钢管混凝土柱局部承压下的有限元分析.pdf

浙 江建筑 ， 第 3 0卷 ， 第 4期 ， 2 0 1 3年 4月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 3 0，N o 4，Ap r 2 01 3 钢管混凝土柱局部承压下的有限元分析 F i n it e Ele me n t An a l y s i s o n Co n c r e t e F i l l e d S t e e l Tu b u l a r Co l u mn Be a r i n g L o c a l L o a d 朱翠香 ， 禹荣 霞 Zh u Cu i x i an g ，Yu Ro n gx i a ( 1 同济大学建筑工程 系， 上海 2 0 0 0 9 2 ； 2 新疆维吾尔 自治区建筑设 计研究 院， 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 0 0 ) 摘要 ： 在理论分析的基础上 ， 采用有 限元软件 A N S Y S对钢管 混凝土柱 局部承压 的力学性 能和工作 机理进行 分析。观察并 研究了钢管混凝土短柱在轴 心压力作用下纵 向力与纵 向应变关系 、 破坏机理等 ， 发现钢管混凝 土的外 钢管对混凝 土有明显的约束 作用 ， 可提高整体的局部承压强度。 关键词 ： 钢管混凝土 ； 局部承压 ； 破 坏机理 ； 有 限元分析 中图分类号 ： T U 3 7 5 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 83 7 0 7 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 2 5 0 4 随着钢 管混 凝 土结 构快 速 发 展 ， 钢 管 混 凝 土 在 轴 向局 压下 的性 能引 起 了研究 者 的关注 。钢 管混 凝 土是一种特殊形式的套箍混凝土 ， 具有较高的局 压强度 。由于局部荷载的影 响， 钢管混凝土柱承受 轴向局压时的性能和全 截面受荷时不 同， 因而研 究 钢 管混 凝土 柱局 部承 压受 力有 深远 意义 。 1 钢 管混凝土局部受压工作机理分析 钢 管混 凝 土局部 受压 荷载 在核 心混 凝 土 中扩 散 的过程 中会产生横 向压应力和拉应力 ， 局部受压垫 板下的混凝土处于多轴受压状态 ， 钢管的约束作用 增 加 了核心 混凝 土 中的 压应 力 ， 平 衡 部 分 或 全 部 的 拉应力 ， 同时局部受压通过界面剪应 力的方式传递 给 钢管 ， 使 钢管 也承 担部 分纵 向力 。可 以说 ， 局部 受 压 的 工作实 质 就是力 的 扩散 口 。 “ 混凝 土微 柱 失 稳 ” 理 论 认 为 混 凝 土 内的 微 裂 缝 的发 生 和 发 展 ， 直 至 “ 微 柱 ”的形 成 和 失 稳 破 坏 ， 和所 处应 力 场 的最 大 主 压 应 力 的走 向及 侧 压 力 值有关。局部荷载作用 下 ， 随着最大主压应力线的 延 伸 ， 应 力不 断 减弱并 趋 于均 匀 。荷载增 大 时 ， 混 凝 收稿 日期 ： 2 0 1 3一O l 一2 3 作者简介 ： 朱翠香( 1 9 8 8 一 ) ， 女 ， 湖南长沙人 ， 硕士在读。 土 沿压力 扩 散线形 成 微 裂 缝 ， 进 一 步 将 局压 区混 凝 土分割成若干“ 微柱” ， 最后发展到临界长度而失稳 破 坏 。此理论 同样适 用 于 钢 管 混凝 土 的局 部 承 压 。 在全截面受压下的均匀应力场 中， 由于钢管 的横 向 约束， “ 微柱” 同时承受侧向压应力。对于钢管混凝 土 局部 承压 ， 由于核 心 混凝 土局 压 区应 力场 是 非 均 匀 的 ， 形 成 “ 微 柱 ” 的受力 要 比均匀 应 力场 的 “ 微柱 ” 具 有较 高 的稳定 性 。 2有 限元模型 2 1 原始参 数和 初始 假设 取 D t X L=1 5 0 mm x 4 mm x 6 0 0 mm E = 2 9 9 X1 0 4 N ram ，E =2 11 0 N r am =2 3 5 Nram ， ： 2 0 1 N mm ( C 3 0 ) ， P= 7 2 0 k N。 利 用 A N S Y S 对 钢 管 混 凝 土短 柱进 行 有 限元 分 析 ， 作 如下假 设 ： ( 1 ) 钢管 和混 凝土 之 间无滑移 ； ( 2 ) 不考虑钢材 的强化效应 ， 其应力 一应变关 系在分 析 中只定 义屈 服强度 。 2 8 浙江建筑 2 0 1 3年第 3 O卷 o o0 o 2 0 00 0 l 0 - 0 00 0 1 -0 00 0 2 - 0 0 0 0 3 -0 0 0 04 -0 0 0 0 5 - 0 00 0 6 -0 00 0 7 -0 0 0 0 8 -0 0 0 0 9 3 5 0k N4 2 0k N 一 一 4 9 0k N 5 6 0 k N 图 1 1 各级荷载下钢 管节点的应变 图 致 ， 模型两端变形较小 ， 中间较大 ， 且较为平稳。可 用 混凝 土微柱 理论 解 释 ， 力 由端 部 向下 并且 同 时 向 四周扩散 ， 在钢管混凝土的端部力未能传递， 因此端 部 的混凝 土应 变较小 ； 对 于底部 ， 力在 钢管 混凝 土 中 部 大部分 已扩散 ， 并 且通 过剪 力传递 给钢 管 ， 因此底 端应变较小 ， 中部应变较大且较为均匀。加载后期 ， 混 凝土 两端 的变 形 比钢 管 大 。 因此 可 得 ， 钢管 和混 凝 土 的应变 差别不 大 ， 混 凝 土 靠钢 管 和混 凝 土 之 问 的相互作用力将力传递给钢管 。 0 O0 E+00 1 0 0E - 0 4 - 2 0OE-0 4 3 O 0 E - 0 4 -4 0 0 E - 0 4 5 0 OE - 0 4 - 6 0 0E - 0 4 7 O 0E - 0 4 8 O0E-04 - 9 0 0E - 0 4 7 O k N 1 4 0 k N 2 l 0k N 2 8 0k N 3 5 0 k N ， 4 2 0k N 4 9 0k N 5 6 0 k N 图 1 2各 级 荷 载 下 混 凝 土 节 点 的 应 变 图 4 结 语 钢管 混凝 土柱 在局 部 压 力 的作 用 下 ， 钢 管一 方面通过界面粘结与混凝土共同承担轴向压力 ， 另 一 方面通过约束混凝土横 向变形而承担环 向拉力。 这样的受力状态下 ， 钢管会发生局部鼓曲， 从而减小 对核心混凝土的约束作用 ， 使构件不能继续承载。 总结 可知 ， 钢 管 混凝 土 的外 钢 管对 混 凝土 的 约 束作用显著， 其局压强度有不同程度 的提高。钢管 混 凝土 的局压研 究 与混凝 土相 比存在 以下特 点 ： ( 1 ) 若 钢 管发 生局 部 屈 曲 ， 则对 核 心混 凝 土 的 约 束作用 会 降低 ； ( 2 ) 钢管对 核心 混凝 土 的约 束 作用 提 高 了其 整 体的局压强度 ； ( 3 ) 钢管 与混凝 土之 间 的粘 结 力会 影 响其 局 部 压 力 的扩 散 。 参 考 文 献 、 1 蔡绍怀 ， 尉 尚民， 焦占栓 ， 等 钢管混凝土 局部 承压性能和强度 计算 的研究 J 建筑科学 ， 1 9 8 9 ( 2 ) ： 1 82 3 2 刘威 钢管混凝土 局部受压 时的工作 机理研 究 D 福州 ： 福 州 大学建筑工程学院 ， 2 0 0 5 3 薛立红 ， 蔡绍 怀 钢管 混凝 土界面 附近 的局部 承压实 验研究 J 建筑科学 ， 1 9 9 8 ， 1 4 ( 4 ) ： 91 3 4 刘威 ， 韩林海 钢管混凝 土柱局部承压问题探讨 J 哈尔滨工 业大学学报 ， 2 0 0 3 ( 增 ) ： 6 36 6 5 钟善桐 钢管混凝 土统一理 论一研 究与应用 M 北 京 ： 清华 大学 出版社 ， 2 0 0 6 ： 1 6 2 5 6 卢明奇 钢管混凝土 结构三维非线 性有限元 分析和设 计理论 的研究 M 天津 ： 天津 大学 出版社 ， 2 0 0 5 ： 2 5 4 1 ( 上接 第 2 1页 ) 设计规范 ( G B 5 0 1 8 0 -9 3 ) 提 出 了基 本 的原则要 求 ， 没有 具体 的操作 规 范 ， 全 国各个 城市 在 日照分析 的工作 中 ， 都 根据 各 自城市 地 理 特 点 和气 候 特 征制 订相应的操作细则。杭州市标住宅建筑严格执行国 标 中大寒 日 2 h的 日照标 准 ， 有效 E t 照时 间带 为 9 ： 0 0 一 l 5 ： 0 0是 符 合 国标 制 订 的 指导 思 想 ， 与 国标 相 比具有阳光质量好 、 要求高、 可操作性强等优点 ， 能保证 绝大 部分居 民的利益 ， 提高居 住环境 质量 ， 在 实际 的规划 管理 中取得 了较好 的效果 。 参 考 文 献 1 姜世中 气象学与气候学 M 北京： 科学出版社 ，2 0 1 0 ： 2 8 2 9 2 王玮华 ， 吴晟 ， 颜望馥 ， 等 G B 5 0 1 8 0 -9 3城市居住 区规划设 计 规范 S 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 。 。 。 P P - 。 L - k 。 。 L