箱格式L形钢管混凝土短柱轴压力学性能研究.pdf

2 0 1 3年 第 8期 (总 第 2 8 6期 ) Nu mb e r 8 i n 2 01 3 ( To t a 1 No 2 8 6) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 8 0 1 7 箱格式 L形钢管混凝土短柱轴压力学性能研究 孙岩 ，王鑫 ，邱德瑜 ( 辽宁城市建设职业技术学院。辽宁 沈阳 1 1 0 1 2 2 ) 摘要 ： 在原有 L形钢管混凝土的基础上， 提出了箱格式 L形钢管混凝土柱 ， 所谓箱格式即是在 L形截面的角部加入纵横两块 竖向钢板 ， 将原有 L形截面分隔为规则的矩形截面， 这样不仅可以有效地提高构件竖向承载力 ， 而且也增加 了构件的稳定性 ， 避 免了角部因局部应力过大造成构件提前破坏 ， 承载力降低的现象， 同时也提高了构件的延性性能。 本研究利用有限元软件A B A Q U S 建模对箱格式 L形钢管混凝土短柱轴压时的力学性能进行了非线性分析 ，给出了其荷载一 位移曲线和钢管的荷载一 应变曲线 ， 建 模时充分考虑了构件的长宽比和宽厚比对 L形钢管混凝 土短柱承载力及延性性能的影响。 关键词 ： 箱格式 ；L形钢管混凝土柱；轴压 ；力学性能 ；有限元分析 中图分类号 ： T U 5 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 3 ) 0 8 0 0 6 4 0 3 B e h a v i o r o f b o x t y p e L - s h a p e d 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 s h o r t c o l u mn s s u b j e c t e d t o a x i a l - c o mp r e s s i o n S U N Y a h ， WANGXi n， QI UDe y u ( L i a o n i n g U r b a n C o n s t r u c t i o n T e c h n i c a l C o l l e g e ， S h e n y a n g 1 1 0 1 2 2 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： The b o x - t y pe L- s ha pe d c o n c r Ne - fil l e d s t e e l t u b u l a r s h o r t c o l u mn wa s p r o p os e d o n t h e ba s i s o f D - s ha p e d c o nc r e t e - fil l e d s t e e l tub u l a r c o l u mn， t h e S O c a l l e d b o x t y pe ， t h a t i s a d di n g v e gi c a l a nd ho riz o n t a l t wo p i e c e s o f s t e e l pl a t e s i n c o r ne r o f t he L s h a p e d s e c t i o n， t h a t wa s d i v i de d i n t o r e g ul a r r e c t a n g ul a r s e c t i o n s ， thi s no t o n l y i mp r o v e d t h e v e r t i c a l be ari n g c a p a c i t y o fs p e c i me n e f f e c t i v e l y， b u t a l s o i n c r e a s e d i t s s t a b i l i ty， a n d t h e p h e n o me n o n o f e a r l y d a ma g e f o r s p e c i me n d u e t o l o c a l e x c e s s i v e s t r e s s e s ， d e c r e a s e o f c a r r y i n g c a p a c i ty c a n b e a v oi d e d， me a n wh i l e tha t a l s o i n c r e a s e s the d u c t i l i t y o f the c o mp o ne n t Ma d e a no n l i n e a r fi ni t e e l e me n t a na l y s i s f o r the me c ha ni c a l p e r f o r - ma n c e o f t h e b o x t y p e L - s h a p e d c o n c r e t e fi l l e d s t e e l tub u l a r s h o r t c o l u mn u n d e r a x i a l p r e s s u r e b y fi n i t e e Mme m s o ft ware AB AQUS， t h e l o a d d i s pl a c e me nt c u r v e o fs pe c i me n a nd l o a d s t r a i n c u r v e o fs t e e l tub e we r e pr e s e n t e dThe i n flu e n c e o fwi d t h t h i c k n e s s r ati o ofs t e e l tube a n d l e n g t h -wi d t h r a t i o o f s p e c i me n c r o s s -s e c t i o n o n b e a ri n g c a p a c i ty a n d d u c t i l i ty p e r f o r ma n c e for s p e c i me n h a v e b e e n f u l l y t a k e n i n t o a c c ou n t i n t h e i r mo d e l i ng Ke y w o r d s ： b o x -t y p e ； L-s h a p e d c o n c r e t e -fi l l e d s t e e l tub u l a r c o l u mn； a x i a l c o mp r e s s i o n ； me c h a n i c a l p r o p e r t y ； fi n i t e - e l e me n t a n a l y s i s 0 引 言 随着我 国建筑业 的迅猛发展 ， 人们对建筑结构 的要求 也越来越高 ， 尤其是高耸 、 大跨 、 重载结构的 出现 ， 工程界 对钢管混凝土构件应用越来越广泛 ， 在框架结构或剪力墙 等结构体 系中 ， 异形柱 的出现不但满足 了工程需要 ， 也满 足了人们的使用要求 。 异形钢管混凝土柱的截面形式如十 字形 、 T形和 L形 ， 采用异形截面柱 的意义在于室 内没有矩 形或方形柱的柱楞 出现 ， 满足人们的审美和装修要求 。 异形钢管混凝土柱由于受力复杂 ， 尤其是 L 形截 面构 件 ， 国内外对这种形式的钢管混凝土柱研究还不够 1 】 。 张继 成， 沈祖炎等利用有限元软件及试验曾分析过 L形钢管混 凝土短柱的力学性能， 但是由于普通的 L形柱具有不规则 的截面形式， 其几何形心不在构件上， 受力过程比较复杂， 且角部存在阴角部位 ， 轴压时阴角部位容易出现局部应力 过大， 出现降低构件的极限承载力及延性性能等现象。 本研 收稿日期：2 0 1 3 - 0 2 - 2 7 6 4 究提出了箱格式 L形钢管混凝土柱 ， 将 L形截面的阴角部 位用纵横两块钢板进行分隔 ， 变成规则的矩形截面 ， 这样 不仅提高了构件 的承载力 ， 而且还增强了构件的延性 ， 改善 了应力集 中于阴角部位造成的不利影响。 本研究采用有 限 元软件 A B A Q U S ， 建立 了箱格式 L形钢管混凝土柱模 型， 对其进行 了非线性轴压力学分析 ， 研究了试件力学性 能的 影响因素 ， 为今后深入研究提供理论上 的参考数据 。 1 A B A QUS计算模型 1 1 试件的基本参数 本研究共进行了4 根试件的轴压试验， 为了便于研究， 改变了试件的长宽 比和宽厚 比， 研究其对试件承载力和延 性性能的影响。 为了有限元研究 的可靠性 ， 本试件参数均 由 力学试验测得 ， 钢材采用 Q 2 3 5 级钢 ， 壁厚分别为 4 、 5 m m， 钢材的屈服强度 分别为 3 1 0 、 2 9 5 MP a 。 混凝土强度等级 均为 C 4 0 ， 采用 P 0 4 2 5 级水泥 ， 碎石最大粒径为 2 0 m m， 普通中砂 ， 混凝土 2 8 d强度 为 6 0 1 M _ P a 。 试 件的具 体参 数见表 1 所示 ， 试件 的截面示意图如 图 1 所示 。 表 1 试件参数 f 1 0 0 f f r ： ： ： 混凝土 钢管 0 耋 薹 耋 j 荽 霉 I l 图 1 试件截面示意图( 单位 ： mm) 1 2 材料 的本构 关 系 ( 1 ) 混凝土的本构关系。 A B A Q U S提供 了混凝土塑性 损伤模型( C o n c r e t e D a ma g e d P l a s t i c i t y ) ， 能很好地模拟核心 混凝土的拉压性能。 根 据参考 文献 2 核心混凝土应 力一 应 变关 系曲线的特征主要 和等效约束效应系数 有关 。 ( 一1 ) 4 - x 式中 ： = ， ， ， s ( 1 2 4 0 + 1 O 0 0 x + 1 2 7 f ) 1 0 - 6 ； ， e D 舻 c B ， ( 1 _ ， + 1 3 5 、 1 叼 ， r t = D B。 等边长 D钢管混凝土构件的约束效应系数； 等边长B钢管混凝土构件的约束效应系数 ； D B不等边长D x B 钢管混凝土构件的约束效应系数； 截面长宽 比影 响系数。 ( 2 ) 断裂能的理论计算 。 根据文献 3 ， 采用 能量破坏准 则定义核 心混凝 土受 拉 区的软 化性能 。 在塑性 损伤模 型 中 ， 选择受 拉选项 ( T e n s i l e B e h a v i o r ) 中的 G F I 类 型 ， 其 中 Y i e l d S t r e s s 取混凝 土的开裂应力 。 的近似公式为 ： O r , - 0 2 ( 2 ) 采用断裂能对数的回归表达式为 ： ln G r= ln a o+ a 1帆 ln d 咖f f ( 3 ) 目 0 G ( l (4 ) 式中 ： 系数 ， i = 0 ， 1 ， ， 4 ； d 最大集料粒径 ； C 水灰 比。 可 以通过回归分析获得 ， 该 拟合 函数 的结果将保证在 数据点上拟合值与实测数据值差的平方和最小， 即最小二 乘曲线拟合 ： ( G 删 G ) i I1 ( 5 ) 式中： G 断裂能预测值； G 断裂能实测值。 通过 L e v e n b e r g - Ma r q u a r d t 最佳拟合 可以获得 回归 方 程为 ： G Ft= 0 3 3 7 7 ) 0 9 0 7 5 ( 2 1 I 5 8 + d ( 6 ) G 1 o o s G - 1 0 7 7 ( 7 ) ( 3 ) 钢材的本构关 系。 根据 文献 4 】 ， 在有 限元分析 中 ， 钢材假定为各 向同性材料 。 在材料非线性分析 中 ， 钢管应 变一 应变关系模型 的数学表达式采用 四段直线来描述钢管 等效单轴应力一 应变关 系曲线 ， 如图 2 所示 。 l 0 8 + 0 1 8 嚣 0 9 8 +0 1 s- S e1 1 0 8 式中 ： e c = O E ； E e l =1 8 e e ； 8 e 2 = 65 6 。 ； 钢材屈服强度 ； 钢材弹性模量 。 ss se s e I e 1 s e 2 gs ( 8 ) 应 变 图2 钢材的本构关系 1 3 建立有限元模型 模型 中钢管 、 试件顶部的盖板和混凝土均采用 8 节点 三维减缩 积分单元 ( c 3 D 8 R ) ， 柱端 面与盖板之间采用绑定 约束 ， 钢管和混凝土界面模 型由切向滑移和法向接触两部 分组成 5 1 ， 沿接触面切 向采用库伦摩擦及小滑移 ， 摩擦系数 取 0 5 ， 沿接触面法向为硬接触， 允许材料分离但不允许相 互穿透， 能较好地模拟真实的界面性能。 为了真实地模拟构 件的边界条件， 构件底端采用固接约束 ， 顶端施加位移荷 载。 建立的有 限元模型如图 3 所示 。 2 算例分析 2 1 长宽比D 对构件的影响 本算例中， 改变构件的肢长， 肢宽保持不变， 即 D B = 2 和D B = 3 ， 利用有限元软件给试件施加位移荷载， 并提取了 试件荷载 位移全程曲线和钢管 P - A的曲线 ， 如图 4 , 5 所示 。 65 f _ _ ， _1 图 3有限元模型 位移 ram 图 4 X G S L 一 1 与试件 X GS L 一 2荷载一 位移曲线 应 变 8 图 5 X G S L 一 1 与试件 X GS L 一 2钢管荷载一 应变曲线 从图 4 中可见 ， 随着长宽比的增大 ， 构件的极限承载力 数值有所下降， 下降的幅度不大， 但极限荷载所对应的位移 变化较大。 从图 4 中看出， 长宽 比小 的试件极限承载力所对 应的位移为 9 4 l D _ m， 而长宽 比大的试件极 限承载力所 对应 的位移为 6 4 mm， 两者相差很大 ， 说 明由于长宽 比的增大 ， 钢管对核心 昆 凝土 的约束作用变小 ， 进而反映了构件的延 性性能的降低。 从图 5 中可见 ， 钢管的 P _ 曲线变化也很明 显 ， 当试件加载到达极限荷载时 ， 长宽 比大的试件 比长宽 比小的试件所对应 的应变数值相差很多 ， 且下降段 的曲线 斜率增加 ， 充分说明了构件的延性性能的降低。 2 2 宽厚比B t 对构件的影响 本算例中， 改变钢管的壁厚， 其他参数保持不变， 即B t = 2 5 和 B t = 2 0 ， 利用有限元软件给试件施加位移荷载， 并提取 了试件荷载一 位移全程曲线和钢管的P - &曲线， 如图6 、 7 所 示。 从图6 可见， 荷载一 位移曲线在弹性范围内基本一致 ， 而 下降段的变化较为明显， 尤其是当试件达到极限荷载时， 所 对应的位移分别为 9 1 、 6 9 m m， 且曲线下降段斜率增大， 说明 随着宽厚 比的增大 ， 钢管对混凝土的约束作用减弱 ， 构件出 现峰值荷载提前， 承载力降低， 延性性能变小。 由图7 可以看 出， 钢管的P - A曲线弹性范围内曲线基本重合， 当达到极限 承载力时， 所对应的钢管应变相差甚多， 且曲线下降趋势比 6 6 位移 mm 图 6 X GS L 一 3与试件 X G S L 一 4荷载一 位移 曲线 应 变 p , e 图 7 X G SL _ 3与试件 X G S L - 4钢管荷载一 应变曲线 宽厚 比小的构件有明显增大 ， 图形所包围的面积表示构件的 耗能能力， 明显说明了构件的耗能能力降低， 延性性能降低。 3结论 本试 验对 4根箱格式 L形钢管混凝土短柱构件进行 了轴压数值模拟试验， 通过改变其长宽比和宽厚比分析其 对构件轴压力学性能和延性性能 的影响 ， 得 出以下结论 ： ( 1 ) 构件的长宽 比增大 ， 构件极限承载力所有降低 ， 当 构件达到峰值荷 载时 ， 所对应 的位移变 化很大 ， 长宽 比越 大 ， 构件的延性性能越低 ， 反之亦然 。 ( 2 ) 改变钢管的壁厚 ， 变换宽厚 比发现 ， 随着宽厚 比的 增 大 ， 构件的极限承载力 有所 降低 ， 而峰值何 在所对 应的 位移变化很大 ， 宽厚 比越大 ， 构件的变形越小 ， 说 明构件的 延性性能越低 ， 耗能能力减弱 。 ( 3 ) 本试验中构件的延性 性能仅从构件的荷载一 位移 曲线中定性的分析 ， 如果要定量的分析构件的延性 系数需 要进一步对此构件做低周反复加载试 验来得 出精确的数 值 ， 进而得 出此构件满足工程要求 的延性系数 ， 并提 出合 理的满足实际要求的轴压 比限值 。 参考文献： 【 1 徐亚峰， 张宇博， S Y S O E V O E ， 等L形钢管混凝土芯柱正截面 承载力研究 J 】 _ 沈阳建筑大学学报： 自然科学版， 2 0 1 1 ( 7 ) 【 2 】 张继成， 沈祖炎， 林振宇 异形钢管混凝土轴压短柱的非线性分 析 J 1 桂林理工大学学报， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 1 ) ： 8 O 一 8 5 【 3 】黄海燕， 张子明 混凝土断裂能的统计分析 J 水利水电技术， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 9 ) ： 9 5 - 9 7 【 4 陈占龙， 何涛涛 方钢管混凝土柱钢管的非线性分析 J 山西建 筑， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 7 ) ： 8 8 8 9 【 5 刘展 A B A Q U S 6 6基础教程与实例详解【 M E 京： 中国水利水电 出版社 。 2 0 0 8 作者简介： 孙岩( 1 9 7 0 一 ) ， 女， 副教授， 高级工程师。 联系地址： 沈阳市沈北新区虎石台开发区蒲硕路8 8 号( 1 1 0 1 2 2 ) 联系电话 ： 1 3 5 0 4 9 9 0 4 9 9 8 6 4 2 O 8 6 4 2 z 镉挺 8 6 4 2 O 8 6 4 2 z 挺