带约束拉杆L形钢管混凝土轴压柱受力性能分析.pdf

第 2 9卷第 4期 2 0 1 2年 l 2月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vf 1 1 29 No 4 De c 2 0l 2 带约束拉杆 L形钢管混凝土轴压柱受力性能分析 谭良斌， 刘 息， 朱勇杰， 杨哲光， 朱智俊 ( 湘潭大学a 土木 程与力学学院； b 流变力学研究所，湖南湘潭4 1 1 1 0 5 ) 摘要： 本文采用三维有限元分析软件 A N S Y S ， 针对带约束拉杆 L形钢管混凝土轴压柱的受力性能， 以试验中 c 1 、 c 2试件作为研究对象 ， 建立 r三维有限元数值分析模型。其 中， 不考虑钢管与核心混凝土之间的滑移； 拉 杆与核心混凝土、 钢管之间的连接采用 _ 了 点耦合法； 为了避免应力集中， 在柱顶和柱底均设置刚性垫块。计算 结果表明， 该模型是合理的。利用该模型， 对影响带约束拉杆 L形钢管混凝土轴压柱受力性能的因素： 拉杆纵 问距、 拉杆横向问距 、 拉杆直径、 钢管壁厚和偏心距等， 进行了参数分析 ， 为工程设 圾 应用提供了参考依据。 关键词： 约束拉杆 ； L形钢管混凝土柱； 承载力； 数值模拟 中图分类号 ： T U 3 9 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 2 ) 0 4 - 0 0 7 0 - 0 5 M e c ha n i c a l Be ha v i o r Ana l y s i s o f L- S ha p e CFT Ax i a l Co mpr e s s i o n Co l u mn s wi t h Bi n di ng Ba r s T A N L i a n g b i n ， L I U Z h o n g ， Z HU Y o n g - i e ， Y A N G Z h e g u a n g ， Z H U Z h i j u n ( a C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Me c h a n i c s ； b I n s t i t u t e o f R h e o l o g i c a l ， X i a n g t a n U n i v e r s i t y ， X i a n g t a n 4 1 1 1 0 5 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n n ume r i c a l s i mu l a t i o n a n a l y s i s。L s ha p e CF T a x i a 1 c o mp r e s s i o n e o l u n n l s wi t h b i n d i n g b a r s i s s t u d i e d i n t h i s p a p e r S p e c i m e n s C 1 、 C 2 w e r e t a k e n a s t h e r e s e a r c h o b j e c t A t h r e e d i me n s i o n a l fin i t e e l e me n t mo d e l wa s s e t u p b y ANS YS T he s l i p b e t we e n s t e e l t u b e a n d c o r e c o n c r e t e w a s n o t c o n s i d e r e d ， a n d t h e b o n d s o f s t e e l t u b e ， c o r e c o n c r e t e a n d b i n d i n g b a r s w e r e j o i n t e d b y u s i n g o f n o d e c o up l i n gT h e c o l umn c a p a n d c o l u mn b a s e wa s s e t r i g i d c u s hi o n t o a v o i d t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s i mu l a t i o n mo d e l i s r e a s o n a b l e Th e p a r a me t e r a n a l y s i s i s me c h a n i c a l b e h a v i o r o n L s h a p e CF T a x i a l c o mp r e s s i o n c o l u mn s wi t h bi n d i ng b a r s o f i n fl u e n c i n g f a c t o r s b y u s i n g t h e p r e s e n t e d mo d e ： d i s t a n c e b e t we e n a n d d i a me t e r o f b i n d i n g b a r s ，wi d t h - t h i c k n e s s r a t i o a n d e c c e n t r i c i t y ，Th e r e s u l t s o b t a i n e d i n t h i s s t u d y p r o v i d e s o me us e f u l r e f e r e n c e s f o r e n g i ne e r i n g d e s i g n a n d a p pl i c a t i o n Ke y wo r d s：b i n d i n g b a r s ；L s ha p e c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e；b e a r i n g c a p a c i t y；n u me r i c a l s i mu l a t i o n 钢管混凝土受压柱 由于承载力高 、 延性好 、 抗 震性能佳等特点 ， 近年来在土木工程 中被广泛应 用 。目前 ， 国内外对钢管混凝土受压柱 的试验和 理论研究 ， 主要集中在圆形 、 方形和矩形等截面形 式上 ， 对 L形等其它异形钢管混凝 土受压柱 的研究还不多见 。 L形钢管混凝土柱是指将混凝土填入 L形钢 管内而形成的组合结构 ， 在 L形钢管混凝土受压 柱 中， 由于钢管壁各边 中部对核心混凝土 的约束 作用小 。因此 ， 在这些部位设置具有约束钢板横 向变形作用的水平拉杆 ， 有助于提高钢管对核心 混凝土的约束效应 ， 改善构件的受力性能 1 0 , 1 1。 1 有 限元分析模型 1 1 试验概 述 针对带约束拉杆 L形钢管混凝 土轴压短柱 的受力性能 ， 蔡健等人进行 了大量的试验 ， 研 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 2 1 3 修回 日期 ： 2 0 1 2 4 ) 3 - 2 0 作者简介 ：谭 良破 ( 1 9 8 4 ) ， 男 ( 侗族 ) ， 湖 南芷江人 ， 硕士研究生 ， 研 究方 向为结构 1 程 ( E ma i l ： 4 1 0 7 4 1 4 1 3 q q c o m ) 7 2 土木工程 I j 管理学报 2 0 1 2年 比较结果表 明， 有限元计算结果和试验结果基本 吻合 ， 说明本文所建立的带约束拉杆 L形钢管混 凝土轴压短柱有 限元模型是有效的。 表 2 极限承载力的对 比 在达到极限荷载前 ， 试件 c 2中， 约束拉杆 的 应变较小 ， 第一排 和第三排的拉杆基本处 于弹性 工作阶段 ， 在接近极限荷载时 ， 第三排拉杆的应变 发展迅速 ， 很快达到屈服 ， 说 明第三拉杆对钢管壁 的约束作用明显 ， 而第一排拉杆并没有达到屈服 ， 如 图 4所示 图4 荷载 一 拉杆应变的关系曲线 试件 c 1 ， 在接近极 限荷载时 ， 试件 阳角边钢 管壁的侧向应变大于 阴角边钢管壁 的侧向应变 ， 如图 5 ( a ) 所示 ， 说明阳角边 的钢管壁对核心混凝 O 00l o 0 02 侧 向应 变 ( a 1 试 件c1 o O O1 o 0 02 o 00 3 o 00 4 侧 向 平 均 府 变 ( b ) 试 4 1 ：c2 荷载 一钢管侧向应变的关系曲线 土的约束大于阴角边。由于约束拉杆 的作用 ， 试 件 c 2 ， 在接近极 限荷载时 ， 阴角边钢管壁 的侧 向 应变大于阳角边钢管壁的侧向应变 ， 如图 5 ( b ) 所 示。与试件 c 1相 比， 钢管壁 的侧 向平 均应变均 增加 ， 说明约束拉杆使极限承载力对应的峰值应 变增加。 从开始加载至破坏， 试 件 C 2横截面 n 6线上 ( 如图6所示) ， 轴向应 变在柱高和柱高处 ， 基本 上都呈线性变化 ， 如图7所示。因此， 构件横截面 平均应变满足平截面假定 。在加载过程 中， 当荷 载达到极限荷 载的 8 0 左 右时 ， 钢管屈服 ， 而混 凝土没有达到峰值应变 。 阳 角 边X 图 6 截 面加载位置 0 01 0 一 O 00 8 O 00 6一O 0 04 0 0 02 0 00 0 z f a 1 1 2 柱高截面 0 O08 0 00 6 0 00 4 0 00 2 0 0 0 0 Sz f b )1 4 柱高截 图 7 沿 o 6 线的节点荷载一 纵向应变图 3 参数分析 本文以 C 2柱为参考 ， 对带约束拉杆 L形柱 ， g 恒 随 糍 瘿 0 量 恒 梧 窝 o O 0 0 O 0 0 第 4期 谭 良斌等： 带约束拉杆 L形钢管混凝土轴压柱受力性能分析 7 3 进行轴压参数分析 ， 讨论 了拉杆纵向间距 、 拉杆横 向间距 、 拉杆直径、 钢管壁厚和偏心距等 因素。 拉杆纵 向间距对试件荷载 一 纵 向位移 曲线的 影响 ， 如图 8所示 ， 可以看出 ： 试件的极限承载力 、 对应的纵 向位移均 随拉杆纵 向间距 的减小 而增 大， 但并不明显。因此 ， 工程设计 时， 不建议 采用 减小拉杆纵 向间距 的方法提高承载力 ， 从经济方 面考虑， 建议采用拉杆纵 向间距为 1 5 0 mm。 图8 拉杆纵向间距变化的影响 拉杆横 向间距对试件荷载 纵 向位移曲线的 影响 ， 如图 9所示 ， 可以看出： 试件的极 限承载力 、 对应的纵向位移均 随拉杆 横 向间距 的减小而增 大 ， 相对拉杆间距为 2 0 0 mm的试件 ， 拉杆间距 为 7 5 m m和 1 0 0 mm时 ， 试件 的极限承载力分别提 高了1 0 7 2 、 6 6 1 。且拉杆横向间距对试件 的 影响主要源于对核心混凝土的影响。 80 00 60 00 Z 40 00 20 00 O 0 l 2 3 4 5 6 Az mm 图 9 拉 杆横 向l 司距变化的影响 拉杆直径对试 件荷载 一纵 向位移 曲线 的影 响 ， 如 图 l 0所示 ， 可以看出 ： 试件 的极 限承载力 、 对应的纵向位移基本没有影响 ， 因此 ， 建议采用直 径为 1 0 m m的拉杆 。随钢管壁厚 的增加 ， 试件的 极 限承载力和刚度越大 ， 钢管对核心混凝土的约 束效应越强 ， 纵 向位移增加 ， 如 图 1 1所示 。当钢 管壁厚 由 6 n q m增加到 1 2 m m时 ， 其承载力提高 了5 0 6 8 。所以， 采用较大的壁厚， 试件的承载 力得到 了十分有效的提升 ， 且增 幅明显 。 p 曲线较 明显 的表 现 为两 阶段 ， 如 图 l 2 所示。第一 阶段 ， 混凝 土开裂前 ， p 曲线呈 线 0 1 2 3 4 5 Az mm 图 1 0 拉杆直径变化 的影响 O l 2 3 4 5 6 A m m 图 1 1 钢管壁厚变化的影响 性关系且侧向位移增加较小； 第二阶段 ， 混凝土开 裂至混凝土压碎 ， P A 曲线呈非线性关 系且 随荷 载增加侧 向位移增加较大。在同级荷载作用下 ， 偏心距越大 ， 试件柱中侧向变形越大 。因此 ， 在进 行设计 时， 宜减小偏心。偏心荷载方 向如图 6所 刁 4 结 论 图 1 2偏心距变化 的影 响 ( 1 ) 本文建立的带约束拉杆 L形钢管混凝土 柱有限元分析模 型， 其计算结果与试验数据吻合 较好 ， 证 明该模 型是合理 的。横截面平均应变基 本满足平截面假定。在轴向荷载作用下， 带约束 拉杆 L形钢管混凝土柱 ， 由于钢板侧 向变形受到 拉杆的约束 ， 使钢管对核心混凝土 的约束作用得 O O O 0 0 0 O O O O O O O 0 O 0 O 8 6 4 2 Z O 0 0 O O O 0 0 O O 0 O 0 O 0 O O O O O O O 4 2 0 8 6 4 2 Z 7 4 土木 ： 程 与管理学报 2 0 1 2年 到提 高 。 ( 2 ) 拉杆纵 向间距对试件 的极 限承载力 、 对 应的纵向位移影响不 明显。工程设计时 ， 不建议 采用。则拉杆横 向间距对试件 的极 限承载力 、 对 应的纵向位移影 响明显 ， 主要是源于对核心混凝 土的影响。而拉杆 直径对试件的极 限承载力 、 对 应的纵向位移基本没有影响。 ( 3 ) 随钢管壁厚的增加 ， 极 限承载力 、 试件刚 度和对应 的纵 向位移均增大。偏心距对带约束拉 杆 L形钢管混凝土柱的极 限承载力影 响较大 ， 在 进行设计时 ， 宜减小偏心 。 参考文献 1 R a n g a n B V， J o y c e M S t r e n g t h o f e c c e n t r i c a l l y l o a d e d s l e nd e r s t e e l t ub u l a r c o l umns fil l e d wi t h h i g h s t r e n g t h c o n c mt e J A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 1 9 9 2，( 6 ) ： 6 7 6 6 81 2 G a r d n e r N J U s e o f s p i r a l w e l d e d s t e e l t u b e s i n p i p e e e l u m n s f J J o u r n a l o f A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 6 8， 6 5 (1 i ) ： 9 3 7 9 4 2 3 1 A h m e d E l r e ma i l y ，A t o r o d A z i z i n a m i n i B e h a v i o r a n d s t r e n g t h o f c i r c u l a r c o n c r e t e fi l l e d t u b e c o l u mn J C o n s t r u c t i o n a l S t e e l Re s e a r c h， 2 0 0 2， ( 2 )： 1 5 6 7 一 l 5 9 1 4 翰林海 钢管混凝土结构 一 理论与实践 M 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 4 5 钟善 桐 钢 管混凝 土结 构 ( 第 3版 ) M 北京 ： 清 华大学出版社 ， 2 0 0 2 6 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构 ( 修订版) M 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 7 7 K e n j i S a k i n o ， H i r o y u k i N a k a h a r a ， S h o s u k e Mo r i n o ， e t a 1 B e h a v i o r o f c e n t r a l l y l o a d e d c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e s h o r t c o l u m n s J S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 1 3 o ( 2 ) ： 1 8 0 1 8 8 8 王丹 ， 吕西林 T形 、 I 形 钢管 混凝 土柱抗 震性 能 试验研究 J 建筑结构学报， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 4 ) ： 3 9 44 9 曹玉生， 王卉娜 ， 王东 异形钢管混凝土柱的延性 J j 工 啦建筑 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( s 1 ) ： 4 7 3 47 5 1 O 龙跃凌， 蔡建 带约束拉杆 L形钢管混凝上短柱 轴压性 能的试验研究 J 华南理工 大学学报， 2 0 0 6 ， 3 4 ( ) ： 8 7 - 9 2 1 1 左志亮， 蔡健 ， 朱昌宏 带约束拉杆 L形钢管混凝 土短柱的偏压承载力 J 工程力学， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 7 ) ： 1 61 1 6 7 1 2 N e o g i P K， S e n H K C o n c r e t e fi l l e d t u b u l a r s t e e l c o l u m n s u n d e r e c c e n t r i c l o a d i n g J T h e S t r u c t E n g r ， 1 9 6 9， 4 7 ( 5) ： 6 8 7 5 1 3 S h a k i r K h a h i H， Z e g h i c h e Z E x p e r i me n t a l b e h a v i o r o t c o n c r e t e -fi l l e d r o l l e d r e c t a n g u l a r h o l l o w s e c t i o n c o l u mn s J T h e S t r u c t E n g r ， 1 9 8 9 ， 6 7 ( 4 ) ： 3 2 4 3 2 9 + “+“+”+“ 卜 “+q - - ” “+ 一” _ 卜 ” + - 卜 ” 卜 ”卜 “ 一”+“卜 “十”+” 卜 “+” 卜 ”十一+一 卜 “+” +”+ “+”卜 “ - 4-“+”+”+一+”- 4- +”+”+“+”+“+”+ ( 上接第 6 9页) 参考文献 工梦恕2 1 世 纪是 隧道 及地下空 问大发 展 的年代 J 岩土工程界， 2 0 0 0， 3 ( 6 ) ：1 3 一 l 5 王建宇隧道 工程 和地下 空 间开发 在 可持续 发展 【 1 的地位 J 世界隧道 ， 1 9 9 6 ， ( 3 ) ：1 3 戴 亭 ，自宝 我国隧道及地下工程 发展 现状和 前景展望 J 东北公路 ， 2 0 0 0， ( 4 ) ： 9 0 9 2 李志厚， 杨晓华，来弘鹏， 等公路隧道特大塌方 成 分析及综合处治方法研究 J 工程地质学 报 ， 2 0 0 8 ，1 6 ( 6 ) ： 8 0 6 8 1 2 关宣树隧道 工程 施_丁要点集 M 北京 ： 人 民交 通 出版社 ， 2 0 0 3 霍 华浅埋公路隧道施工塌方事故的预防与整 治技术 研 究 J 中 国安 全 科 学 学 报 ，2 0 0 5 ，1 5 ( 7)：8 4 8 7 7 汪成兵 ， 朱合华隧道塌 方机制及其影 响凶素离散 元模拟 J 岩土_丁程学报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 3 ) ： 4 5 0 4 5 6 8 王海涛， 贾金青， 郁胜隧道管棚预支护的力学 行为及参数优化 J 中国公路学报， 2 0 1 0 ， 2 3 ( 4 ) ： 78I 83 9 周智勇， 陈建宏， 赵延平浅埋暗挖隧道管棚支护 饥理力学分析 J 科 技导报 ， 2 0 0 9 ， 2 7 ( 5 ) ： 4 7 - 5 】 1 0 郑俊杰 ， 章荣军 ， 杨庆年 ， 浅埋 隧道变基 床系数下锊 棚的力学机制分析 J 岩 程学报， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 8 ) ：1 1 6 5 1 1 7 1 1 1 高攀科 普氏卸简拱理论住治理隧道塌方巾的碰用 J 甘肃水利水电技术， 2 0 1 1 ， 4 7 ( 4 )： 5 l 一 5 2 1 2 水利水电科学研究院岩石力学 手册 M 北京： 水利水 电出版社 ，1 9 9 1 1 3 J T G D 7 0 2 0 0 4 ， 公路隧道施工技术规范 S jJJJ 2 3 4 5 6