受压弯异形截面型钢混凝土柱力学性能有限元分析.pdf

2 0 1 3年第 7期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 13 9 文章 编号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 1 3 9 - 0 4 受压弯异形截面型钢混凝土柱力学性能有 限元分析 潘朝 阳 ， 樊宝锋 ， 李 蕊 ( 1 深圳科宇工程顾 问有 限公 司 ， 广东 深圳5 1 8 0 8 1 ； 2 北京交通大学 土木建筑工程学 院 ， 北京 1 0 0 0 4 4 ) 摘要 ： 本文以万邦 中心 1 楼外框筒采用的异形型钢混凝土柱为研 究背景， 利用 A N S Y S建立了异形型钢 混凝 土柱 的组 合 式有 限元模 型 ， 对其 受力性 能进 行 了分析 ， 描 述 了型钢 与混 凝土 的应 力和 应 变分布 状 态 及构件混凝土裂缝发展过程。着重分析 了异形型钢混凝土柱在压 弯受力状 态下， 混凝土强度、 含钢率和 轴压 比等 因素 对构 件 受力性 能 的影 响。 关键词 ： 外框筒 异形型钢 型钢混凝土柱 受力特性有限元 中图分类号： T U 3 7 5 2 文献标识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 0 7 4 4 1 工 程 概 况 万邦中心地处行政商务 中心黄金地段 ， 南邻浮山 湾， 西傍太平山， 东为世界贸易中心， 工程由 1 、 2 塔楼 及 4层裙房组成。其 中， 1 楼高度为 2 3 2 4 m， 为商业 写字楼 ； 2 楼 高度为 1 0 0 0 I n ， 为高级公寓住宅 ； 裙 房 高度约 2 1 0 n l ， 主要 为 商 场 及 配 套 设 施 。如 图 1 所 示 。 图 1 整体效果 1 楼为超高层结构， 地下 4层 ， 地上 5 2层 ， 采用带 伸臂桁架并结合 巨型支撑 的型钢混凝 土组合框架结 构。为了满足建筑功能要求 ， 外框筒角部均采用形如 鱼钩 的异 形 截 面 型 钢 混 凝 土 柱 ， 含 钢 率 均 在 1 7 左 右 ， 采用混凝土等级为 C 6 5 ， 钢材等级为 Q 3 4 5 B 。截面 如图 2所示 。 对于这种异形的型钢混凝土柱 ， 还未见相关的系 收稿 日期 ： 2 o 1 2 - 1 1 - 2 5； 修回 日期： 2 o 1 3 - 0 3 - 2 5 作者简介 ： 潘朝 阳( 1 9 6 5 一) ， 男 ， 贵州贵 阳人 ， 高级工程师。 ( a )I 类 ( b )类 图 2 典 型异形型钢混凝土柱截面示意 统研究。在工作状态中， 由于钢和混凝土相互作用 ， 其 受力形式复杂且影 响因素较多 ， 因此对这种型钢混 凝 土组 合柱进 行 有 限元 分 析 ， 了解 这种 组 合 柱 的受 力 性能和破坏模式是十分必要 的， 并最终科学评价该种 结构形式 的安全性和可靠性。 本文利 用大型有 限元 软件 A N S Y S ， 建 立这种 异形型钢混凝 土柱 的有 限元 模 型， 并进 行非线 性分 析。通过计算 得到该 柱 的极 限承 载力 以及 混凝土 、 型钢的应 力分 布模式 和应变发 展情 况。同时， 进 一 1 4 0 铁道建筑 步 分析 了异 形 型 钢 混 凝 土 柱 在 压 弯 受 力 状 态 下 ， 混 凝土强度 、 含 钢率 和轴压 比等 因素 对构件 受力性 能 的 影 响 。 2异型钢混凝 土柱有 限元模型 在建立有 限元模型时 ， 采用组合式 的方法 ， 即 分别选用不同的单元来模拟混凝土、 型钢和钢筋 ， 并且 忽 略 它们之 间 的粘结 滑移影 响 。这 主要是 因为 型钢 与 混 凝 土 有 足 够 的 栓 钉 连 接 ， 认 为 它 们 能 较 好 地 共 同 工 作 。 2 1 模 型 单元 类型 本文采用 S O L I D 6 5单元模拟混凝土 ， 此单元是 八节点六面体单元 ， 具有塑性变形能力 ， 能够在 3个正 交方 向上 开裂 以及压 碎 。能较 形象 地描 述混凝 土 的带 裂缝 工作 性 能 ， 与 实 际情 况 较 接 近 。钢 筋 采用 2节 点 三维杆元 L I N K 8来模拟 ， 它 能承受单轴 拉力和压 力 ， 不能承受弯矩和剪力， 具有塑性变形能力 。钢骨采 用 8节点六面体单元 S O L I D 4 5来模拟 ， 这主要是因 为 S O L I D 4 5单元 可 以 用 于 大 变 形、 大应 变 和 塑性 分 析 。 2 2材 料本 构模 型 结 构材 料 的本构 关系对 结 构 的有 限元 分析结 果 有 重大 的影 响 ， 如 果所 选 用 的本 构 关 系 不 能很 好 地 反 映 材料的各项力学性能 ， 那么， 其他计算再精确也无法反 映结 构 的实际 受力特 征 。 采用 美 国学者 H o g n e s t a d建 议 的混 凝 土单 轴 受 压 应力 一应 变关 系 曲线 。A N S Y S程 序 中混 凝 土 采 用 Wi l l a m Wa r n k e五参数破坏准则 ， 混凝土开裂 的处 理采用弥散 裂缝 模式 。当混凝 土单元 在某 个积分 点处 的应力状态达到单轴、 双轴或三轴应力极 限时， 即 认 为该 点被 压碎 。 混凝土强度等级为 C 6 5， 型钢和钢筋的强度 等级 为 Q 3 4 5 b ， 采 用 理想 的弹 塑 性本 构模 型 。在 本 文 中 的 模 型采 用双线 性 随动强 化模 型 ， 该模 型遵 守 V o n Mi s e s 屈 服准则 。 2 3有 限元 模型 模型的几何尺寸 ： 柱的长度为 8 4 0 mm； 截面边长 尺寸为 7 4 m m， 1 7 1 m m， 1 4 4 m m； 纵筋直径为 6 mm， 1 2 mm， 1 6 mm， 箍 筋 直 径 为 6 mm， 栓 钉 直 径 为 1 0 mm， 长 度 为 4 0 mm； 型 钢厚 为 1 4 mm， 钢 垫 板 厚 为 2 0 m m。有 限元模型见 图 3 ， 其 中 ( a ) ， ( b ) ， ( C ) 分 别表 示整体有 限元 模型 、 型钢 有 限元模 型和 钢筋骨架 有 限元 模 型 。 对有限元模型施加位移约束。在柱底端中心位置 ( a ) 整体 ( b ) 型钢 ( c ) 钢 筋骨架 图 3 异形型钢混凝土柱有限元模型 处施加 ， y ， z三个方向的约束 ， 在柱顶端中心位置处 施加 ， l ， 两个方 向的水平约束 ， z方 向不设约束， 使 之不产生水平位移 ， 而在施加轴向压力后能产生竖 向 位 移 。在柱顶 部 施加 轴 向荷 载 ， 跨 中施 加 一个 集 中水 平推力 ， 水 平 推 力 的作 用 方 向为 沿 柱 截 面 弱 轴 方 向。 加载方式为首先给试件施加一定的界限轴压力 ， 然后 分级施 加水 平荷 载 至试 件 跨 中截 面 的钢 材 初 始 屈服 ， 之后缓 慢 加载 至试件 破坏 。 3异型钢混凝土柱有 限元分析 3 1荷载 一位 移 曲线 将有 限元计算得到 的荷载一位移 曲线 与试验 得到的曲线对 比， 如图 4所示。数值计算所得的极 限 荷载值与试验值的相对误差在 5 左右 ， 说明计算结 果 与试 验值 基本一 致 。两者 之 间的差距 主要 是 因为未 考虑型钢与混凝土之间的粘结滑移情况， 计算模型 的 整体刚度偏高。 Z 蜷 1 * 图 4 数值 与试 验荷 载一 位移曲线对 比 从 图 4可 以看 出 ， 在荷载 作 用初始 阶段 ， 计算 曲线 与试验 曲线吻合较好。但随着荷 载增加 ， 两 曲线逐渐 分离 ， 极 限承载 力 的计 算值 略 高于试 验值 ， 并且 计算得 1 4 2 铁道建筑 值提高 6 2 。混凝土强度等级对柱 中水平位 移的影 响则 不太 明显 ， 从 荷载 一位 移 曲线可 看 出 ， 在这 4种 强 度等级的情况下， 柱中水平位移 的计算结果相差不大。 4 2 轴压 比影 响 保持箍筋 间距为 6 0 m m， 含钢率为 1 6 7 0 ， 混凝 土强度为 C 6 5 ， 分别取轴压 比为 0 ， 0 2 5， 0 5 0和 0 7 5 ， 加载方式与上文一致 ， 得到不同轴压 比时的荷载一位 移 曲线 见 图 9 。 图 9 不 同轴压 比的荷载一位移 曲线 由 图 9可 以看 出 ， 轴 压 比对 型钢 混 凝 土 柱 在压 弯 状 态下 承载 力 的影响亦 较 显 著 。当 轴压 比 0 2 5时 ， 构件 的 极限承载力和水平位移随着轴压比的增大而减小。 4 3含钢 率影 响 计算模型与上文一致 ， 仅改变含钢率 ， 即轴压比为 0 5 ， 箍筋间距为 6 0 m m， 混凝土强度为 C 6 5 ， 分别取钢 骨厚 为 1 0 m m， 1 2 mm， 1 4 mm， 1 6 mm， 对 应 含 钢 率 为 1 1 9 ， 1 4 3 ， 1 6 7 ， 1 9 1 ， 加 载 方 式 与 上 文 一 致 ， 得 到 不 同含 钢 率 时的荷 载一位 移 曲线 ， 如 图 1 0 所示 。 1 oo o 90 0 8 0 0 7 0 0 Z 6 00 荟5 o 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 l O 0 0 图 1 0 不 同含钢率下 的荷载一位移 曲线 从 图 1 0可以看 出， 随着含钢率 的增高 ， 构件能承 受 的水平 推力极 限 荷载 逐 渐 增 大 ， 且 对 其 影 响 较 为显 著。例如 ， 含钢率为 1 6 7 时的极限荷载值要 比含钢 率为 1 1 9 时的极限荷载值提高约 6 7 。另外 ， 水平 位移随着含钢率的增加而增大。在其它参数一定的条 件下 ， 钢骨含量越高， 荷载一位移曲线越靠 近荷载轴 ， 表 明含 钢率 大 的构 件初 始刚 度大 。 5结 论 及 建 议 万邦 中心 1 楼外框筒采用异形 型钢混凝 土柱。 利用 A N S Y S程序建立 了异形型钢混凝土柱的组合式 有限元模型 ， 计算结果与试验结果基本 一致 ， 误差在 5 左 右 。得到 了型 钢 与混 凝 土 的应力 和应 变 分 布状 态 ， 同时 描述 出裂缝 的形成 和 发展 ， 揭 示 出 了结 构 的薄 弱部位和环节 。在参数化分析方面， 型钢混凝土柱在 压弯状态下的承载能力随混凝土强度、 轴压比、 含钢率 的增加而有所提高。柱中水平位移值随混凝土强度等 级 的变化相差不大， 随轴压比的减小而增大 ， 随着含钢 率 的增 加而 增大 。研究 成果 能够 为型 钢混凝 土结 构 的 分析和优化设计提供参考。 型钢混 凝土 柱是 由混 凝 土 、 钢材 等 多 种 材 料组 成 的构件， 自身力学性能复杂。本文对压弯状态下的型 钢混凝土柱做了一定 的研究 ， 下一步需建立可靠的粘 结滑移本构关系和计算理论 ， 以更精确地分析组合构 件 受力性 能 。另外 ， 在 复 杂受 力 状 态 下 的抗 震 性 能 以 及型钢混凝土组合柱梁柱节点 的受力性能等都值得深 入研究 。 参 考 文 献 1 叶列平 ， 方鄂华 钢骨混凝土构件 的受力性能研究综述 J 土木工程学 报 ， 2 0 0 0 ， 3 3 ( 5 ) ： 1 1 2 2 A N S Y S中国 A N S Y S非线性分析指南 M 北 京 ： A N S Y S中 国 ， 2 0 0 0 3 王连广 ， 李立新 ， 王德选 钢与 混凝土组 合结构非线 性分 析 M 沈 阳： 东北 大学 出版社 ， 2 0 0 0 4 江见鲸 ， 陆新 征 ， 叶列 平 混 凝 土结构 有 限元分 析 M 北 京 ： 清华 大学 出版社 ， 2 0 0 5 5 侯卫 ， 郝 丽 ， 周 雪 峰 型钢 混凝 土异 形柱 有 限元 建模 研 究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 3 ( 4 ) ： 1 6 6 1 6 8 6 李蕊 异形型钢混凝 土柱 受力性 能的试验 研究及有 限元分 析 D 北京 ： 北京交通大学 ， 2 0 0 8 ( 责任 审编 王红) 咖咖咖瑚 伽 瑚 o z R姑 *