矩形钢管混凝土构件基本剪切性能研究.pdf

2 0 1 0年 第 3期 铁道建筑 Ra i l wa y En gi n e e r i ng 1 09 文 章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 1 0 9 0 3 矩形钢管混凝土构 件基本 剪切性能研 究 史艳 莉 ， 陈宇超 ， 王文达 ( 1 兰州理 工大学 土木工程 学院 ， 兰州7 3 0 0 5 0 ；2 辽东学院 城市建设学院 ， 辽 宁 丹东 1 1 8 0 0 1 ) 摘 要 ： 基 于 A B A Q U S软 件 ， 建立 了圆形及 矩形钢 管混 凝 土构件 纯剪 时 的数值 模 型 ， 并 经 圆形及 方形 构件 纯剪试 验结 果对理 论模 型进 行 了验证 ， 对 矩形截 面钢 管混凝 土 构件 纯 剪 受力 下 的 力学性 能 进行 了参数 分析 ， 建议 了矩形 钢 管混凝 土构 件 纯剪 受力下极 限抗 剪承 载 力的计 算公 式。 关键词 ： 矩形钢管混凝土 纯剪 力学性能 数值模拟 参数分析 中图分 类号 ： T U3 9 8 文 献标 识码 ： A 目前 ， 对矩形 钢 管混 凝 土 构 件 轴压 、 压 弯 、 纯 弯等 荷 载作 用下 的力 学性能 和设 计方 法 的研 究较 多 。 ， 对 其在横向受剪情况下的设计方法很少见报道， 对钢管 混凝土 剪切性 能 的研究 主要 集 中在 圆形 截 面和方 形截 面构件 方 面 ， 如 文 献 4 进 行 了 圆形 钢 管 混 凝 土构 件 的剪切 试验研 究 ， 文献 5 进 行 了 1 8个 圆钢 管 混凝 士 试 件 和 1 1 个方 钢混 凝 士试件 的剪 切试 验研 究 。 本 文基 于 A B A Q U S软件 分 别建 立 了圆 形 、 方形 及 矩 形钢 管混凝 土构 件横 向受 剪时 的三维 有 限元数 值分 析模 型 ， 并基 于此理 论模 型 ， 进 行 了 1 0 8个 矩形 钢 管混 凝 土构 件纯剪 受力 时 的参 数 分 析 ， 得 到 了各 主要 参 数 对 其荷 载一 变形 曲线 的影 响规律 。 1 有限元模型 的建 立 1 1材 料模型 建 立矩形 钢管 混凝 土构 件在横 向剪 切 时有 限元模 型时 ， 合 理 的 材料 模 型 是 数 值 模 拟 成 功 与 否 的 关 键 。 本 文在 建立其 A B A Q U S有 限元 模 型 时 ， 钢 管 采 用 弹塑 性材 料模 型 ， 其 中低 碳 软钢 的应 力一 应 变关 系采 用 二 次塑流模型 ， 高强钢材则采用线性强化模型 ， 具体表达 式见 文献 1 。核心 混凝 土采用 A B A Q U S中 的混凝 土 塑性 损伤 模型 ， 混 凝 土 单轴 受 压 等 效应 力 一应 变 关 系 采用文献 1 中表达式 ， 混凝土受拉 时的软化性能采 用 A B A Q U S中 提 供 的 应 力一 断 裂 能 表 达 式 。构 件 两端 的加载板是 为避 免加 载过 程 中产 生应 力集 中而设 的 ， 加 载板定 义为 不 可变 形 的弹性 材 料 ， 在有 限元模 型 收 稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 7 3 0； 修 回 日期 ： 2 0 0 9 1 2 - 1 2 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 -05 ) 兰州理工大学博士基金( S B 0 4 2 0 0 8 0 1 ) 。 作者简介： 史艳莉 ( 1 9 7 7 一) ， 女 ， 河北涿州人， 讲 师， 硕士。 中其弹性模量可定义为 1 0 M P a ， 泊松比为0 0 0 0 1 。 1 2单元模 型 、 接 触模 型及 网格 划分 混凝 土 、 钢 管 、 加 载板三 者均 采用 8节点 缩减积 分 格式 的 C 3 D 8三维 实体 单元 。钢 管 和核 心 昆凝 土之 间 的接 触考虑 法 向接触 ， 采用 大刚度 接触 单元来 模 拟 ， 切 向接 触采 用 库 伦 摩 擦 来 模 拟 。钢 管 及 混 凝 土 与 加 载板 均采用 绑定 约束 ， 保 证 加 载板 和混 凝 土 在 接触 面 上位 移一致 。网格划 分采用 网格 试验 的方 法来确定 合 理 的网格密 度 。典 型 的矩形 钢管 混凝 土构件 横 向受 力 分 析 的有 限元模 型见 图 1 。 固 定边 界条件 图 l 矩形钢管混凝士构件纯剪有 限元 网格及边界条件 1 3荷 载施 加及边 界条 件 矩 形钢 管混凝 土构 件纯 剪模 型试件 通过施 加横 向 位 移进 行求 解 ， 位 移荷 载 施 加 分为 强 轴 和 弱轴 两个 方 向， 横向位移施加于加载板顶端 ， 底端采用 固定约束。 典 型 的构件 荷载及 边 界条件 施加模 式见 图 1 。 2 模 型验证 由于未 搜 集 到 矩 形 钢 管 混 凝 土构 件 纯 剪 试 验 数 据 ， 图 2和 图 3中仅 给 出 了部分 圆形 和 方 形 钢管 混 凝 土 纯剪构 件试 验 结 果 的荷 载一 变形 ( P 一) 全 过 程曲线 对 比。其 中 ， P 为剪 力 ， 为试 件 变形 。 可 见 ， 理论计算与试验结果总体上吻合较好 ， 部分存在一定 差 异 ， 主要原 因是钢 管 混 凝 土构 件 纯 剪 受 力试 验 的实 l l 0 铁道建筑 Ma r c h， 2 0 1 0 注： D为圆形试件截面直径， t 为钢管壁厚 为钢材屈服强度 为混凝土强度 ， m为剪跨比。 图 2 圆形钢管混凝土构件横 向受剪时理论与试验 P 一关系 曲线 比较 注 ： 为方钢管构件截 面边长。 图 3 方形钢管混凝土构件横 向受剪时理论 与试验 P 一关系曲线比较 际边界 条件 与理 论模 型 的 边 界 条 件之 间 有 一定 的差 异 ， 使试 验测试得 到的试件 刚度小 于理论计算 结果 。 3 典型破坏模态分析 由图 4 ( a ) 可见 ， 矩形 钢管 混凝 土强 轴方 向受剪 时 角点的主应力分布较其它位置集 中， 非受剪面 比直接 受剪 面主应力 大 ， 构 件屈 服 时非 受 剪 面 向外 翘 起 。图 4 ( b ) 为 弱轴方 向受剪情 况 ， 同样可 以看 到角 点 处主 应 力较为集 中 ， 弱轴方 向受剪 时 非受 剪 面主 应力 大 于受 剪面 主应 力 ， 屈服 时非受剪 面 向外翘 起 ， 且非 受剪面翘 起 比绕强轴受剪时更 明显， 弱轴方向非受剪面的对应 的应力小 于强轴方 向非受剪 面对应 的应 力 。 蹈 黪 隧 锤 豳 ( a )强轴方 向 f b )弱轴方 向 图 4 矩形钢管混凝土纯扭 构件达到 极限承载力时刻的应力分布图 4 参数分析 为进 一步 了解 较大参 数范 围内矩形钢 管混凝 土构 件横 向受 剪时 的力 学性 能 ， 基 于 以上 有 限元 数值 分 析 模型， 选取典型算例进行参数分析。典型算例 的基本 条件为 ： 截面高宽比卢=1 5 ( 定义 =D I B， 其 中， D为 矩形构 件截 面长边尺 寸， 曰为其 短边 尺寸， B=4 0 0 IT I I l1 ) ， 含钢率 口=0 1 ， 钢材屈服强度 =3 4 5 MP a ， 混 凝土强度 f c = 6 0 MP a 。参数 分析范 围为 = 2 3 53 9 0 M P a , f o = 3 0 9 0 MP a ， =0 0 50 2 0 ， 口=12 。文 献 1 对 圆形 及 方形 钢管 混 凝 土受 剪 分 析表 明， 剪 跨 比 m0 2 ( 剪 跨 比定义 为 m = L D或 L B， 其 中 ， 工为 试件长度 ， D 为圆试件截面直径 ， 曰为 方试件截 面边 长) 时， 构件为剪切破坏； 0 2 m0 4时， 构件为弯剪 破坏 ； m 0 4时 ， 构件为弯曲破坏。所以， 本文分析时 试件的剪跨比均取 m=0 2 。图 5给出了各主要参数 对矩形钢管混凝土构件绕强轴纯剪受力时的 Jr 一 关 系全 曲线 的部分 影响规 律 - ， 。 各 主要 参数 的影响规 律归纳 如下 ： 1 ) 钢材 强度 ( ) 。图 5 ( a ) 给 出 了钢材 强度 对 r y关系的影响。可见 ， 随着 提高， 构件抗剪承载 力提 高 ， 初始 刚度无 明显变 化 ； 总体 上 ， 钢材 强度 主 要影响曲线的数值， 而对 曲线的形状影响不显著。 2 ) 混凝 土强 度 ( ) 。 图 5 ( b ) 给 出 了混凝 土强 度 对 y关系的影响。可见 ， 随着 提高 ， 构件抗剪 承载力提高， 初始刚度无明显变化； 总体上 ， 混凝土强 度 对极限抗剪承载力有一定影响， 对曲线后期形状 影 响不 明显 。 3 ) 含钢率( O 1 ) 。图5 ( C ) 给出了含钢率 a对 r 关系的影响规律。可见 ， 随着 提高 ， 构件抗剪承载 力有明显提高 ， 初始刚度变化不明显 ， 但曲线后期强化 刚度 增加 。 4 ) 截面高宽比( ) 。图 5 ( d ) 给出了截面高宽 比卢 对 r y关系的影响。可见 ， 随着 卢的提高， 构件的抗 剪承载力降低， 初始刚度变化不大； 总体上， 截面高宽 比 主要影响曲线的数值 ， 而对曲线形状影响不大， 其 主要原 因是 随着高宽 比J B的增大 ， 构件截 面 D 与 相 差过大 ， 导致钢管长边 D或短边 对混凝土的约束作 矩形钢管混凝土构件基本剪切性能研究 剪应变r 1 0 (a 】 钢材强度 5 O 4 o 毛3 0 2 0 1 0 图 5 各主要参数对矩形钢管混凝土构件 r 曲线影响( 绕强轴受剪 ) 用 趋于 不 明显 。 5 抗 剪承载 力计算探讨 基 于 以上 参 数分 析 ， 可 回归 给 出矩 形 钢 管 混凝 土 构 件抗 剪 承 载力 系 数 与截 面 高 宽 比 和约 束效 应 系数 乘 积之 间 的关 系 ， 如 图 6所示 。图 6分 别 给 出 了绕强 轴 和弱轴 时 的相 互关 系 ， 而式 ( 1 ) 和式 ( 2 ) 分 别 为绕强 轴和弱 轴 方 向矩 形钢 管混 凝土 构件 抗剪承 载 力 系数 y 的表 达式 。 = 0 2 1 n ( | 8 )+0 7 X ( 1 ) y =一0 0 1 2 ( ) +0 1 ( )+0 5 X ( 2 ) 式 中 ， 为 计 算 参 数 。强 轴 方 向 ， 当 3=1 0时 ， X = 0 8 2 ； 当 卢：1 5时 ， X = 0 9 6 ； 当 卢= 2 0时 ， X =1 0 3 。 弱轴方 向， 当卢=1 0时 ， X = 0 7 1 4 ； 当 卢=1 5时 ， X = 0 9 1 ； 当 = 2 0时 ， X = 1 4 3 。中间数值插值 。 匪 i 困 0 2 4 6 8 ( b )弱轴方 向 图 6 矩形钢管混凝土抗剪承载力系数 y 关系 确 定矩形 钢 管混凝 土构 件抗 剪 承载 力 系数 后 ， 得到矩 形钢 管混 凝土构 件抗 剪承 载力 计算 公式 为 V =y A ( 3) 式 中， y ， 为 矩形 钢 管 混 凝 土 构 件 抗 剪 承 载 力 系 数 ， A ， 为矩形 钢管混 凝 土构件 截 面面 积 ， T s c y 为 矩形 钢 管 混 凝 土构件 组合抗 剪 屈服 指 标 ， 由矩形 钢 管 混 凝 土 构件 纯 扭 受力 时确定 。 Jr 0 3 1 n ( )+0 3 X i s ( 4 ) 式 中 ， 为计 算参 数 ， 当 卢=1 0时 ， X = 0 7 9 ； 当 卢： i 5时， X =0 8 6 ； 当 =2 0时， X =1 2 ， 中间数值 插 值 。 为矩形 钢 管混 凝 土 构 件组 合 轴 压 强度 指 标 ， 可 参考 文献 1 确定 ， 或参 考 现 行设 计 规 程 D B J 1 3 5 1 2 0 0 3 及 D B 6 2 T 2 5 3 0 4 1 2 0 0 9 确定 。 公 式 ( 3 ) 的适用 范 围为混 凝 土强 度 C 3 0C 6 0 ， 钢 材强度 Q 2 3 5Q 3 9 O， 截面高宽比 =1 2 ， 含钢率 O L = 0 0 5 0 2 0 ， 剪跨 比 m0 2 。 虽 然未 收集 到 矩 形 钢 管 混 凝 土 构 件 纯 剪 试 验 数 据 ， 但 式 ( 3 ) 在 =1时适 用 于方 形 钢管 混凝 土 受 剪构 件 ， 图 7给出式 ( 3 ) 计 算 结 果 与文 献 4 中 方形 钢 管混 凝土 构件 纯剪计 算公 式结 果 的对 比 ， 计 算 结果 均 方差 为 0 0 9 ， 可 见 两种 计 算 公 式 总体 上 吻合 良好 ， 且由于本文回归 y 系数时尽可能取低包络值( 如图 6 所示 ) ， 本 文公 式结果 更偏 于安 全 。 图 7 式 ( 3 ) 计 算结 果 。 与文献 4 计算结果 对 比 6 结 论 基 于 A B A Q U S的三 维 有 限 元 数 值 模 型 可较 好 地 模 拟矩形 钢管 混凝 土构件 横 向受剪 下 的力 学性 能 。基 于此 理论模 型 ， 可对 各 主 要参 数 对 其 力学 性 能 的影 响 进行 参数 分析 。本 文建议 了矩 形钢 管混凝 土构 件抗剪 承 载力计 算公 式 ， 可 为工 程设计 提供 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 ) M 北 京 ： 科 学 出 版社 ， 2 0 0 7 2 杨有福 矩形 钢管混凝土构 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 3 韩林海 ， 陶忠， 王文达 现代组合结构 和混合结构一试验 、 理 论和方法 M 北京 ： 科 学出版社 ， 2 0 0 9 4 徐春丽 钢管 混凝 土柱抗 剪承 载力试验 研究 D 济南 ： 山 东科技大学 ， 2 0 0 4 5 郭淑丽 钢管混凝土柱抗 剪力 学性 能研究 D 福 州 ： 福州 大 学 ， 2 0 0 8 6 陈宇超 矩形钢管混凝土 构件 复合 受力 时力学性能 与设计 方法研究 D 兰州 ： 兰州理 工大学 ， 2 0 0 9 7 福建省工程 建设 标准 D B J 1 3 5 1 2 O O 3 钢 管混 凝土结 构 技术规程 S 福州 ： 福建省建设厅 ， 2 0 0 3 8 甘肃省工程建设标准 D B 6 2 T 2 5 3 0 4 1 -2 0 0 9 钢 管混凝土 结构技术规程 s 兰州 ： 甘肃省建 设厅 ， 甘肃省质量技 术监督 局 2 0 0 9 ( 责任 审编 白敏华) 8 6 向 、 万 轴 强 2 ， a O