多工况载荷下钢管混凝土格构柱受力性能实测分析.pdf

安徽建筑 2 0 1 4年第 6期( 总 2 0 0期 J 多工况载荷下钢管混凝土格构桂受 能 An a l y z i n g L o a d B e a r i n g Pe r f o r ma n c e s o f St e e l Tu b e - - Co n f i n e d Co n c r e t e Co l u m n s i n Di f f e r e n t W or k i n g Co n d i t i o n s 戴永红 ( 南 京 金 凌 石 化 工 程 设 计 有限 公 司， 江 苏 南京 2 1 0 0 4 2 ) 摘 要 ： 文章结合工程实例分析钢管混凝土格构柱在多种行车行走工 况下的 受力性 能 ，采用通用有 限元软件 建立钢管混凝 土格 构柱模型 ， 分析在 各工 况下的受力 分配规律 ，并将模 拟值和监 测值进行 对 比分 析 ， 得 出数值模 拟单元 的选取 、 核 心混凝 土与钢 管竖向 力分配 比值 以 及缀 条设置对双肢柱整体 传力性能的影响等基 本结论 ， 为钢 管混凝土 格构柱 的设计 与施 工提供借鉴 。 关键词 ： 钢管混凝土格构柱； 数值模拟； 现场监测； 对比分析 中图分 类号 ： T U5 2 8 5 9 文献标 识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 1 2 7 一 O 4 0 前言 钢管混凝土是指在钢管内充填混凝土而形成的由钢管与 核心混凝土协同承受外荷载作用的一种组合结构。 钢管混凝土 格构柱一般由圆钢管混凝土柱肢和空钢管或型钢缀件组成， 截 面一般设计成双轴对称或单轴对称。按柱肢数量可分为双肢 柱、 三肢柱 、 四肢柱和多肢柱。 由于单肢钢管混凝土在荷载的偏 心率或轴心受压构件的长细比较大时， 单肢柱的钢管和混凝土 难以达到有效组合 ，钢管难 以发挥对核心混凝 土的约束 作用 ， 致使钢管混凝土在轴压下所具有的诸多优势都难以体现。 在这 种情况下 ， 采用由两肢或多肢钢管混凝土柱肢通过缀件( 或缀 条) 连接而组成的格构柱就可以避免上述缺点。钢管混凝土格 构柱因截面开展 ， 所以惯性矩较大， 能够有效地降低了构件的 长细比， 而且因柱肢分布在构件周围。 当荷载或偏心率较大时， 组成格构柱的柱肢以轴压为主， 仍然可以有效发挥钢管混凝的 诸多优势 。 这种格构柱 ， 目前在输电线塔、 风力发电塔架、 火车 站站台柱 、 单层和多层工业厂房、 大跨度拱桥中应用的比较多， 将来有望在高层、 超高层建筑的巨型框架结构中得到卓有成效 的应用。 除此之外， 钢管混凝土柱因其独特的造型 ， 可增加其美 观性 。 目前 ， 国 内外 对这种格构式钢管混凝 土柱 的极 限承载力 试验研究和理论研究工作开展的还比较少， 在实体结构上做试 验更是寥寥无几l 3 l。 本文结合工程实例 ， 对钢管混凝土格构柱在 行车行走的不同_ I 二 况下的钢管混凝土双肢柱的受力性能进行 分析 。 1 工程概 况 合肥某集团公司重型机械装配车间厂房由4 2根钢管混凝 土格构柱作为主体结构承重构件 ，格构柱上部为 H型实腹式 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 1 2 1 2 作者简介： 戴永红， 女， 江苏南京人， 学士， 工程师。 钢柱 ， 下部为钢管混凝土双肢柱 ， 钢管材质为 Q 2 3 5 B级钢， 核 心混凝土强度等级为 C 4 0 。 钢管? 昆 凝土双肢柱沿纵向以 1 2 m间 距等跨分布， 横向两跨分布如图 1 所示。 图 1 剖面图 2 钢管混凝土格构柱受力实测方案 根据工程设计 A B跨上布置有双层吊车， B C跨上布置有 2 台单层吊车， 本文选取具有代表性的中间一榀桁架的中柱下部 双肢柱在吊车运行过程中受力情况作为研究对象。 2 1行车行走多工况加载方案 根据中间钢管混凝土格构柱在吊车正常使用过程中竖向 荷载作用下的受力情况， 制定 T 8种工况下格构柱的受力监测 方案， 分别是： A B跨、 B C跨吊车均在中问柱纵向左右两边跨之外 ； B C跨 1 5 0 3 0 t 吊车处于中柱沿纵向左边跨且吊车第一 个车轮正压在肩梁上； B C跨吊车按方案的位置不动， AB跨 1 0 0 2 0 t 吊车驶 入中柱沿纵向左边跨且吊车第一个车轮正压在肩梁上， 2 6 0 7 5 t 在中间柱纵向左右两边跨之外； B C跨 吊车按方案的位置不动 ， A B跨 1 0 0 2 0 t 吊车按 方案的位置不动， A B跨 2 6 0 7 5 t 桥式吊车驶入中柱沿纵向右 边跨且吊车第一个车轮正压在肩梁上； B C跨 吊车按方案的位置不动 ， A B跨 1 0 0 2 0 t 吊车驶 离中间柱纵向左右两边跨 ， A B跨 2 6 0 7 5 t 吊车按方案的位置 不动 ； A B跨吊车按方案的位置不动， B C跨吊车驶离中间柱 纵 向左右两 边跨 ； A B跨 2 6 0 7 5 t 吊车按方案的位置不动， 1 0 0 2 0 t 吊车 驶离中间柱纵向左右两边跨 ； A B跨 2 6 0 7 5 t 吊车驶离中间柱纵向左右两边跨， A B跨 1 0 0 2 0 t 吊车驶入中柱沿纵向左边跨且吊车第一个车轮正压在 肩梁上 。 其中方案行车位置如图 2 所示。 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 固 重 2 0 1 4年第 6期( 总 2 0 0期 ) 安徽建筑 结 构 设 计 与 研 究 应 用 安 徽 建 筑 圆 图 2 方案 6行 车位置 一 l 0 8 0 5 l t I l 0 9 2 9 一l I j I I 】0 8 5 0 I I 10 6 0 7 ； l ； L -0 2 o o i 舛 0 168 x I 10864 -0-2C 赳 。 L- 4 _ _ H 一 1 9 0 0 皇 一 1 9 13 2 3 9 2 3 9 2 2 0 0 2 3 9 _一J2 3 9 图 3钢管表面应变计布置图 2 2测点布置及数据采集 监测方案选择振弦式传感器监测钢管混凝土格 构柱在吊车正常使用阶段的受力情况， 选用的传感器 为 E J 一 6 6型振弦式应变计，与传感器配套的数据采 集设备为 X P 9 9型振弦频率仪和 X D 2 0 X自动选点 箱 ，监测中通过频率仪和选点箱将传感器采集到的 信息传输到微机中。 在每种工况作用下 ， 通过自动采 集各个工况的输出频率值，根据公式 6 = K( 一 + 曰 得到每个 况下钢管表面应变值，进而求出钢管竖 向力。 式中： s为应变； 实测频率； F o 初始频率； 、 日 为监测仪器的频率系数， 由仪器生产厂家给出。 监测 点布置及编号如图 3 ， 采集到 的双肢柱柱脚监测 点频 率值如表 1 所示。 8种加载方案加载过程 中的频率 表 1 3 监测结果分析 3 1柱肢钢管纵向受力分析 根据应变计算公式计算后得到各种监测方案下钢管竖向应变值和依 据计算公式计算后得到各种监测方案下钢管竖向力， 分别如表 2 、 表 3所 示 。 各种监测方案下钢管竖向应变( “ 8) 表 2 3 2核心混凝土竖 向受力分析 钢管混凝土格构柱柱脚所受竖向力与核心混凝土所受竖向力如表 4 、 表 5 所示 。 8种加载方案下钢管混凝土双肢柱柱脚所受的力( k N) 表 4 1 0 6 9 43 0 95 1 0 5 8 5 68 91 2 2 4 8 7 6 8 3 1 4 43 6 9 7 357 6 9 3 1 O8 6 43 5 9 3一l O 0 5 98 6 6 3 8 5 5 5 1 0l 8 O l 4 7 9 3 6 62一l 4 3 2 4 钢管混凝土格构柱受力数值模拟分析5 1 4 1有限元模型建立与求解 4 1 1 单元类 型的选取 钢管混凝土双肢柱钢管采用 Q 2 3 5 B级钢 ， 肩梁采用 Q 3 4 5级钢。 因为 钢材具有弹性和塑性的变形性能，所以对钢管混凝土格构柱的受力性能 分析时 ， 将钢管简化为理想的弹塑性体， 即认为钢材在受力过程中将呈现 弹性和塑性两个阶段， 不考虑其强化阶段和二次流塑阶段。 钢材采用各向 同性的理想弹塑性材料双线性随动硬化模( B K I N ) 作为模型本构关系， 核心混凝土采用 V o n M i s e s 多线性等向硬化模型( MI S O) 作为模型本构关 系。力学参数为： Q 2 3 5 B钢管 ， 弹性模量 E= 1 9 21 0 N mm 、 泊松比 b - 0 3 、钢材的强度设计值f y = 2 1 5 N m m 。C 4 0钢管核心混凝土：弹性模量 E= 3 2 51 0 4 N m m 、 泊松比 = O 2 、 轴心抗压强度标准值 = 2 6 8 N ra m 、 虽 安徽建筑 2 0 1 4年第 6期( 总 2 0 0期 ) 灰库筒仓分析工况列表 表 1 温度应力计算结果与规范对 比( 单位 ： MP a) 表 2 响有限， 而由于分别增大了外壁拉应力和内部压应力， 故而对于筒 仓的环向平面内负弯矩影响较大， 而这是规范没有说明的。 4结论 通过对各工况有限元分析得出的环向应力值变化关系可以 看出，整个筒仓结构应力较大的区域出现在距筒仓底部至 1 3高度 处以及库顶与环梁连接处 ， 主要是由于该区域底板及顶板环梁刚度 较大， 对于筒壁的变形约束强 。 从而导致该处温度应力较大， 该结果 与实际工程 中筒仓结构容易 出现裂缝的区域吻合较好 ， 说 明用有 限 元软件 A n s y s 对筒仓结构进行结构温度分析和静力分析的结果是可 靠的， 在今后设计中， 可在筒壁与底板局部交接处适当增大壁厚， 将 该局部区域设定为变截面。对于环向应力值和位移值相对较大的区 域，可以采取增加环向配筋抵抗应力等措施确保结构整体的稳定 性 。 筒仓结构存在内外温差时， 筒仓结构的整体变形特征为筒仓 库壁向外倾斜， 内侧面受压， 仓壁外侧面普遍受拉 ， 而之前工程设计 中普遍采用内壁与外壁环向钢筋面积一致的做法， 这在抵抗实际存 + - 圣+ - 量 ( 上接 第 1 2 9页) 土与钢管的竖向力分配比， 如图 9所示。 7 6 5 6 5 5 5 4 5 4 3 5 3 2 5 2 1 5 1 + _ 圣+ _ 量+ - 量 量+ - 在的温度应力时欠妥 ， 今后设计中， 可相应增加外壁受拉 区配筋 ， 适当减少内壁受压区配筋， 从而使整个结构布置 更加合理， 提高仓壁的抗裂性能。 当灰库内外壁温差 2 O 时，引起的温度环向拉力 约占最大环 向拉力 1 1 左右， 略大于 筒仓规范 中 6 一8 最大环向拉力的规定， 但是其引起的内、 外壁环向压 、 拉应力却远大于 8 ， 这样就说明温度效应对于仓壁环向 平面内负弯矩影响作用较大， 从而对配筋影响较大， 同时 在气候恶劣地区， 库壁内外温差较大 按照规范 6 8 估 算 温度效应较不安全 ， 应 建模 分析 。 在灰库外壁使用保温材料后， 有效地降低了温度作 用， 但由于保温层费用较高、 耐久性一般， 当灰库工程所处 地区气候环境较好。 内外壁温差不超过 4 0 C 时 ， 宜采用增 大外壁配筋的方式代替设置保温层， 而在北方等极寒冷地 区， 是否采用保温层， 可根据本文分析方法， 经过热 一结构 耦合计算后确定。 结 参 考 文 献 黎 【 l 】 陈应波， 李秀才， 张雄 大体积混凝土浇注温度场的仿真分析 计 【 J 】 华中科技大学学报， 2 0 0 4 ( 2 ) 与 2 张 朝 晖 A N S Y S 8 0 热 分 析 教 程 与 实 例 解 析 【M 北 京 ： 中 国 铁 耍 道 出版社 ， 2 0 0 5 3 1 田野 现浇混凝土施工期温度及应力分析【 D l1 1 J 二 海 ： 同济大 用 学 ， 2 0 0 0 【 4 龚召熊 水工混凝土的温控 与防裂 M 北京 ： 中国水利水 电出 版社 ， 1 9 9 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 l 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 图 9 核心混凝土与钢管 竖向力分配比 从图 9可 以看 出， 在不 同的竖 向荷载作 用下 ， 钢管 混凝双 肢柱各柱肢核心混凝土与钢管分担的竖向力比值基本在 4 5 5 之间。 6 结论 通过上述对钢管混凝土格构柱的受力监测和非线性有限 元数值模拟分析， 得出以下基本结论。 有限元软件 A N S Y S对钢管混凝土双肢柱进行非线性数 值模拟时， 钢管 、 肩梁和缀条单元选用 S o l i d 4 5 ， 核心混凝土单 元选 用 S o l i d 6 5 ，核心混凝土与钢管接触 面上 的混凝土用 T a r g e l T 0目标单元来模拟，钢管接触面用 C o n t a c t | 7 4单元来模 拟，选用的钢材 B K I N和 混凝土 M I S O本构关系都是可行的， 这为类似工程的数值模拟计算提供参考。 就本工程而言 ， 在竖向荷载不同的组合作用下， 钢管混 凝双肢柱各柱肢核心混凝土与钢管分担的竖向力比值基本在 4 5 5之间。 从 8 种 吊车： 况载荷下钢管混凝土双肢柱钢管的模型 应力云图可以看出， 缀条与钢管连接处的节点是个比较敏感的 部位， 表明缀条的设置影响到双肢柱整体的传力性能。 参考文献 1 】 韩林海， 杨有福 现代钢管混凝土结构技术 M 北京： 中国建筑工业 出版社， 2 0 0 7 【 2 】 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 【 3 】3 钟善桐 钢管混凝土统一理论研究与应用 M 北京： 清华大学出版 社 ， 2 0 0 6 4 】 陈宝春， 欧智菁 四肢钢管混凝土格构柱极限承载力试验研究I J 1 建 筑结构， 2 0 0 1 ( 8 ) 5 】 廖彦波 钢管混凝土格构柱轴压性能的试验研究与分析【 D 北京： 清华大学， 2 0 0 9 安 徽 建 筑 固 匡