型钢混凝土柱复合受扭性能的非线性有限元分析.pdf

2 0 1 6年第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 6 No 1 J a n u r a r y 型钢混凝土柱复合受扭性能的 非线性有限元分析 陈 杰 ， 邵永健 ， 徐佩登 ( 苏州科技学院土木工程学院 ， 2 1 5 0 1 1 ) 摘要 ： 基 于 4个 比例 为 1 ： 2的 H型铜 混凝 土柱在 单调荷载下的复合 受扭试验 运 用 A B A QUS建立相应的有 限 元分析模 型。通过对 比开裂扭矩、 极 限扭矩和扭矩一 扭 率曲线 ， 验证 了有 限元 分析在 型钢混凝土复合受扭性能研 究方 面的有效性 ， 分析 了轴压比、 扭弯比和混凝土强度 对型钢 混凝土柱复合受扭性能的影响。 研 究结果表 明， 提 高轴压 比可 提 高型钢 混凝 土柱 的极 限扭矩 ， 但对其后期延性不利 ； 扭 弯比的减 小使弯 曲损伤加大 ， 对 于构件极限抗扭不利 ； 提 高混 凝土强度 可提 高构件的极限扭矩 但后期延性 变差。 关键词 ： 型铜混凝土柱 ； 复合 受扭性能 ； A B AQ U S数值模拟 ； 轴压 比； 极限扭矩； 混凝土强度 Ab s t r a c t ： Ba s e d o n 出e c o mb i n e d t o r s i o n t e s t s o f 4 h a l f s e a l e S RC f S t e e l Re i n f o r c e d C o n c r e t e 1 c u mn s u n d e r mo n o t o n i c 1 o a d s ，c o r r e s p o n d i n g f i n i t e e l e me n t mo d e l s a r e e s t a b l i s h e d b y 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 s o f t wa r e o f A B A Q U S B y c o mp a ri n g t o r s i o n - t o r q u e c u r v e ， t h e v a l i d i t y a n d a c c u r a c y o f t h e fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s a r e v e ri fi e d i n t e r m s o f t h e r e s e a r c h a b o u t山e s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e T h e i n fl u e n c e o f t h e a x i a l c o mp r e s s i o n r a t i o 、 t o r s i o n b e n d i n g r a t i o a n d c o n c r e t e s t r e n g t h o n t h e p e r f o rm a n c e o f t h e S RC c o l u mn u n d e r t h e c o mb i n e d t o r s i o n a r e a n a l y z e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t i n c r e a s i n g of a x i a l c o mp r e s s i o n r a t i o c a n i mp r o v e t h e u l t i ma t e t o r q u e b u t b e u n f a v o r a b l e t o d e u t e r i e d u c t i l i t y T h e d e c r e a s e o f t o r s i o n b e n d i n g r a t i o t h e b e n d i n g d a ma g e i n c r e a s e s b u t i s u n f a v o r a b l e t o u l t i ma t e t o r q u e r e s i s t a n c e T h e i n c r e a s i n g o f c o n c r e t e s t r e n g t h i mp r o v e s t h e u l t i ma t e t o r q u e ，b u t t h e d e u t e r i e d u c t i l i t y d e c r e a s e s Ke y w o r d s ：S t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n ； C o mb i n e d t o r s i o n ； A B A Q U S n u m e r i c a l s i mu l a t i o n ； A x i a l c o m p r e s s i o n r a t i o ； Ul t i ma t e t o r q u e ； C o n c r e t e s t r e n g t h 中图分类号 ： T U 5 2 8 7 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 6 ) 0 1 4 2 0 4 O前 言 随着大跨 、 高层建筑的 日益增多 ， 型钢混凝土 ( S t e e l R e i n f o r c e d C o n c r e t e 。 以下简 称 S R C ) 在 实 际工 程 中得到了越来越广泛的运用。相比普通钢筋混凝 土 ， S R C的承载力更高 刚度更大 ， 变形能力更好 ， 这些特点使其在抗震中有着很好的表现。 生活 中建筑 结构 造 型越 来 越新 颖 ， 涌现 很 多不 规则结构 。 但其带来的扭转 问题也 日益突 出， 且国 内外对于 S R C结构受扭的研究相对较少 。 受扭是构 件受力的一种基本形态 ， 实际工程 中不少构件受压 力、 弯矩 、 剪力和扭矩的共 同作用 1 - 2 。因此 ， 对 S RC 复合受扭构件 的研究显得十分必要 。目前 ，对于 S R C的研究主要是采用试验和数值模拟两种手段 。 试验有其结果直 观 、 可靠等特点 ， 但费用高且周期 长 。 其结果受试验条件的影响也较大。计算机技术 和有限元模拟方法的发展带动了数值模拟 的运用 ， 基金项 目： 国家 自然基金 项 目( 5 1 0 7 8 2 4 9 ) 。 一 4 2一 其 以诸 多 优 势 成 为 研 究 混 凝 土 结 构 的 重 要 手 段 。 A B A Q U S在非线性分析模拟中运用广泛 ， 作为一款 强大的模 拟分 析软件 ，其可靠度得到 了大家 的认 可 。本文在课题组试验的基础上 ， 利用 A B A Q U S建 立 4个 S R C复合受扭构件 的分析模型 ， 将试验结果 与模拟数值结果进行对 比， 并以轴压 比、 扭弯比、 混 凝土强度为主要研究参数 。 来分析各 因素对受扭性 能 的影 响 。 1 型钢混凝土复合受扭试件参数 利用 AB A Q U S建立 4个 H型钢混凝土复合受 扭 柱 ( 编号 为 H S R C Z 1 HS R C Z 4 ) 的有 限元模 型 。柱 的截面尺寸为 3 0 0 m mx 3 0 0 m mx 9 0 0 mm，顶端 自由， 底端与尺寸为 4 6 0 mm x 5 0 0 m mx 1 2 0 0 mm的钢筋混凝 土 基 础 固 结 H 型 钢 的 截 面 尺 寸 为 H1 5 0 m m 1 5 0 m m x 7 mm x 1 0 mm。柱身距柱顶 2 5 0 mm区域内箍 筋为 C 8 5 0 。其余区域箍筋为 C 8 1 0 0 ，纵筋采用 6 C 1 2 。 型钢采用 Q 2 3 5 B， 其中， C表示 H R B 4 0 0钢筋 。 柱 的计算 高 度 为 8 2 0 ram，长 细 比为 8 2 0 x 2 3 0 0 = 陈 杰 ， 邵永健 ， 徐佩登 型钢混凝土柱复合受扭性能的非线性有限元分析 积 的 而模 拟是通过损伤 因子来控制 ， 两者有一定 的误 差 。 4影响 受扭 性 能的 因素 分析 影 响复合受扭性能的因素有很多 ， 本文主要讨 论 了不同轴压 比、 扭弯 比和混凝土强度对构件抗扭 性 能 的影 响 ， 见 图 9 一 图 1 1 。 4 1 轴 压 比 从 图 9可 以看 出 ， 混凝土开 裂前 ， 两 曲线 吻合 得较好 ， 轴压 比对刚度的影响很小 。开裂后进入塑 性 阶段 ，轴压力 的作用使混凝土处 于三 向受 力状 态 混凝 土强度 随轴压力的增加而提高 ， 同时轴压 力降低 了因扭转 引起 的拉应力 ，延缓 了裂缝的开 展 ， 因此 ， 极限扭矩也有一定的提高 。对 比下 降段 ， 此时轴压 比的增加使得混凝土的塑性应变加快 延 性相对降低。 O 0 0 2 0 0 4 0 O 6 O O 8 0 1 O 扭率 ( r a d m) 图 9 不 同轴 压 比 4 2扭 弯 比 从图 1 0可 以看出 ，扭弯 比越小表示柱受到的 弯矩 和剪力越大 ，提高了弯曲变形对于柱的破坏 ， 也使得柱的箍筋控制柱横向变形的能力受到削弱 ， 从而降低了型钢混凝土柱的极限扭矩 。但从图上看 出， 后期 两曲线 的下 降速率相差不 大 ， 扭弯 比对于 延性 的影 响 比较小 。 4 3混凝 土强 度 从 图 1 1可以看 出两 曲线的走势一致。开裂 前 柱的抗扭主要 由混凝土来提供 ， 所 以混凝土强 度越大柱的初始刚度越大。混凝土强度的提高使得 柱的开裂扭矩和极限扭矩都有所增加。混凝土强度 越高 ， 其塑性变形能力就相应降低 ， 从扭矩一 扭率 的 下降段可 以发现 ，混凝土强度高 的其下降速率越 大 ， 延性 越 不好 。 扭率 ( r a d m) 图 1 0 不 同扭弯 比 5结论 ( 1 ) 4 个试件 A B A Q U S 模拟结果与试验结果表 明 ：开 裂扭 矩 相差 在 1 5 9 以 内 。极 限扭矩 相 差 在 1 6 2 以内， 其误差都在可接受范围内， 且较为准确 地反映了型钢混凝土构件复合受扭的受力性能 说 明用本文所建立 的数值模 拟方法来分析型钢混凝 土构件的复合受扭性能是可行的。 ( 2 ) AB A Q U S虽然不 能直接观察 裂缝 ， 无法 得 到 裂 缝 的宽 度 ， 但 可 以通 过 云 图 能查 看 裂 缝 的发 展 趋 势及 其分 布情 况 。 ( 3 ) 轴压 比、 扭弯 比和混凝 土强度对极 限扭 矩 都有一定 的影响 ， 其极限扭矩均随这 3个参数的增 大而有所提高。 ( 4 ) 轴 压 比对 于延 性 的影 响 相 对 最 大 ， 且 随 轴 压 比的增大其延性降低 ； 提高混凝 土强度会使构件 延性有所下降 ； 扭弯 比的变化对构件延性 的影响相 对 最小 。 参考文献 ： 【 1 】 殷芝霖， 张誉， 王振东 抗 扭 M】 北京： 中国铁道 出版社， 1 9 9 0 图 1 1 不 同混凝土强度 2 梁书亭， 朱俊， 张根俞 型钢混凝土复合 受力构件受扭 性能 的试验研究 J J 工业建筑， 2 0 1 0 ， 4 o ( 1 1 ) ： 1 3 1 1 3 6 【 3 石亦平， 周玉蓉 A B A Q U S有 限元分析实例详解 M 北京： 机 械工业 出版社 2 0 0 6 4 庄茁， 张帆 A B A Q U S非线性有限元分析与实例 M 北京 ： 科 学出版社 2 0 0 3 5 】 张战廷， 刘宇 峰AB A Q U S中的混凝 土损伤塑 性模型 J 北 京： 建筑结构。 2 0 1 1 , 4 1 ( $ 2 ) ： 2 2 9 2 3 1 【 6 】V B i r t e l ， P Ma r k P a r a m e t e r i z e d f i n i t e e l e me n t mo d e l i n g o f R C B e a m S h e a r F a i l u r e C 2 0 0 6 A B A Q U S U s e r s C o n f e r e n c e ， 2 0 0 6 ： 9 5 1 0 8 7 过镇海 混凝 土的强度和本 构关系原理 与应用【 M】 北 京： 中国建筑工业出版社 2 0 0 4 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - 1 1 2 4 作者简 介： 陈杰( 1 9 8 9 一 ) ， 男 ， 在读研究生 。 通讯作者 ： 邵 永健( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 教授 。 通讯地址 ： 苏州科 技学院江枫校区 联 系 电话 ： 1 5 2 6 2 4 0 81 6 1( 陈杰 ) E- ma i l ： 1 1 9 1 4 4 5 9 6 7q q c o m 4 5