钢管混凝土叠合柱柱脚下混凝土局部受压性能研究.pdf
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1、 第1 0期 2 0 0 8 年l 0 月 广东土 木与建 筑 G UANGD0NG AR( : HI T EC T URE CI VI L E NGI NEE RI NG No 1 0 O C T 2 0 0 8 钢管混凝土叠合柱柱脚下混凝土局部受压性能研究 尧 国皇 ( 中建国际( 深圳) 设计顾问有限公司 深圳 5 1 8 0 4 8 ) 摘要 : 在选择 了合理的钢材和混凝土本构 关系模型 的基础上 , 利 用 A B A Q U S有 限元软件 对钢 管混凝 土叠合柱 柱脚下基础混凝土的局 部受压性 能进行 了研究 。 结果表 明内配钢筋 网片能有效增 A_ L部荷栽在承 台的传递扩
2、散 范围, 故提 出相 关的设计建议 , 可为相 关研 究和工程 实践提供 参考 。 关键词 : 钢 管混凝土 叠合柱 ;柱脚 ;有限元法;局部 受压 1 前 言 钢管混凝土叠合柱 ( 以下简称“ 叠合柱” ) 是 由截 面中部的钢管混凝土和钢管外的钢筋混凝土叠合而 成 这类组合构件不仅具有钢管混凝土构件 的优 点 而且钢管外的混凝土还可起到抗火作用 , 还便于 装修 , 已有不少工程应用实例 如 2 3层 的辽宁邮政 枢纽大楼 3 3层的沈阳电力花 园双塔 深圳卓越 皇 岗世纪 中心项 目的 3幢超高层塔楼( 其 中塔楼最大 高度为 2 8 0 m) 钢管混凝土叠合柱适用于我国非 抗 震和抗
3、震地 区的建筑结构 尤其是抗震设 防地 区 的高层建筑结构 。具有较好 的工程应用前景 C E C S 1 8 8 : 2 0 0 5 钢管混凝土叠合柱结构技术规程 ( 以下 简称 规程 ) 的颁布实施使得叠合柱在实际工程 中 的应用更具可操作性 众所周知 钢管混凝土叠合柱脚是上部主体结 构与基础连接的重要节点 在结构中起着重要作用 目前叠合柱一般采用 C 6 0及 以上的高强混凝土 而 基础仍采用 C 3 0左右 的普通混凝土 叠合柱 中钢管 内混凝土内力直接传人基础混凝土中 使柱脚处基 础混凝土的压应力大大超过其设计抗压强度f 按局 部承压计算 ) 因此必须在柱脚处基础混凝土中预埋 钢筋
4、网片 以提高柱脚处基础混凝土的抗压能力 保 证柱脚设计 的可靠及安全 对于钢管混凝土叠合柱脚下基础混凝土局部受 压 性 能 的研 究 成果 还 少 见报 道 对 于 预 埋钢 筋 网片 的配置也没有相关的指南 为了深入研究这个问题 本文在选择合理的材料本构关 系模型基础上采用 通用有限元软件 AB A Q U S 6 7 i3 3 进行分析 得 出的结 论可为相关研究和工程实践提供参考 2 有 限元 模型 的建 立 2 1 材料本构关系模型 钢管、 钢板与钢筋钢材采用 A B A Q U S软件 中 提供的等向弹塑性模 型 满足 V o n Mi s e s 屈服准则 , 这种模型多用于模拟金
5、属材料 的弹塑性性能 用连 接给定数据点的一系列直线来平滑地逼近金属材料 的应力一 应变关系 该模 型采用任意多个点来逼近 实际的材料行为, 故与实际相当接近。 钢管与钢筋钢 材采用理想弹塑性模型 弹性模量取 2 0 6 x l 0 s MP a , 弹性阶段泊松 比取 0 3 混凝土采用该软件 中的塑性损伤模型 钢管 内 核心混凝土单轴应力一 应变关系采用文献 4 中提出 的适用于该软件有限元分析钢管混凝土 的核心混凝 土单轴应力一 应变关系模型, 具体数学表达式如下: f 2 I ( 一 1 ) 式中: = o ; y = o - t7 o ; O - o = f ( M P a ) ;
6、S o= e + 8 0 0 1 0 _ 6 ; = ( 1 3 0 0 + 1 2 5 ) x l O _6 ; 7 = 1 6 + 1 5 ; ( 1 2 ) ; 4 A。 ) 为 核 心混 凝 土 圆 柱体抗压强度( MP a ) : 为钢管混凝土截面约束效应 系数 i 为钢管钢材屈服强度 ; 为混凝土立方抗压 强度标准值; A 、 A 分别为钢管和混凝土的截面积。 钢管外混凝土及基础混凝土采用 混凝土结构 设计规范 附录 C中提出的应力一 应变关系模型 : 混凝土弹性模量按该规范取值 泊松 比取 0 2 2 2 单元类型和截面划分 钢管和混凝土均采用 了采用八节点减缩积分格 式 的三维
7、实体单元 ( C 3 D8 R) 虽然这种单元与其它 高次等参单元相 比 计算精度稍低 但却可以减少很 37 2 0 0 8 年1 0 月 第1 0 期 尧国 皇: 钢管 混凝土 叠合柱 柱脚下混 凝土 局部受 压性能 研究 O C T 2 0 0 8 N o 1 0 多 自由度 从而大大缩短计算时间 从经济性考虑混 凝土采用 C 3 D 8 R单元 叠合柱 内钢筋和基础配置的 钢筋网片均采用 T ms s 单元 采用 A B A Q U S软件 中的 E m b e d d e d R e g i 0 n命令将其嵌入混凝土中 不考虑钢 筋与混凝土之间的滑移 单元网格采用细分网格 的 网格实验
8、方法 确定合适的网格 图 1给出了钢管混 凝土叠合柱柱脚有限元分析模型 叠合柱 钢筋网片 箍筋 ( a )整体模型 ( b )柱内钢筋及基础 内钢筋 网片 图 1 叠 合 柱柱 脚 有 限元 分 析 模 型 2 3 接触和边界条件 根据文献 4 的研究成果 , 采用采用库仑摩擦模 型模拟钢管与核心混凝土界面切 向力的传递 界面 可传递剪应力直至其达到临界值 , 界面之间产生 相对滑动 此处计算 中采用一个允许“ 弹性滑动” 的 罚摩擦公式 , 在滑动过程中界面剪应力保持为 不 变 钢管 与核心混凝土界面摩擦 系数取 0 6 钢管 与 核心 混凝 土法 线方 向采 用 “ 硬接 触 ” _ 3
9、_ 由于实际工程设计时叠合柱柱脚一定高度范围 内, 钢管外壁与钢管外混凝土之间会设置拴钉 保证 两者共同工作和变形协调 为简化有限元模型 假定 其完全粘结 不考虑它们之间的滑移 但对本文研究 的叠合柱柱脚下混凝土局部受压性能影 响很小 叠 合柱与基础承台整体浇注在一起 因此也采用完全 粘接的接触条件 在加载端设置一刚度很大垫块模拟加载垫块 采用三维实体单元( C 3 D 8 R) 模拟 其弹性模量取 l 1 0 MP a , 泊松比取 l x l 0 加载垫块与钢管或混凝土 之间用 A B AQ U S软件中 T i e 命令进行约束 。节点分 析模型的下端采用固定的边界条件 数进行有限元建模
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