 献也越大。 3 结语 ( 1 )混凝土强度 -f c ，钢材强度 ， 和含钢率 O t的提高使矩形钢管混凝土双 向压弯构件承载力 提高 。荷载偏心率 e r ，荷载偏心角 及长细比 的增大矩形钢管混凝土的极限承载力降低。 ( 2 ) 不同参数变化对强轴区域和弱轴区域的 影响不同，分析时需分别研究 。 ( 3 ) 本文中矩形钢管混凝土双向压弯构件参 数分析模型的计算结果可供进一步回归分析得到 其实用计算公式提供了参考 。 参考文献 1 韩林海钢管混凝土结构一 理论与实践( 第二版) 北京：科学出版社， 2 0 0 7 【 2 尧国皇钢管混凝土构件在复杂受理状态下的工作 机理研究【 D 福州： 福州大学博士学位论文， 2 0 0 7 【 3 】 张素梅，郭兰慧， 王玉银，等方钢管高强混凝土偏 压构件的试验研究与理论分析 J 建筑结构学报， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 1 ) ： 1 7 2 4 【 4 】 田华， 张素梅， 郭兰慧 矩形钢管高强混凝土双向压 弯构件截面强度 J 哈尔滨工业大学学报，2 0 0 7 ， 1 0 ( 3 9 ) ： 1 5 2 0 1 5 2 8 5 田华， 张素梅， 郭兰慧 矩形钢管高强混凝土双向压 弯力学性能分析 J 】 哈尔滨工业大学学报，2 0 0 7 ， 1 2 ( 3 9 ) ： 1 8 5 4 1 8 5 8 【 6 】 H i b b i t t ，K a r l s o n S o r e n s e n I n c A B AQ U S s t a n d a r d u s e r S ma n u a l ， V e r s i o n 6 5 f I订 】 P r o v i d e n c e( ) ： H i b b i t t ， Ka r l s s o n ， & S o r e n s e n ， I n c ； 2 0 0 5 【 7 郭兰慧，张素梅，田华 矩形钢管高强混凝土压弯构 件的实验研究 J 】 哈尔滨工业大学学报，2 0 0 4 ， 3 6 ( 3 ) ： 2 9 7 3 01 8 】 郭兰慧，张素梅，刘界鹏矩形钢管混凝土双向压弯 构件的理论与实验研究 J 建筑结构，2 0 0 8 ，3 8 ( 3 ) ： 2 2 2 8 9 9 陈刚花，李 斌 方钢管混凝土偏压短柱试验研究 【 J 西安建筑科技大学学报， 2 0 0 6 ， 3 8 ( 6 ) ： 8 7 3 8 7 6 1 O 杨有福矩形钢管混凝构件力学性能的若干关键问 题研究【 D 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2 0 0 3 Pr e l i mi n a r y Di s c u s s i o n o n M e c h a n i c a l P e r f o r ma n c e o f Co n c r e t e - F i l l e d Re c t a n g u l a r S t e e l T u b e M e mb e r s u n d e r Bi - a x i a l Co mp r e s s i o n a n d Be n d i n g CHE Y u c h a o V G ， l c ( a S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g ； b We s t e r n Ce n t e r o f Di s a s t e r Mi t i g a t i o n i n Ci v i l En g i n e e r i n g o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n ， 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 , L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： A 3 一 D fin i t e e l e me n t mo d e l wa s e s t a b l i s h e d f o r c o n c r e t e fi l l e d r e c t a n g u l a r s t e e l t u b e me mb e r s u n d e r t h e b i e c c e n t r i c l o a d i n g b y A B AQ US s o f t w a r e T h e l o a d v e r s u s d e f o r ma t i o n c u r v e s are c a l c u l a t e d b y t h e mo d e 1 Th e r e s u l t s f r o m t h e mo d e l are ma t c h we l l wi t h the e x p e ri me n t al r e s u l t s S o me p ara me t e r s s u c h a s t h e l o a d e c c e n t r i c a n g l e ， s t e e l r a t i o ， c o n fin e me n t c o e ffic i e n t ， c o n c r e t e a n d s t e e l s t r e n g t h ， e t c ， are an a l y z e d T h e r e s u l t s are r e f e r e n c e t o d e v e l o p t h e p r a c t i c a l d e s i g n me tho d f o r c o n c r e t e - fil l e d r e c t a n g u l ar s t e e l t u b e me mb e r s u n d e r t h e b i e c c e n t r i c l o a d i n g Ke y wo r ds ：c o n c r e t e fil l e d r e c t a n g u l ar s t e e l t u b e；bi - a x i a l be n d i n g mo me n t ；me c ha n i c a l p e r f o r m a n c e ； n u me ric a l s i mu l a t i o n ； para me t r i c a n a l y s i s