离心钢管混凝土柱力学性能研究.pdf

2 0 1 0 年 第 5 期 (总 第2 4 7 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 01 0( To t a l No2 47) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0RET I CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 5 0 1 4 离心钢管混凝土柱力学性能研究 卢方伟，周鼎，董永 ( 武汉市政工程设计研究院，湖北 武汉 4 3 0 0 1 5 ) 摘要 ： 基 于给定 的混凝土和钢材的本构模型及相应假定 的混凝 土和钢材泊松 比， 应用连续介质力学 ， 对离心钢 管混凝 土短柱进行弹塑 性分析 ， 建立 了离心钢管混凝土短柱组合弹性模量理论计算 公式 和应力一 应变关 系全曲线 的理论表达式 。 研究成果 可供离 心钢管混凝土柱 的非线性有 限元全过程分析参考 。 关键词： 离心钢管混凝土柱；力学性能；应力一 应变关系；组合弹性模量 ；弹塑性分析 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0) 0 5 0 0 4 3 0 3 Theor e t i c al a nal y s i s of m e c ha ni c al pr o per t i e s o f c en t r if u ge c on c r e t e - f i l l ed t u be c ol umns LU F a n g we i ， ZHOU Di n g， DONG Yo n g ( Wu h a n Mu n i c i p a l E n g i n e e ri n g De s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 1 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Ba s e d o n c o n s t i t ut i v e r e l a t i o n s h i p a n d t he s u p p o s e d Po i s s o n S r a t i o o f t h e c o n c r e t e a nd the s t e e l ， e l a s t o - pl a s t i c ana l y s i s o f c e n t r i f u g e c o n c r e t e fil l e d s t e e l tub e c o l u mns i s p e r f o r m e d a n d t h e o r e t i c a l f o r m u l a s f o r e l a s t i c mo d u l u s a n d s t r e s s -s tra in c u r v e s o f c o mp o s i t e m a t e ria l o f t e n - t fif ug e c o nc r e t e fi l l e d s t e e l tub e c o l u mn s a y e p r e s e n t e d I t i s b e l i e v e d t h a t t h e r e s u l t s of t h e pa p e r C an b e u s e d i n n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f c e n t r i f u ge c o n c r e t e fi l l e d s t e e l tu b e c o l u mns Key w or ds ： c e n t r i fug e c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e c o l u mn s ； me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ； s t r e s s s t r a i n c u r v e s ； e l a s t i c mo d u l u s ； e l a s t o - p l a s t i c a n a l y s i s 0 引言 离心钢管混凝土是一种将混凝土浇灌在钢管内经离心成型 的空心复合构件( 图 1 ) ， 是介于纯钢管和钢管混凝土之间的复合 结构。它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互间的组 合作用， 充分发挥两种材料的优点， 从而使离心钢管混凝土具有 承载力高、 塑性和韧性好、 经济效果显著和施工方便等优点。 图 1 离心钢管混凝土 目前， 针对离心钢管混凝土构件力学性能的研究还不多， 且 主要以试验研究I 卅 为主。张宝善翻 1 9 9 0进行过离心钢管混凝土 中心受压柱研究 ； 浙江大学 ( 2 0 0 0 ) 曾对离心钢管混凝土的扭 转性能进行过较为系统的研究； 金伟 良等人 5 ( 2 0 0 5 ) 应用应变 能相等原理得到了离心钢管混凝土的等效本构关系等。前人对 离心钢管混凝土的研究取得了一定成果， 但尚不够系统 ， 大多集 中于构件的承载力， 而对本构关系的研究偏少。 本研究基于给定的混凝土和钢材的本构模型及相应假定 的混凝土和钢材泊松比， 应用连续介质力学的方法 ， 对离心钢 管? 昆 凝土短柱进行弹塑性全过程分析， 导出离心钢管混凝土组 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 2 - 2 9 合材料本构关系全曲线和组合弹性模量理论计算公式。 1一般 规 定 1 1 核心 混凝 土 离心钢管混凝土在受拉时， 混凝土外壁三向受压， 而内壁 双向受压； 受压时， 混凝土外壁双向受压， 内壁单向受压。而且双 轴受力等效单轴应力一 应变关系对于双向受力情况， 可利用等效 单轴应力应变关系来描述 。所以混凝土的应力应变关系的计 算模式采用规范规定的分段式数学表达式， 如图2所示。 图 2混凝土的应力应变关 系 混凝土临近破坏时， 体积由压缩转为膨胀 ， 由于混凝土泊 松比随应力比的复杂性， 尤其是混凝土进入下降段后， 测定混 凝土的泊松比是非常困难的， 本研究采用 Ot t o s e n 6 1 的假定 ， 取 泊松比的割线值为： 0 一 恫 V f 戈 1， yy 1 ， y 1 ( 1 ) x l， y 2 0 1 - 0 0 3 5 f i f o 5 7 2 0 ( 2 6 ) 1 0 8 f f s ， ，。 通过编制非线性分析程序， 可以计算得到离心钢管混凝土 组合材料应力一 应变全曲线， 图 6所示为运用式( 3 0 ) 进行计算 所得理论计算曲线与试验曲线f2 的比较结果， 从图中可以看出 理论计算方法能较好地反映试验规律。 图 6 计算 曲线与试验 曲线的比较 3结 倍 离心钢管混凝土的本构关系研究对该结构的强度和变形计 算与分析是十分重要的， 尤其随着该结构应用范围的日渐扩大， 全 面研究该问题就变得更迫切。本研究基于给定的混凝土和钢材的 本构模型及相应假定的混凝土和钢材泊松 比， 应用连续介质力 学的方法， 通对弹塑性全过程分析， 建立了离心钢管混凝土短柱组 合弹性模量理论计算公式和离心钢管混凝土组合材料应力应变关 系曲线统一理论计算公式， 计算公式形式简单， 具有参数少、 易确 定、 易于程序化实现， 其计算精度满足工程要求。从而为离心钢管 混凝土构件工作机理和性能的研究提供了一条有效的途径。 参考文献 ： 1 】 金伟良， 葛中桂 ， 曲晨， 等 薄壁离心钢管混凝土抗扭试验研究 J _哈 尔滨建筑大学学报， 2 0 0 1 ， 3 6 ( 增T O ) 下转第 4 8页 45 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 5抗折预测结果及残差 日 、 爱 +结晶类试验值 +结晶类预测值 t 一非结 晶类试验 值 * 一非结 晶类预测 值 +硅 烷类试验值 +硅烷 类预测值 一清水试验值 a 一 清水预测值 一污水试验值 污水 预测值 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 次数 图 1 抗压强度发展 曲线 次 数 图 2抗折强度发展 曲线 3结论 ( 1 ) 城市生活污水的成分较为复杂， 并且会随着季节变化 及工业污水的排放等因素发生改变。城市生活污水对混凝土的 侵蚀原理也极为复杂。化学腐蚀 、 微生物腐蚀、 物理腐蚀等都会 对混凝土的耐久性造成不利影响。对污水处理构筑物的防腐蚀 是十分必要的。对未采取防腐蚀设计的已建构筑物表面涂覆防 水材料是较好的选择。 ( 2 ) 灰色预测法是一种对含有不确定因素的系统进行预测 的方法。对复杂污水环境下混凝土的耐久性预测有着良好的适 应性。 随着试验数据的积累， 及预测模型的改进。 其预测精度会 进一步提高。 参考文献 ： M AE D A T ， N E G I S H I A， K OMO D O H， e t a 1 I s o l a t i o n o f i r o n o x i d i z i n g b a c t e ri a c o r r o d e d o f s e w a g e t r e a t me n t p l a n t s j o u ma l o f b i o s e i e n c e a n d b i o e n g i n e e r i n g J 1 9 9 9 ( 6 ) ： 3 0 0 3 0 5 2 韩静云， 张小伟， 等 污水处理系统中混凝土结构的腐蚀现状调查 J J 混凝土， 2 0 0 0 ( 1 1 ) ： 5 2 5 4 3 】 韩静云， 郜志海 ， 张小伟 城市污水对初沉池混凝土不均衡损伤特性 研究【 J l _土木工程学报， 2 0 0 5 ( 3 8 ) ： 4 7 4 9 4 闻宝联 城市污水环境下混凝土腐蚀及耐久性研究 D 天津： 天津大 学， 2 0 0 5 【 5 V I N C K E E， B E E L D E N S AC h e mi c a l ， mi c r o b i o l o g i c a l ， a n d i n s i t u t e s t me t h o d s f o r b i o g e n i c s u l f u r i c a c i d c o r r o s i o n o f c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 4 ) ： 6 2 3 6 3 4 【 6 1张小伟， 张雄 混凝土微生物腐蚀的作用机制和研究方法 建筑材 料学报， 2 0 0 6 ( 9 ) ： 5 2 5 8 7 】邓聚龙 灰色系统基本方法【 M 】 武汉： 华中理工大学出版社 ， 1 9 8 8 ： 21 - 7 8 作者简介 ： 单位地址 ： 联 系电话 ： 刘廷滨( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 在读硕士研究生， 研究方向： 混凝土结 构耐久性。 甘肃省兰州市兰州交通大学校长办公室( 7 3 0 0 7 0 ) 1 3 91 91 7 41 4 2 上接第 4 5页 2 】张宝善 ， 蒋晓东 离心钢管混凝土中心受压柱的研究【 J J 郑州工学院 7 】 韩林海 钢管混凝土结构【 M - 京： 科学出版社 ， 2 0 0 4 学报， 1 9 9 0 ， 1 l ( 2 ) ： 4 8 5 4 8 余志武， 丁发兴混凝土受压力学性能统一计算方法【 J 】 _ 建筑结构学 3 傅军薄壁罔 冈 管混凝土构件抗扭试验研究 D 1 杭州： 浙江大学， 2 0 0 0 报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 ( 4 ) ： 4 1 4 6 1 4 】曲晨 离心钢管混凝土结构的扭转性能与组合作用试验与理论研究【 D 杭州： 浙江大学， 2 0 0 2 f 5 】金伟良， 袁伟斌， 干钢 离心钢管混凝土的等效本构关系 J 工程力 学， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 2 ) ： 1 1 0 1 1 5 【 6 】O T T OS E N N S C o n s t i t u t i v e m o d e l f o r s h o r t - t i me l o a d i n g o f c o n c r e t e J A S C E， 1 9 7 9 ， 1 0 5 ( E M1 ) ： 1 2 7 1 4 1 48 作者简介 单位地址 联 系电话 户方伟( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 博士， 从事地下空间与结构力学的设 计研究。 武汉市江汉区常青路 4 o 号 武汉市政工程设计研究院 ( 4 3 0 0 1 5 ) 0 2 7 51 1 5 6 2 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m