钢桥墩中混凝土合理填充高度分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 1年第 7期 ( 总第 1 5 7期 ) 钢桥墩 中混凝土合理填充高度分析 曾耀 ( 同济大学土木工程学院。 上海2 0 0 0 9 2 J 【 摘 要】 本文利用非线性有限元分析平台 O p e n S e e s 建立了十种不同混凝土填充高度的钢桥墩试件纤维模 型， 并进行数值分析。计算结果表明在不同轴压比下 ， 试件模型均有相对应的混凝土合理填充高度。在实际结构 设计的轴压比范围内， 混凝土填充 0 3 0 5 倍的桥墩高度是合适的。 【 关键词】 钢桥墩 ； 填充混凝5 5 ； O p e n S e e s ； 纤维模型 【 中图分类号】 T U 3 9 8 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 2 8 0 3 S TUDY oN THE CoNCRETE F LE D I 玎GHT OF S TEEL P Rs Z ENG Ya o ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， T o n g j i U n i v ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ，1 0 fi b e r mo d e l s o f s t e e l p i e r s wi t h d i ff e r e n t c o n c r e t e fi l l e d h e i g h t we r e mo d e l e d a n d c a l c u l a t e d u s i n g the n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s p r o g r a m Op e n S e e s T h e r e s u l t s s h o w t h a t e a c h o f t h e s p e c i me n s wi t h d i f f e r e n t a x i a l - l o a d r a t i o s h a s i t s r e a s o n a b l e c o n c r e t e fi l l e d h e i g h t c o r r e - s p o n d i n g l y Wi thi n the p r a c t i c al d e s i g n axi al l o a d r a ti o r a n g e ，the r e a son a b l e c o n c r e t e fi l l e d h e i g h t i s a b o u t 0 3 t o 0 5 t i m e s o f t h e p i e r h e i ght Ke y wo r d s ： s t e e l p i e r ；fi l l e d c o n c r e t e ；Op e n S e e s ；fi b e r mo d e l 桥梁工程中， 钢桥墩较多的应用于城市桥梁， 为了减小 汽车撞击对钢桥墩基部的损伤， 往往在钢桥墩 中填入混凝 土， 这种方法不仅能提高桥墩的抗冲击性能， 而且也可形成 部分组合截面， 从而提高桥墩结构的整体性能 J 。但如果 在钢桥墩中填充了过多的混凝土也往往会给地基基础带来 不利影响， 因此钢桥墩中一般只填充一定高度的混凝土。 当混凝土填充到某一高度时， 其受力性能与混凝土完全填 充时基本相同， 这一高度被定义为混凝土合理填充高度。 本文基 于加州大 学伯克利 分校开发 的有 限元 软件 O pen S e e s ， 即 O p e n S y s t e m f o r E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g S i mu l a t i o n 】 ，对填充不同高度混凝土的钢桥墩模型试件进行数值 分析以确定其混凝土合理填充高度。 1 模型试件 分析对象为正在设计选型的某试验模型， 试件横截面为 3 6 0 m m 3 6 0 ra m的正方形截面( 图 1 ) ， 钢板厚 4 m m， 试件高 1 9 0 0 m m 。为研究混凝土填充高度对试件性能的影响， 将试件 沿高度方向分为 1 0等分， 每等分高 1 9 0 ra m。分析的试件混凝 土填充高度从0 1 倍试件高到整个试件完全填充， 增量为0 1 倍试件高度， 共 1 0个试件， 试件示意图如图2所示。 2 有 限元分 析 2 1 纤维模型 纤维模型是将构建截面划分成很多小纤维， 每一根纤 维只考虑其轴向行 为， 且每个纤维均可以赋予不 同的材料 属性。只要知道构件的弯曲应变和轴向应变就可以得到横 口 虽 图1 试件截面 ( 单位 ：m i l 1 ) 羹 日 圜 截面上每一根纤维的应变， 从而通过非线性迭代计算出截 面刚度和截面内力。试件中每块钢板截面在长度方向上划 分为 2 O个纤维， 厚度方向上划分为2根纤维。为保持一致 性， 内填混凝土划分为2 0 2 0个纤维。 2 2 材料本构 O p e n S e e s 程序中提供了多种单轴和多轴受力的材料本 构模型供不同研究者选用。文中为满足纤维模型的分析假 定 ， 采用单轴材料的本构关系， 对试件进行模拟分析。 2 2 1 混凝土本构模型 曾耀： 钢桥墩中混凝土合理填充高度分析 2 9 本文分析采用 O p e n S e e s 程序中提供的 C o n c r e t e 0 2混凝 土材料， 这种材料模型线性化的考虑了混凝土的拉伸软化 效应。分析时的混凝土强度采用实测数据为5 0 7 MP a ， 弹性 模量为 3 ， 3 41 0 M P a 。其余 参数按照 C E BF I P M o d e l C o d e 1 9 9 0 _ 建议取值。 2 2 2 钢材本构模型 钢材本 构模 型 采用 较 为常 用的线 性 强化 模 型， 即 O p e n S e e s 程序中提供的 S t e e l 0 1材料。根据实际拉伸试验 测得 钢 材 屈 服强 度 为 3 4 2 4 MP a ， 弹性 模 量 为 2 0 3 1 0 M P a ， 同 时， 钢材 的强 化 模 量 采用 E 1 0 0 ， 即 2 0 3 X 1 0 MP a 。 2 3 单 元选择 本文采用 O p e n S e e s 程序中的基于柔度法的非线性梁柱 单元( N o n l i n e a r B e a m C o h u n n E l e m e n t ) 进行建模分析， 这种 单元主要有以下两大特点： 截面是否开裂能够在单元的弹 性抗弯刚度中体现， 即分布塑性 ； 单元沿长度按照 G a u s s L o b a t t o q u a d r a t u r e规则积分， 这种积分方式不仅在两端具有 积分点， 而且在长度方向上可设多个积分点， 提高弯曲模式 下的单元计算精度。经过试算发现， 模型试件划分为 1 O 个 单元 ， 每个单元 设置 5个积分点具有 良好 的计算精 度和 效率。 丑 妞 魁 懂 曩： 丑 lm 越 键 0 0 0 00 2 0 0 4 水平位移， m 图3 ( a )无轴力时的试件水平位移 丑 I 皿 毯 惶 群 2 4 非线性方程组解法 对于非线性分析来说， 最终方程组的数值求解都需要 迭代求解。一般的通用有限元软件仅提供 N e w t o nR a p h s o 迭代、 修正 N e wto nR a p h s o n迭代 的等几种经典解法。而 O p e n S e e s 不仅提供了这些解法 ， 还提供了计算效率极高的 K r y l o v N e wto n迭代法。由于计算工况较多， 本文选择这种 方法求解非线性方程组。 2 5 分析工况 2 5 1 轴压试件分析工况 为确定压弯构件分析时的轴力大小， 需要进行纯轴向 压缩分析。由于试件混凝土填充高度的不同和承载能力的 差异， 采用混凝土充满钢管试件作为轴压比计算的标准值 是合理的选择。分析时 ， 试件下端固定 ， 上端作为加载端而 保持 自由边界。为保证计算收敛性， 采用轴向位移加载。 2 5 2 压弯试件分析工况 通常， 桥墩的设计轴压 比一般不会超过 柏。考虑实 际结构设计， 本文共计算无轴压、 轴压比为 2 0 和 4 o 三种 荷载工况。在这三种轴压作用下， 对 1 O个不同填充高度的 试件进行水平推覆分析 ， 研究不同轴压 比下， 混凝土填充的 合理高度。分析时， 轴向荷载采用力加载模式而水平荷载 采用位移加载模式。 转角， 皿 图3 0) 无轴力时的试件转角 转角 水平位移 m 丑I O 0 8 慧 惺0 4 o O O 0 O 0 0 0 2 004 水平位移， 脚 图4 ( a )轴压比为2 0 时的试件水平位移 l 4 f o )轴压比为2 0 的试件转角 图5 ( a )轴压比为4 0 时的试件水平位移 图5 ( h )轴压比为4 0 时的试件转角 注图3 一 图5 一 O 1 一 O 2一 一O 3一 一0 4一 一 O 5- - 一 0 6 一 0 7一 一0 80 9 一 1 0 3分析 结果 3 1 轴向压缩分析结果 考虑试件实际长度， 设置轴向加载位移为 5 m m。分析 得到试件轴向极限承载能力为2 1 5 1 4 7 k N。由于钢材的强 化作用 ， 试件在达到极限承载能力后仍然保持较好的延性， 这说明构件截面含钢率的高低对试件延性有一定影响。 3 2 水平推覆分析结果 设定三种水平推覆 分析工况 的轴压 比为分别为 0， 2 0 ， 4 0 ， 根据轴向压缩分析结果 ， 对应的恒定轴力分别 为0 ， 4 3 0 6 9 和 8 6 1 3 9 k N 。为提高非线性分析的收敛性， 分 析时水平方向采用位移加载 ， 预设加载位移为5 0 m m。计算 结果如图3 图 5 所示。结果表明： 对于无轴力试件来说， 在高度方向上填充 O 3 倍试件高度的混凝土和完全填充的 试件能力几乎相同； 对于轴压比为 2 0 的试件来说 ， 在高度 方向上填充 O 4倍试件高度的混凝土和完全填充的试件能 力几乎相同； 而对于轴压比为 4 0 的试件来说， 在高度方向 一 一 一 一 低温建筑技术 2 0 1 1年第 7期 ( 总第 1 5 7期 ) 冷弯槽形受弯构件畸变屈 曲承载力研究 郭彦利 ， 姚行友 ( 1 广东海洋大学工程学院 广东湛江5 2 4 0 8 8 ； 2 同济大学- I- - v 学院 上海2 0 0 0 9 2 】 【 摘要l 采用 冷弯薄壁型钢结构技术规范 、 北美规范、 澳洲规范以及低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规 程( 报批稿) 对文献 的 1 8根冷弯型钢纯弯构件畸变屈曲极限承载力进行了计算分析。结果表明： 冷弯薄壁型 钢结构技术规范 过于保守， 北美规范、 澳洲规范虽与试验比较吻合但安全性不高， 而 低层冷弯薄壁型钢房屋建 筑技术规程 ( 报批稿) 具有较好的安全度， 建议可用于冷弯型钢受弯构件畸变屈曲极限承载力的计算。 【 关键词】 冷弯型钢； 卷边槽形截面； 受弯构件； 畸变屈曲； 承载力 【 中图分类号】 T U 3 9 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 3 0 0 3 冷弯薄壁卷边槽形受弯构件被大量用于轻钢厂房和低 层冷弯型钢房屋， 随着高强钢材的出现这种截面做的越来越 薄， 因此在设计这种构件时必须考虑截面失稳的计算。槽形 截面受弯构件失稳有三种形式： 局部屈曲、 畸变屈曲和整体弯 扭屈曲。局部屈曲是板件围绕板件交线转动、 畸变屈曲是板 件围绕板件交线转动和侧移、 而弯扭屈曲是整个横截面发生 转动和侧移。局部屈曲半波最短、 整体弯扭屈曲在横向无支 长度间只有一个半波、 而畸变屈曲半波介于二者之间。我国 现行规范 G B 5 0 0 1 8 2 O O 2 ( 冷弯薄壁型钢结构技术规范 还 没有计算畸变屈曲的具体规定， 同时也没有适合壁厚 2 m m以 下构件的屈曲承载力计算规定 ， 为了验证我国规范对于畸变 屈曲和壁厚 2 m m以下构件屈曲承载力的适用性 ， 采用文献 中 1 8个纯弯试件进行计算分析 ， 并与北美规范、 澳洲规范以 及低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程( 报批稿) 计算值进 行对比分析， 给出具体的设计建议。 1已有试 验概述 文献L 2 一共进行了3 0个受弯槽形构件试验， 排除其中 发生局部屈曲、 弯扭屈曲和初始破坏的 l 2个试件 ， 对其余 l 8个试件进行计算分析。这 1 8个试件均为典型的卷边槽 形截面， 截面尺寸和材料特性如表 1 所示。纯弯构件的无支 长度均为 L=1 6 2 6 m m， 弹性模量为 E= 2 0 6 0 0 0 N m m 。 2 规范计算方法 2 1 G B 5 0 0 1 8 2 0 0 2 冷弯薄壁型钢结构技术规范 G B 5 0 0 1 8 2 0 0 2我国现行规范 冷弯薄壁型钢结构技术 规范 并没有针对畸变屈曲受弯构件承载力的计算公式， 但 是从两个方面考虑了畸变屈曲的影响。一是计算卷边加劲 翼缘的屈曲系数时采用了计算值较低的计算公式 ， 目的是 通过降低屈曲系数考虑畸变屈曲的影响， 二是对根据翼缘 宽厚比对卷边宽厚 比给出了最小值的限制， 目的在于控制 畸变屈曲的发生。 2 2 北美规范( N A S 2 0 0 7 ) 北美规范附录对卷边槽形截面受弯构件的极限承载力 采用三套公式分别计算弯扭屈 曲、 局部屈曲、 畸变屈曲， 取 其最小值做为构件的抗弯承载力。 对于发生畸变屈曲受弯构件不考虑和局部和整体的相 关作用采用公式( 1 ) 进行计算。 当时A d 0 6 7 3时 d ： Mr ( 1 a ) 当时 A d 0 6 7 3时 上填充 0 5倍试件高度的混凝土和完全填充的试件能力几 乎相同。 4 结语 本文基于开源有限元程序 O p e n S e e s中的纤维模型 ， 对 在三种不同轴压比下具有不同混凝土填充高度的钢桥墩模 型试件进行数值分析。结果表明， 在实际设计的轴压 比下， 混凝土应填充至0 3 倍桥墩高度以上， 但混凝土填充高度没 有必要高于O 5倍桥墩高度以上 ， 即对于部分填充混凝土钢 桥墩来说， 混凝土的合理填充高度应该在 0 3 到 0 5 倍桥墩 高度之间。 参考文献 ( 1 H L H s u ， J L L i n E x p e r i m e n t a l e v a l u a t i o n O n s e i s m i c p e rf o r m - a n c e o f s a n d w i c h b o x c o l u m n s J E a r t h q u a k e E n g n g S t r u c t D y n ， 1 9 9 9 ， 2 8 ( 8 )： 8 2 38 4 0 2 K N a k a n i s h i ， T K i t a d a ， H N a k a i E x p e r i m e n t a l s t u d y o n u l t i m a t e s t r e n g t h a nd d u c t i l i t y o f c o nc r e t e fi l l e d s t e e l e o l u mn s u n d e r s t r o n g e a r t h q u a k e J J C o n s t r u c t S t e e l R e s ， 1 9 9 9 ， 5 1 ( 3 ) ： 2 9 7 31 9 3 S i l v i a M a z z o n i ， F r a n k M e K e n n a ，M i c h a e l H S c o t t ，G r e g o r y L F e n v e s ，e t a1Op e n s y s t e m f o r E a r t h q u a k e e n g i n ee r i n g s i mu l a t i o n u s e r c o m m a n d L a n g u a g e M anu a l R U n i v e r s i t y o f C al i f o r n i a ， Be r k e l e y， 2 0 0 6 4 C E B F I P ： M o d e l C o d e1 9 9 0 M T h o m a s T e l f o r d ， 1 9 9 3 ， L o n d o n 【 收稿日 期 2 0 1 1 0 3 3 0 【 作者简介 曾耀( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 四川南充人， 在读博士研究 生 ， 从事钢与组合结构桥梁研究工作。