钢管混凝土轴心受压构件徐变分析.pdf

7 0 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第4 1卷第2期 2 0 1 5年 4月 钢管混凝土轴心受压构件徐变分析 杨 阳， 王起才， 张戎令， 崔建龙， 葛 勇 ( 兰州交通大学土木工程学院， 甘肃 兰州7 3 0 0 7 0 ) 摘要： 在对钢管混凝土轴心受压构件的轴压力学特性和核心混凝土徐变分析的基础上， 从变形协调条件出发， 通 过引入混凝土换算弹性模量， 推导了钢管混凝土轴压构件应力重分布计算方法。此方法较好地考虑了钢管混凝土 构件徐变因素( 含钢率、 应力级别、 材料等级) 的影响， 并分析研究了不同影响因素条件下钢管混凝土结构的徐变特 性。针对钢管混凝土受力特点 ， 研究表明， 运用该方法计算在轴心受压状态下徐变所引起的钢管混凝土截面应力 重分布是合理的。 关键词： 钢管混凝土； 徐变； 轴心受压 中图分类号： T U 5 2 8 5 9 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 7 0 0 3 Cr e e p a n a l y s i s o f a x i a l c o mp r e s s i o n CFS T Y A N G Ya n g ， WA N G Q i c a i ， Z HA N G R o n g l i n g ， C U I J i a n l o n g ， G E Y o n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， L a n z h o u J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， l _ a n z h o u 7 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r f o c u s o n t h e c r e e p o f a n a l y s i s a x i a l c o mp r e s s i o n C F S T， s t a r t i n g f r o m t h e c o n d i t i o n o f d e f o r ma t i o n c o mp a t i b i l i t y， b y i n t r o d u c i n g t h e c 0 n v e r s i o n e l a s t i c mo d u l u s o f c o n c r e t e， d e ri v a t i o n o f t h e C F S T s t r e s s d i s t r i b u t i o n c alc u l a t i o n me t h o d T h i s me t h o d s b e t t e r c o n s i d e r t h e i n fl u e n c e o f s t e e l r a t i o ， b e s t r e s s l e v e l a n d ma t e ri a l l e v e l ， w h i c h s t u d y C F S T c r e e p c h a r a e t e r i s t i C S u n d e r t h e v a r i o u s c o n d i t i o n s Ac c o r d i n g t o t h e CF S T s t r e s s c h a r a c t e ri s t i c r e s e a r c h s h o ws t h a t s t r e s s d i s t rib u t i o n i s r e a s o n a b l e c a l c u l a t i o n o f C F S T c r e e p u n d e r ax i al p r e s s u r e c a u s e d b y t h e a p p l i c a t i o n o f t h i s me t h o d Ke y wo r d s： C F S T； c r e e p ； a x i a l p r e s s u r e 0 引 言 钢材 的泊松 比在弹性 阶段通常可 以认 为是 常 数 ， 取为 0 2 8 3 ， 认为进入塑性阶段时增大到 0 5之 后保持不变 ； 混凝土 的泊松比则为变数 ， 由低应力时 的 0 1 7 3随压应力的增 加逐渐增大到 0 5 ， 又逐渐 增大到 1 ， 甚至大于 1 。钢管混凝土构件在轴压应力 作用下 ， 混凝土向外 的横 向变形起初小于钢管 向外 的横 向变形 ， 但是随着压力的逐渐增大 ， 混凝土向外 的横 向变形逐渐大于钢管 向外的横向变形 ， 从而导 致钢管约束了混凝土 ， 这就在钢管与混凝 土之 间产 生了相互作用的紧箍力。因此 ， 钢管纵向和径 向受 压而环 向受拉 ， 混凝土则三向皆受压 ， 二者均处于三 向应力 状态 。 一 般情况下， 钢管混凝土受压构件的弹性阶段 的工作荷载约为极限荷载的7 0 8 0 ， 而对大多 数实际工程而 言 ， 使用荷 载一般 约 为极 限荷载 的 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 2 - 2 5 作者简介 ： 杨阳( 1 9 9 1一)， 男 ， 甘肃 庆 阳人 ， 硕士研 究 生 ， 研 究方 向 ： 桥梁与隧道工程 。 基金项 目： 长江学者和创新 团队发展计划 ( I R T 1 1 3 9 ) ； 兰州交通 大学 青年科技基金 ( 2 0 1 2 0 2 8 ) E ma i l ： 1 0 2 7 4 0 6 08 0 q q c o m 5 0 6 0 2 - 3 2 。混凝土是一种长期效应 ， 计算时应 当采用正常使用状态下的荷载组合， 通常情况下都 采用恒载计算 。对 于钢管混凝 土拱桥而言 ， 在正常 使用状态下， 拱肋中的应力一般达不到产生紧箍力 的水平 J ， 核心混凝土三 向受力状 态不 明显 ， 而徐 变问题是长期荷载的问题 ， 主要考虑在使用状态 的 混凝士 陛能与结构受力问题 。因此本文不考虑紧箍 力对钢管混凝土徐变的影响。 1 钢管混凝土构件徐变计算 相对于普通混凝土 ， 钢管混凝土中的管 内混凝 土处于密闭环境 中， 不会发生失水现象 ， 而且与周围 环境基本没有水分交换 J 。因此 ， 其徐变模式是不 同于普通混凝土徐变问题 的主要方面之一。大量研 究表 明， 钢管混凝土管内混凝土的徐变总量小于普 通混凝土的徐变总量。从 目前总体的研究成果来 看 ， 徐变的根本规律没有本质上的差异 。因此本文 认为 ， 在钢管混凝土的徐变问题研究中， 可根据钢管 与混凝土的自身特点 ， 通过建立钢管混凝土与普通 混凝土徐变之间的某种联系， 进而采用普通混凝土 徐变系数模式来预测钢管混凝土徐变 _ 6 J 。 钢管混凝土构件徐变分析的基本假设 ： 2 0 1 5 N o 2 杨 阳， 等： 钢管混凝土轴心受压构件徐变分析 7 l 1 ) 核心混凝土的徐变符合叠加原理， 即为线性 徐变 ； 2 ) 钢管和混凝土之间有 良好 的粘结 ， 满足变形 协调假设 ； 3 ) 截面变形符合平截面假设。 众所周知 ， 钢管混凝土在长期荷载作用下 ， 由于 混凝土受压发生徐变 ， 钢管与混凝土之 间将发生 内 力重分布 ， 核心混凝 土实际是在变荷载作用下发生 徐变。N a k a i 等在轴压徐变试验结果分 析中得 到 钢管混凝土的收缩值远小于其徐变值， 故在分析钢 管混凝土徐变时可忽略收缩的影响。 由竖向变形协调条件可得到如下关系式 ： ： ( )+ ： ( t ， )=占 ( ) ( 1 ) 式中s ： ( t ) 为钢管混凝 土 中核心混凝 土 t 时刻 弹 性变形 ； 占 ： ( t ， ) 为钢管混凝土 中核心混凝土 t 时刻 徐变变形， 采用 C E B -F I P ( 1 9 9 0 ) 模型计算； s s。 ( t ) 为 钢管混凝土 中钢管 t 时刻弹性变形 。 土徐变引起 的重分布轴力 ； ( t ) 为钢管混凝 土中钢管 t 一7 ( f 下 ) 时刻内由于核心混凝土徐变引 起的重分布轴力； ( ， Jr ) 为加载时间为 7 - ， 计算考虑 龄期 为 t时 的混 凝 土徐 变 系数 ， 采 用 C E B -F I P ( 1 9 9 0 ) 模型计算 ， 由于钢管混凝土 中核心混凝土与 外界接触的周边边长趋近于 0， 故在计算钢管混凝 土中核心混凝土徐变系数时不考虑干燥徐变和构件 尺寸相关系数。 加载时， 核心混凝土和钢管分别 承担 的轴力按 刚性原则分配 ： N o ( 卜 ( 7 ) A 目 ( ) E tAc + 一。 E, A - ( 8 ) 式中为钢管混凝土所承担的外荷载。 在外荷载不变时 ： 。 ( t一7 - )+ ( t Jr )=0 ( 9 ) 将( 4 ) 、 ( 7 ) 、 ( 8 ) 、 ( 9 ) 式带入 ( 6 ) 式得 ： + = N o( 式中o r ( t ) 为钢管混凝土中核心混凝土 t 时刻所 承担的轴向应力 ； or ( t ) 为钢管混凝土 中钢管 t 时刻 所承担的轴 向应力 ； ( t ) 为钢管混凝 土中核心混凝 土 t 时刻弹性模量 ； 为钢管混凝土 中核心混凝 土 龄期 2 8天时弹性模量 ； E 。为钢 管混凝土 中钢管 弹 性模量 。 ( ) 丽 ( 3 ) 由 T R O S T和金成棣利用松弛条件 ， 以及老化理 论 近 似 确 定 ：p 知一 去 ， 可 得 ： = + = 式 中N o ( t ) 为钢管混凝土 中核心混凝 土 t 时刻所 承担 的轴力 ； ( t ) 为钢管混凝土 中钢管 t 时刻所承 担的轴力 ； A 为钢管混凝土 中核心混凝土横截面面 积 ； A 。 为钢管混凝土中钢管横截面面积。 N 。 ( r )+A N。 ( tr ) N ( )+A N 。 ( t 下 ) 、 ， E ( t ) A 。 E 。 A 。 = ( 6 ) 式中N ( 丁 ) 为钢管混凝土 中核心混凝土 丁时刻加 载时所承担 的轴力 ； N ( r ) 为钢管混 凝土 中钢 管 时刻加载时所承担 的轴力 ； A N ( t 一下 ) 为钢管混凝 土 中核心混凝土在 t 一丁 ( ) 时刻内由于核心混凝 a B( 1+ ( t ， ) ( )一k ( t + ( t ， 下 ) k ( t )+k ( t ) N c ( ) ( 1 0 ) ，= = 。 最终得到钢管混凝土构件徐变计算公式： 8 c = 堂( i ： 1 2 墨 i 2二墨 ( 2 + ( t ， ) k ( t )+k ( t ) ( 1+ ) E 。 ( 1 1 ) 2 算 例 通过上面的公式， 对具体算例进行计算， 根据计 算结果可对 比分析由于钢管混凝土应力重分布对钢 管混凝土徐变的影响。 为了验证说 明本文钢管混凝土轴心受压构件徐 变分析的可靠性与有效 性 ， 先计算 出本文钢管混凝 土轴心受压构件徐变值 与徐变终值 ， 与文献 8 、 9 计算 出的 8 ： 。 8 进行 比较 。由表 1可以看 出本文与文献 8 、 9 结果符合较好 。 表 1 s s 与时 间的关 系 Ta b l e 1 Th e r e l a t i o n o f 8 a n d t i m e t d 1 5 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 6 0 文献 4 ( s 8 ) 5 4 6 5 7 8 8 6 9 1 9 6 9 8 9 9 文献 5 ( ) 4 5 7 4 8 1 8 5 8 8 9 2 9 5 1 0 0 本文( s e 8 ) 6 0 7 0 8 0 8 5 8 9 9 3 9 6 1 0 0 一 一 = = 中 式 7 2 四川建筑科学研究 第 4 1卷 以下分析采用的构件： 钢管外径为 1 4 0 m m， 核 心混凝土轴心抗压强度为 C 5 0 ， 钢材 的弹性模量为 2 061 0 MPa 。 图 1 为不同含钢率钢管混凝土轴心受压构件的 徐变一 时间曲线。图 1中所计算构件作用 荷载为 = 3 0 0 k N 。当构件的含钢率不同时， 从图中可以看 出， 含钢率越高的构件， 徐变值越小。这与文献 9 得到的结论相符。 6 0 0 苫 枷 学 20 0 0 0 6 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 30 0 3 6 0 图 1 含钢率对徐变影响曲线【 N=3 0 0 k N) F i g 1 I n flu e n c e o f s t e e l r a ti o o n c r e e p un d e r l o a d i n g i s 3 0 0 k N 图2为不同荷载作用时钢管混凝土轴心受压构 件的徐变一 时间 曲线 。图中所计算构件 的含钢率为 0 0 6 6 。当构件作用 的荷载不 同时 ， 从图 2中可以看 出作用的荷载值越大的构件， 徐变值越大。这与文 献 1 0 得到的结论相符 。 6 0 0 言 4 0 0 锗 2 00 0 0 6 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 36 0 t d 图2 作用荷载值对徐变影响曲线( 含钢率0 O 6 6) F i g 2 I n flu e n c e o f l o a din g o n c r e e p u n d e r s t e e l r a ti o is 0 0 6 6 图3为相同应力级别下钢管混凝土轴心受压构 件的徐变一 时间曲线。图中计算构件的应力级别为 3 0 。从图中可 以看 出， 相 同的应力级别下 ， 随着含 钢率的增大， 徐变值变小。这与文献 9 得到的结 论相符 。 图4为不同含钢率时钢管混凝土轴心受压构件 核心混凝土上作用 的轴 向应力 随时间变化的曲线。 图4中钢管混凝土构件作用的荷载 N= 2 5 0 k N 。从 图中可以看出， 含钢率越小， 钢管在构件中所起的作 60 D 毛 4 加 学 2 0 0 0 0 6 O l 2 0 1 8 0 2 40 30 0 3 60 枷 图 3 含钢率对徐变影响曲线( 应力级别 3 0 ) F i g 3 I n fl u e n c e o f s t e e l r a tio o n c r ee p u n d e r s t e e l l e v e l i s 3 O 用越小 ， 核心混凝土所承担的应力越大。这与文献 1 1 结论相一致。按照含钢率0 0 3 8 、 0 0 6 6 、 0 0 9 2 的顺序核心混凝土的轴向应力较初始应力分别降低 了 3 0 、 4 0 、 4 5 。 重 0 6 0 1 20 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 t d 图4 含钢率对核心混凝土轴向应力影响 曲线 ( N=2 5 0 k N) Fi g 4 I nfl u e n c e o f s t e e l r a ti o o n c o r e c o n c r e t e s t r e s s i n a x i a l dir e c t i o n u n d e r l o a d i n g i s 2 5 0 k N 图5为不同荷载作用时钢管混凝土轴心受压构 件核心混凝土上作用的轴向应力随时间变化的曲 线。图5中所计算构件的含钢率为0 0 6 6 。从图中 可以看出， 作用的荷载值越大的构件， 核心混凝土所 承担的轴向应力越大。 皇 0 6 0 1 20 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 t d 图5 作用荷载值对核心混凝土轴向应力影响 曲线( 含钢率0 0 6 6 ) F i g 5 I n fl u e n c e o f l o a d i n g o n c o r e c o n c ret e s t r e s s i n a x i a l d i r ec ti o n u n d e r s t e e l ra ti o i s 0 0 6 6 ( 下转第8 2页) 鲫 伽 枷 0 8 2 四川建筑科学研究 第 4 1卷 表4 4层物流中心柱验算结果 分类 力 加固后 最大应力 加 固后 最大挠度 电梯 周边 主桁架梁 ( 活载 1 0 k N m ) 2层主桁架梁 ( 活载 5 k N m ) 3 、 4层主桁架梁 ( 活载 3 5 k N m ) 电梯周边次桁架梁 f 活 载 1 0 k N m ) 3 5 0 M P a ) l 8 3 _ 4MP a 应力 ( 超限 一 挠度 8 0 ) 1 6 2 3 MP a 超 限 “ ( 斜撑应 l 5 3 7 MP a3 0 0 MP a ) ( 超 限 ( 槽钢应 限l 8 4 5 M P a2 9 5 MP a ) ( 超 限 5 结论 I ) 加固设计 中， 尽量减少对原结构的建筑效果 和使用功能的影响， 在不破坏原结构的情况下进行。 同时和施工单位密切联系配合， 随时解决施工中具 体存在的问题。 2 ) 加 固中， 除特殊要求外 ， 采用 的方法应该 对 原结构的受力途径、 受力体系影响小。对厂房应主 要采用钢构件加固的方式， 对钢桁架梁， 上下弦杆增 加钢板能有效改善其应力水平。而增加腹杆能有效 减小梁的竖向挠度。 3 ) 对整体结 构的加 固， 部分 不加 固的项 目， 可 以将不加固部分建入模型， 可较为准确地计算出结 构整体受力情况， 以及局部加固对整体的影响。 参 考 文 献 ： 1 祁蓓蓓， 王慧平 浅谈钢结构加固的方法 J 。 科技向导， 2 0 1 2 ( 2 0 ) 2 陈耀 ， 蔡建国 ， 冯健 ， 等 某 医院大厅新建钢 结构工程加 固 设计 J 钢结构， 2 0 0 9 ( 0 1 ) 3 胡宗文， 王元清， 石永久， 等暴雪后门式刚架轻型房屋钢结构 厂房的事故分析与处理 J 工业建筑 ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 7 ) ： 1 2 0 1 2 3 4 肖伟， 王巍， 周晓夫 框架一 支撑体系钢结构大型购物场加 固方法分 析 J 工程抗震与加固改造 ， 2 0 0 7 ( 3 )： 7 2 - 7 5 5 G B 5 0 0 1 1 2 O 1 0建筑抗震设计规范 s ( 上接第 7 2页) 3 结 论 通过以上的计算分析比较， 本文钢管混凝土轴 心受压构件徐变分析 的可靠性 和有效性得 到了验 证 ， 并且通过分析计算得到以下结论 ： 1 ) 徐变使钢管混凝土轴心受压构件的截面产 生应力重分布 ， 核心混凝土应力降低且在变应力作 用下发生徐变 ， 钢管应力增大。 2 ) 在其他条件相同的情况下 ， 钢管混凝 土构件 随着含钢率 的增加 ， 徐变减小 。当含钢率 由 0 0 3 8 增加到 0 0 9 2 ， 徐变值减小 了4 8 。 3 ) 在相同的应力级别下 ， 钢管混凝土构件 随着 含钢率增加， 其徐变值减小。 4 ) 在其他条件相 同的情况下 ， 钢管混凝土徐变 随着荷载值 的增加 ， 徐 变增大。当作用 的荷载值 由 2 0 0 k N增加到 3 5 0 k N， 徐变值增大了7 5 。 5 ) 在其他条件相 同的情况下 ， 钢管混凝土 中核 心混凝土的轴心应力随着含钢率 的增加而降低 ； 核 心混凝土的轴向压力随着作用荷载的增加而增大。 参 考 文 献 ： 1 赵鸿铁 组合结构设计原理 M 北京： 高等教育出版社 ， 2 0 o 5 2 钟善桐 钢管混凝土结构 M 哈尔滨： 黑龙江科技出版社， 1 9 9 4 3 C E C S 2 8 ： 9 0钢管混凝土结构设计与施工规程 s 4 陈宝春 钢管 混凝土拱桥 设计与施 工 M 北京 ： 人 民交 通出 版社 ， 1 9 9 9： 5 8 - 6 0 5 彭建新 ， 邵旭东， 程翔云， 等 钢管混凝土拱肋徐变研究 J 工 程力学 ， 2 0 0 7 ( 6 ) 6 李生 勇 ， 李 凤芹 ， 陈宝春 ， 等 钢管混 凝土拱 桥徐 变影响 分析 J 铁道学报， 2 0 1 1 ( 3 ) 7 N a k a i H， K u r i t a A， I c h i n o s e L H A n e x p e r i me n t a l s t u d y o n c r e e p o f c o n c r e t e f i l l e d s t e e l p i p e s C P r o c e e d i n g s of t h e 3 r d l n t e ma t i o n a l Co n f e r e n c e o n S t e e l a n d Co n c r e t e Co mp o s i t e S t r u c t u r e s F u k u o k a ， J a p a n， 1 9 91： 5 5 - 6 0 8 韩冰 ， 王元丰 徐变对钢管混凝土轴心受 压短柱紧箍应 力影 响分析 J 铁道学报 ， 2 o o o ( 5 ) 9 谭素杰， 齐加连 长期荷载对钢管混凝土受压构件强度影响的 实验研究 J 哈尔滨建筑工程学院学报， 1 9 8 7 ， 2 0 ( 2 ) 1 0 郭薇薇， 王元丰， 韩冰 钢管混凝土大偏心受压构件的徐变 分析 J 工程力学 ， 2 0 0 3， 2 0 ( 1 )： 9 1 - 9 5 1 1 韩冰， 王元丰 钢管混凝土小偏心受压构件的徐变分析 J 工程力学 ， 2 0 0 1 ， 1 8 ( 6 ) ： 1 1 0 1 1 6 一 一 一 一 m 勰n