受多重约束的钢管内混凝土受力性能数值分析.pdf

2 0 1 3年第 6期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i n g 4 7 文章 编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 4 7 0 3 受 多重约束 的钢 管 内混凝 土受力性 能数值分析 卜永 红 ， 王 毅 红 ( 长安大学 建筑工程学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 1 ) 摘要 ： 基 于受多重约束的钢管 内混凝土受力性能试验研究结果， 运 用有限元软件 A N S Y S建立带有芯钢 管的钢管混凝土节点核心 区有限元分析模型 ， 进行受多重约束的钢管内混凝土受力性能数值分析 ， 与试 验结果进行 了对比， 并对影响钢管内混凝土承载能力的因素进行 了分析 。研 究结果表 明有限元模型计 算所得 极 限承 载力 与 实测 结 果吻合 较好 ， 同时得 到 了混凝 土 强度 、 外 围箍 筋 强度 、 芯钢 管强 度 与 受 多重 约束 的芯钢 管 内混凝 土极 限承 载 力关 系 曲线 。 关 键词 ： 钢 管混 凝土 多重约 束极 限承载 力 数 值分 析 中图分 类 号 ： T U 3 7 5 3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 6 1 4 文 献 1 - 5 提 出一 种带 有 芯 钢 管 的钢 管 混凝 土 节 点 ， 试 验研究 发 现这 种 芯 钢管 节 点 具 有 很 高 的受 压 承 载 力 。分析 认 为 ， 芯钢 管 内混凝 土受 到芯 钢管 、 外 围混 凝土和密排环箍的多重约束作用 ， 使核心混凝土 的承 载能力进一步提高。为了探讨钢管 内约束混凝土的性 能 ， 文献 6 利用 5个带 芯钢管 的钢管混凝土残余节 点试件 ， 再次进行试验 ， 研究混凝土在多重约束下的受 力 性能 和 极 限 承 载 力 。本 文 在 已 有 试 验 研 究 的 基 础 上 ， 采用 A N S Y S有限元软件， 对影 响芯钢管 内混凝土 承载能力的因素进行数值分析 ， 为此类节点的受力机 理 分析 和工 程设 计提供 参 考 。 1 试验概 况 文献 1 5 中 5个带芯钢管的钢管混凝土节点试 件在第一次梁端加载试验中， 与节点相连的梁 、 柱均 已 破坏 ， 但节点核心区基本完好 。文献 6 以残余 节点 试件 中的芯 钢管 长度 为界 ， 截 出节点 区域 露 出芯钢 管 ， 试件如图 1 所示。专门作一直径略小于芯钢管直径 的 加载 块 ， 对芯 钢管 内的 混 凝 土施 加 轴 向荷 载 。各 试 件 的特征参数及材料强度见表 1 ， 具体试验设计 、 试验现 象 、 试验 结果 分析 等见 文献 6 。 2 参数选取及模型建 立 2 1 本构 关 系选用 考虑到节点残余 的梁对芯钢管内混凝土承载能力 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 1 2 6； 修 回 日期 ： 2 0 1 3 0 1 2 O 基金项 目： 陕西省 自然科学基金项 目( 2 0 0 6 E 2 0 8 ) 作者简介 ： 永红 ( 1 9 7 5 一) ， 男 ， 陕西 白水人 ， 工程师 ， 博士研究生 。 、 基 f 广 妒 5 8 2 5 r -4 # 6 5 r _ 妒 5 8 2 5 I L - 2 6 5 7 甲 L L ， 3 0 MP a后， 钢管内混凝土极限承载力随混凝土强 度 增长 较缓 。 3 2 2 箍 筋 强 度 以 G 一 4作为参考模型( 模型参数见表 3 ) ， 只改变 箍筋强度 ( 等同改变箍筋配置) ， 其余参数不变 ， 建立 5 个有限元模 型进行数值分析， 分析结果见表 5 。箍筋 强度与受多重约束的芯钢管内混凝土极限承载力关系 曲线 见 图 3 。 表 5不同箍筋强度模型有 限元计算结果 2 0 1 3年第 6期 b 永红等 ： 受多重约束的钢管 内混凝土受力性能数值分析 一 福 枢 嗟 寰 i 图 2混凝土强度一钢管 内混凝 土 极 限承 载力关 系曲线 互 旃 枢 嗟 鼙 图 3 箍筋强度一钢管 内混凝 土极 限承载力关系 曲线 由图 3可得 ： 在一定范 围内改变箍筋强度或箍筋 配置， 钢管内混凝土承载能力随箍筋强度增长较慢 ， 表 明箍筋强度对节点核心区受多重约束芯钢管内混凝土 的 承载 能力 影响 相对 较小 。 3 2 3芯钢 管强度 以 H- 1 作为参考模型 ( 模 型参数见表 3 ) ， 只改变 芯钢管强度 ( 等同改变芯钢管厚度) ， 其余参数 不变 ， 建立 5个 有 限元模 型进 行数 值 分 析 ， 分析 结 果 见表 6 。 芯钢管强度与受多重约束的芯钢管内混凝土极限承载 力关系曲线见图4 。 由图 4可得 ： 在所选参数范围内改变芯钢管强度 ( 或芯钢管厚度) ， 钢管 内混凝土承载能力随芯钢管强 度增加而快速增长 ， 基本是线性关系 。表 明芯钢管对 其内部混凝土的约束作用大小直接影响芯钢管 内混凝 土 的承 载能 力 。 表 6 不同芯钢管强度模型有 限元计算结果 4 结 论 1 ) 对 5个残余节点试件建立三维实体模型， 选择 材料的本构关系、 破坏准则 ， 确定模型的约束条件、 加 载模式 ， 分析了残余节点试件在局部受压情况下 的受 力性能。通过对数值计算 结果与试验结果 的对 比分 析 ， 验证 了数值分析参数选取、 模型建立及加载计算 的 正确 性 。 图 4 芯 钢管 强度一钢 管内混凝 土 极 限承载力 关系曲线 2 ) 模型受力过程的数值分析结果与试验结果显 示 ： 在荷 载初 期 和 中期 ， 模 型主要 由芯 钢管 内混凝 土受 力 ， 外围混凝土、 芯钢管 、 箍筋、 纵筋受力很小 ； 到荷载 后期尤其接近破坏时 ， 核心混凝土横向变形急剧加大 ， 此 时 ， 芯钢 管 、 外 围混凝 土 、 环箍才 充分 参与 工作 ； 竖筋 由于没有 直 接受 力 ， 破 坏时 达不 到屈 服强度 。 3 ) 对 影 响 钢 管 内混 凝 土 承 载 能 力 的 因素 进 行 分 析表明： 在一定范 围内取值时 ， 芯钢管强度( 或芯钢管 壁厚) 对钢管内混 凝土的极限承载力影响最大 ， 混凝 土强度对钢管内混凝土的极 限承载力影响较大 ， 外 围 箍筋的强度 ( 或间距 ) 对钢管 内混凝土的极 限承载力 影 响较 小 。 4 ) 本文分析的节点核心 区受多重约束芯钢管 内 混凝土的承载能力可反映该节 点的最小竖向承载力 ， 节点最小承载力大于节点所连接的钢管混凝土柱的承 载 力 ， 证 明该 种节 点具 有很好 的强度 和刚度 ， 满足 强节 点的要求 。文章的研究结果可为此类节点的受力机理 分析和工程设计提供参考。 参 考 文 献 1 王毅红 ， 汤文 峰 新型钢管混凝土节点一芯钢管边柱节点 的 试验研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 1 ) ： 5 9 6 1 2 王毅红 ， 汤文 峰 芯钢管连接的钢管混凝土 中柱节点试验研 究 J 建筑结构 ， 2 0 0 4， 3 4 ( 1 2 ) ： 6 0 6 3 3 蒋建 飞 半 连通 钢 管 混凝 土 柱一 芯钢 管 角节 点 试 验研 究 D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 0 5 4 汤文峰 新型钢管混凝土节点 的力学性 能试验研究 D 西 安 ： 长安大学 ， 2 0 0 4 5 卢先 军 半 连通 钢 管 混凝 土 柱一 芯钢 管 角节 点 试 验研 究 D 西安 ： 长安大学 ， 2 0 0 5 6 王毅红 ， 郭增辉 ， 付敏 ， 等 受多重约束的钢管 内混凝 土受力 性 能试验 研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 8 ) ： 5 8 7 韩林海 钢管混凝土结构 M 北京 ： 科 学出版社 。 2 0 0 0 ( 责任 审编 孟庆伶)