带肋薄壁方钢管混凝土组合柱的非线性有限元分析.pdf

2 0 1 1 年第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 011 No 8 Au g u s t 带肋薄壁方钢管混凝土组合柱的非线性有限元分析 张 平 ， 李佰 寿 ， 郑玉今 ( 延边 大学 结 构工 程学 科 ， 1 3 3 0 0 2 ) 摘 要 ： 针 对薄壁 方钢管混凝土在轴压 下易产 生局部 屈曲 问题 ， 考虑材料本构关 系的非 线性 ， 利 用 ANS YS程序 建立 了不带肋和带肋的薄壁方钢 管混凝 土组合 柱的三维有 限元模型 ； 在普通钢管混凝 土工作原理基础 上 ， 对 带肋薄 壁方钢管混凝土受力机理进行 了探讨 。揭 示 出受力过程 中带肋 薄壁钢 管与核 心混凝土截 面应力分布发展规律及 二 者间的相 互作 用。 结果表明 ， 设 肋后 显著 削弱钢管 角部应 力 ， 增大核心混凝 土区面积 ， 即增 强了对核 心混凝 土的约束 效应 ， 改善 了薄壁方钢 管混凝 土柱 的局 部屈 曲性能 ， 增强 了承载力和延性 。 关键词 ： 带肋 组合柱 ； 核 心混凝土 ； 局部屈 曲 ； 非线性有 限元 ； 应力应 变 Ab s t r a c t ： Ai me d a t t h e p r o b l e m o n l o c a l b u c k l i n g o f t h i n wa l l e d c o n c r e t e fi l l e d s q u a r e s t e e l t u b e s u n d e r a x i a l c o mp r e s s i v e l o a d i n g ， c o n s i d e rin g t h e n o n l i n e a r ma t e r i a l c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n ，u s i n g ANS YS p r o g r a m t o e s t a b l i s h t h e t h r e e d i me n s i o n a l fi n i t e e l e me n t mo d e l o f t h e n o n r i b b e d a n d r i b b e d t h i n wa l l e d c o n c r e t e fi l l e d s q u a r e s t e e l t u b e s o f c o mp o s i t e c o l u mn s ， o n t h e b a s e o f t h e wo r k i n g p ri n c i p l e f o r c o mmo n c o n c r e t e wi t h s t e e l t u b e s ， t h e s t r e s s me c h a n i s m o f r i b b e d thi n w a l l e d c o n c r e t e fi l l e d s q u a r e s t e e l t u b e s i s d i s c u s s e d ，wh i c h r e v e a l s t h e d e v e l o p i n g r u l e s o f s t r e s s d i s t r i b u t i o n a n d t h e i n t e r a c t i o n b e t we e n ri b b e d t h i n - w a l l e d s t e e l t u b e a n d c o r e c o n c r e t e s e c t i o n i n t h e s t r e s s p r o c e s s T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t r e s s o f s t e e l t u b e c o rue r i s s i g n i fi c a n t l y we a k e n e d a f t e r r i b b e d ， a n d i n c r e a s i n g t h e a r e a o f c o r e c o n c r e t e ， n a me l y e n h a n c i n g t h e b i n d i n g e f f e c t o n c o r e c o n c r e t e ，c a n i mp r o v e t h e l o c a l b u c k l i n g p e r f o r ma n c e o f t h e t h i n wa l l e d c o n c r e t e c o l u mn s fi l l e d s q u a r e s t e e l t u b e s ， a n d e n h a n c e t h e b e a r i n g c a p a c i t y a n d d u c t i l i t y Ke y wor ds： Ri b be d c o mp o s i t e c o l u mn s ；Co r e c o nc r e t e ；Loc a l b uc k l i ng ；No n l i ne a r f i ni t e e l e me n t ；S t r e s s - s t r a i n 中图分类号 ： T U 3 7 5 3 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) 0 8 - 3 1 - 0 4 0前 言 近年来 ， 随 着 高强 钢 材 在 国 内外 的不 断 推 广应 用 ， 采用高强钢材制作 的结构构件开始 向薄壁 化方 向发展 ， 薄钢组合结构是近年来发展起来的一种新 型结构形式。薄壁钢管混凝土组合柱是在传统钢管 混凝土结构 的基础上 由薄壁钢管 与混凝土组合而 成 的结 构 形式 ， 填充 的混凝 土提 高 了薄 壁 构件 的局 部屈 曲强度性能 ， 而薄壁钢管既可作柱的模板又 同 时起到 了受力纵筋和约束箍筋的作用 ， 可以减少钢 材用量 ， 达到降低工程造价 的目的。 但是薄壁钢管混凝 土在轴 向压力作 用下较易 产生局部屈曲 ， 从而 降低 构件承载能力 ， 并影响其 正 常工 作 性 能 ， 尤其 是 当构 件截 面 形 状 为 方形 或 矩 形 时 ， 即使管 内填充混凝 土 ， 外部方 钢管仍会发生 局部屈曲 咽， 外部方钢管的屈曲使方钢管 的强度不 能得 到充分的利用( 不是全截面有效 ) ， 同时 ， 管壁 的局 部 屈 曲 减 弱 了方 钢 管 对 核 心 混 凝 土 的 紧 箍 约 束作 用 ， 从 而 降 低 了核 心混 凝 土 的轴 向承 载力 。为 此 ， 国 内外 研 究 者先 后 提 出一 些 抵 消 这种 影 响 的构 造措 施 ， 主 要包 括 设 置 纵 向加 劲肋 3 删、采 用 约束 拉 杆 6 - 7 和角 部 隅 撑I现 这 三种 方 法 。本 研 究针 对 薄 壁方 钢管混凝土在轴压下易产生局部屈曲问题 ， 考虑材 料本构关系 的非线性 ，利用 A N S Y S程序建立 了不 带肋 和带肋 的薄壁方 钢管混凝土组合柱的三维有 限元模型 ， 揭示受力过程 中带肋薄壁钢管与核心混 凝土截面应力分布发展规律及二者间的相互作用 ， 探究 薄壁 方 钢管 混凝 土 的受 力机 理 。 1试 件模 型 介绍 为 研 究薄 壁 方 钢 管混 凝 土 组 合柱 ， 确定 轴 压 极 限 承载力 ， 试 件 的长 度必 须适 当。过 长 的试件 ， 将 会 出现整体稳定问题 ， 此 时测得的抗力不能代表组合 材料 的真 实 强度 ； 过 短 的试件 端 部 效 应 的影 响 将 不 可忽略。 因此 ， 取试件长宽比等于 3 9 1 。 混凝土强度等 级 为 C 3 0 ，弹性 模 量 E c = 3 0 x l 0 4 MP a ，泊松 比 V c = 0 2 ； 钢材型号为 Q 2 3 5 ， 屈服强度取 3 5 0 MP a ， 弹性模 量 E s = 2 0 6 x l O 5 Mp a ， 泊 松 比 V s = 0 3 ， 构 件 主 要 参 数 见表 1 。 2有 限元 模型 的 建立 2 1 单 元类 型 的选 择 薄 壁 钢管 、垫 板 和加 劲 肋 采 用 S O L I D 4 5单 元 模 一 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 8期 混凝 土与水 泥制 品 总第 1 8 4期 表 1 构件编号及主要参数 注 ： D 为方 钢管 截 面 边 长 ， L为 构 件 长 度 ， t为 构 件 厚 度 ， b s 为加劲肋截面宽度 ， t s 为肋板厚度 。 拟 ， 该单元具有塑性 、 蠕变 、 膨胀 、 应力强化 、 大变形 和大应变的特征 ， 有利于控制缩减积分的选项。 混凝 土 采 用 S 0 UD 6 5单 元模 拟 ，其 是 A N S Y S 专 门定义的混凝土单元 ， 采用 S 0 uD 6 5单元特有的 混 凝 土单 元 数据 来定 义 混凝 土 的强 度 准则 ， 核 心 混 凝 土抗 压 强度 、 弹性模 量 、 泊 松 比 ； 该 单 元 可 以综合 考 虑 塑性 和徐 变 引起 的 材料 非线 性 、 大 位 移 引起 的 几 个 非 线性 、 混 凝 土开 裂 ( 三 个 正 交 方 向) 和 压 碎 引 起的非线性等多种混凝土材料特性。 2 2 材料本构关系的选择 ( 1 ) 钢材 的本构关 系 薄壁钢管和加劲肋 均采用 理想 的线 弹性模 型 ( L i n e a r e l a s t i c ) 和双线性弹性材料( B K I N ) 模型， 钢 材单 轴应 力状态 下应 力一 应变 曲线 如 图 1 ( a ) 所示 。 ( 2 ) 混 凝土 的本构 关系 混凝土本构关系对 型钢混凝土结构 的非线性 分析具有非常重要的影响 ， 混凝土材料的本质特点 是 材料 组 成 的不 均 匀 性 ， 其 工 作 机 理 特 征 ： 微 裂 缝 存 在并 构成 较 大 的宏 观裂缝 ，宏 观裂 缝继 续 发 展 ， 最终 导致 混 凝 土结构 的破坏 。在钢 管 混凝 土 中 ， 钢 管 和混 凝 土 之 间 的相 互作 用使 得 核 心 混 凝 土 的 工 作性 能变 得 更加 复杂 化 。因此 ， 采 用刘 威 提 出 的钢 管混凝 土 的核心混 凝 土 的应 力 一 应 变关 系模 型 】 ” ， 如 图 l ( b ) 所示 。 ( a ) 钢材单轴应 力一 应变关 系 ( b ) 混凝 土单轴受压 应力一 应变关系 图 1 材料应力一 应变关系 一 3 2 2 3 构件模 型 的建立 与 网格 划分 建立薄壁方钢管混凝土组合柱的模型 ， 由于薄 壁方钢管单元尺寸不易控制 ， 采用 自上而下直接建 立节点的方法 ， 然后连接节点形成有限元单元建模 方 法 ， 为 了 防止 应 力 集 中现 象 ， 在 薄 壁 钢 管 混凝 土 组 合柱 的上下 两端 加设 1 5 m m 垫板 ，并且 不考 虑薄 壁 方 钢管 和混 凝 土之 间 的粘结 滑 移 的模 型 ， 对 节点 进行合并和压缩编号 ， 使核心混凝土和薄壁方钢管 共用节点 ， 共同受力 ， 不发生粘结滑移破坏。 网格 划 分 是 有 限元 分 析 中相 当关 键 的一 个 步 骤 ，网格 划 分 的好 坏 直 接 影 响 到解 算 的精 度 和 速 度 ， 因此在模型生成时应结合网格试验确定合理的 网格 密 度 。在 A N S Y S中 ， 网格 划分 有 三个 步 骤 ： 定 义单 元属 性 ( 包 括实 常 数 ) 、 在几 何 模 型上 定 义 网格 属性 、 划分 网格 。 本文 采用 的是 S O L 1 D 6 5和 S 0 UD 4 5 实体单元，网格单元划分为边长为 1 5 ram的六面体 如 图 2 。 霹 ( a ) 不带肋钢管模型 ( b ) 带肋 钢管模 型 ( c ) 钢管混凝 土模型 图 2 网格划分及加载 图 2 4收敛控 制策 略 ( 1 ) 加载和边界条件 加 载 模 型 采 用一 端 固支 、一 端 自由 的方 式 加 载 ，对柱 子底 端截 面的所有 节 点施 加 X 、 Y 、 z 三个 方 向位移 约束 ， 柱顶截面施加轴 向荷载 ， 为了保证不 造成 应 力 集 中 ， 避 免局 部 单 元 破 坏 ， 在模 型顶 部 加 1 5 m m 厚 刚性垫 板 ， 轴 向荷载 施加 在 刚性 垫 板上 ， 刚 性 垫板 把 轴 向荷 载 转 化 成 均 布荷 载 施 加 于 模 型 上 如 图 3 ( c ) 。 ( 2 ) 混凝 土压 碎设 置 分析混凝 土裂缝张开剪力传递系数和裂缝闭 合剪力传递 系数分别取 0 3 5和 0 9 。由于需进行极 限承载力分析 ， 为计算时达到收敛并且收敛精度较 好 ， 关 闭压碎 选项 。 ( 3 ) 强度破 坏 准则 采 用 A N S Y S程 序 自带 的 Wi l l a m Wa mk e五参 数破坏准则 ； 多线性等向强化模型 ( M1 5 0 ) 。这种破 坏 准则 能较好 的预 测 昆 凝 土材 料 的破坏 。 ( 4 ) 非 线性 选项 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 8期 混 凝 土与水泥 制 品 总第 1 8 4期 的极限承载力计算公式 ，并利用 A N S Y S软件非线 性有限元分析值进行验证 ， 见表 2 。 AN S Y S有 限 元分析 结 果表 明 ， 设 置加劲 肋 后钢 管 昆凝土构件的极限承载力有明显提高。其主要原 因 是设 置 加 劲 肋 后 减 小 了初 始缺 陷对 钢 管 力 学 性 能的影 响 ， 有效 提高了对混凝土的约束 ， 同时钢管 的承 载能力 也有所 提 高 。有 限元分析 还表 明对 于不 带肋 的薄壁钢管混凝 土约束效果在角部和核心部 位最为明显 ；而对带肋的薄壁钢管混凝土而言， 由 于加劲肋的存在截面的应力分布更均匀。 结果 表 明 ，有 限元分 析结 果与 J C J O 1 8 9规程 、 C E C S 2 8 ： 9 0规程和 占美森提出的计算公式的计算结 果 比较接近 ， 且吻合较好。通过比较分析， 发现对于 带肋薄壁方钢管混凝土 ， 在轴压承载力公式 中直接 叠加 加劲 肋 的承载 力 项 即可 利用 现有 有关 钢 管混凝土 的设计规范来计算其整体构件 的轴压承 载力 ， 但 由于未充 分 考 虑到 薄壁 钢 管 的局 部屈 曲而 对极限承载能力的不利影 响， 计算值低于有限元极 限承载 力值 ， 偏 于保 守 。 4结论 ( 1 ) 三种不同截 面宽度的不带肋和带肋 薄壁方 钢管混凝土组合 柱轴压试 验的非线性 有限元计算 结 果 与 理 论 结 果 的 最 大 均 方 差 分 别 为 0 0 4 5 7和 0 0 4 0 2 ， 吻合 较好 。 ( 2 ) 在 普 通 钢 管 混 凝 土 工作 原 理 的基 础 上 ， 经 与 不带 肋 方薄 壁混 凝 土 的有 限元 对 比分 析 ， 得 出带 肋薄壁方钢管混凝土的受力机理 ： 通过其 自身的抗 弯 刚度 为钢 板提 供 横 向约束 支 点 ， 增加 了两 种材 料 的接 触 面 积 ， 有 利 于 界 面 的粘 结 性 能 ， 设 置加 劲 肋 后显 著 削弱 了钢 管 四个 角部 的应力 ， 增 大 了核心 混 凝土 区面 积 ， 即增强 了带肋 薄 壁钢 管对 核 心混 凝 土 的约束作用以及钢管壁的稳定性 ， 且改善 了薄壁方 钢管 混凝 土 柱 的局 部屈 曲性 能 ， 对 构件 的变形 能 力 也有 一定 的增 强 效果 ， 从 而增 强 构 件轴 压 承 载能 力 和延性 性能 。 ( 3 ) J C J O 1 - 8 9 、 C E C S 2 8 ： 9 0规程未充分考虑到薄 一 3 4 一 壁钢管的局部屈曲对极限承载能力的不利影响 ， 其 计算的带肋薄壁方钢管混凝土承载力值偏于保守 ， 其极限承载力计算公式有待进一步研究。 参 考 文 献 ： 1 】 陶忠 ， 于清 新型组合结构柱的性 能研究 J 建筑钢结构进 展 ， 2 0 0 6， 8 ( 5 ) ： 1 7 2 9 【 2 陶忠方钢 管 混 凝 土结 构 的发 展 现状 J 建 筑结 构 ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 7 ) ： 2 0 2 3 3 G e H B ， U s a mi T ，S t r e n g t h o f c o n c r e t e - fi l l e d t h i n - w a i l e d s t e e l b o x c o n l u mn ： e x p e r i me n t J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， A S C E， 1 9 9 2 ， 1 l ( 1 1 ) ： 3 0 3 6 - 3 0 5 4 f 4 K w o n Y B， S o n g J Y， K o n K S T h e s t r u c t u r a l B e h a v i o u r o f c o n c r e t e fil l e d s t e e l p i e r s P r o c e e d i n g o f 1 6 t h c o n g r e s s o f I ABS E， l Uc e r n e， S wi t z e r l a nd， 2 00 0 5 】 冯涛 设肋薄壁方钢管混凝 土短柱轴压承载性能有限元分 析 D 】 中南大学硕 士学位论文 ， 2 0 1 0 6 C a i J ， He Z Q A x i a l l o a d b e h a v i o r o f s q u a r e C F I s t u b c o l u mn w i t h b i n d i n g b a r s J J o u rna l o f C o n s t ruc t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 0 6 ， 6 2 ( 5 ) ： 4 7 2 4 8 3 7 1 蔡健 ， 何振强 ， 陈星 带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱轴压 性能 的试验 J 工业 建筑 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 3 ) ： 7 5 8 0 8 1 H u a n g C S ， Y e h Y K， L i u G Y， e t a 1 A x i al l o a d b e h a v i o r o f s t i f f e n e d c o n c r e t e- f i l l e d s t e e l c o l u mn s J o u r n a l of S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， A C S E， 2 o O 2 ， 1 2 8 ( 9 ) ： 1 2 2 2 1 2 3 0 9 1 钟善 桐 钢管 混凝 土结 构( 第 3版 ) f M 北京： 清华大学 出版 社 ， 2 0 0 3 1 O 】 尚小红 ，邱峰 A N S Y S结构有限元高级分 析方 法与范例 应用【 M】 北京 ： 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 6 ： 3 6 1 1 刘威 ， 钢管混 凝土局部受 眶时 的工 作机 理研究 D 福州 大学博士学位论文 ， 2 0 0 5 1 2 国家建筑材料工业局标准 ( J C J 0 1 8 9 ) ， 钢管混凝土结构 设计与施工规程【 s 上海 ： 同济大学 出版社 ， 1 9 8 9 1 3 中 国工程 建设 标准化 协会标准 ( C E C S 2 8 ： 9 0 ) ， 钢管混凝 土结 构设计 与施工规程【 S 】 北京： 中国计划 出版社 ， 1 9 9 1 1 4 占美森 薄壁钢管混 凝土柱轴 心受压承 载性能研究 D 南昌大学硕士学位论文， 2 0 0 7 收 稿 日期 ： 20 1 1 一 O 6 1 7 作者简介： 张平( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 硕士研究生。 通 讯地址 ： 吉林 省延 吉市公 园路 9 7 7号( 李佰寿 ) 联 系 电话 ： 1 5 8 4 4 3 3 7 4 0 0 E ma i l ： t j j x z h a n g p i n g 1 6 3 c o r n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m