钢管初应力及混凝土自应力对钢管混凝土构件承载力影响分析.pdf
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1、公路 交通技术2 0 1 4年 6月 第 3期 T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o J u n 2 0 1 4 N o 3 钢管初应力及混凝土 自应力对钢管 混凝土构件承载力影响分析 邵 京 , 周水兴 ( 重庆交通大学土木与建筑学院, 重庆4 0 0 0 7 4 ) 摘要 : 通过在钢管上施加均布面荷载和对混凝土施加温度荷栽分别模拟钢管初应力和混凝土 自应力, 利用A N S Y S 有限元程序建立钢管混凝土构件实体模型, 分析钢管初应力和混凝土 自应力对钢管混凝土构件承载力影响规律, 在 此基础上拟合钢管混凝土
2、构件承载力计算公式, 相对于数值结果而言, 该拟合计算公式具有较高的精度。 关键词 : 钢管混凝土; 钢管初应力; 混凝土 自应力; 承载力分析; 承载力计算公式 文章编号: 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 5 9 0 7 中图分类号: U 4 4 1 5 文献标识码 : A An a ly s is f o r l n f l u e n c e s o f l n it ia I St r e s s o f St e e l Tu b e s a n d Se lf s t r e s s o f Co n c r e t e O n B e a
3、r i n g Ca p a c it y o f Co n c r e t e - f i l l e d S t e e l Tu b u la r Me mb e r s S H A 0 J i n g Z H O U S h u i x i n g Ab s t r a c t :T h i s p a p e r s i mu l a t e s i n i t i a l s t r e s s o f s t e e l t u b e s a n d s e l f - s t r e s s o f c o n c r e t e b y a p p l y i n g l
4、o a d o f u ni f o r ml y d i s t r i b u t i o n s u r f a c e a n d a p p l y i n g t e mpe r a t u r e l o a d o n c o nc r e t e,e s t a b l i s h e s t h e e n t i t y mo d e l o f c o n c r e t e-fil l e d s t e e l t ub u l a r me mb e r s b y me a ns o f ANS YS fin i t e e l e me n t , a nd
5、a n a l y z e s t h e l a ws o f i n fl u e n c e s o f i n i t i a l s t r e s s o f s t e e l t u b e s a n d s e l f s t r e s s o f c o n c r e t e o n c o n c r e t efi l l e d s t e e l t u b u l a r me mb e r s ,a n d o n t h i s b a s i s fi t s c o mp u t a t i o n a l e q u a t i o n f o r
6、 b e a ri n g c a p a c i t y o f c o n c r e t e - fi l l e d s t e e l t u b u l a r me mbe r s Re l a t i v e t o n u me ric a l r e s u l t ,t h i s fit t e d c o mp u t a t i o n a l f o rm u l a h a s h i g he r a c c u r a c y Ke y wo r d s :s t e e l t u b e c o n c r e t e;i n i t i al s t
7、r e s s o f s t e e l t u b e ;s e l f -s t r e s s o f c o n c r e t e ;a n a l y s i s o f b e a ri n g c a p a c i t y;c o mp u t a t i o n a l e q u a t i o n for b e a n n g c a p a c i t y 钢管混凝土结构具有承载力高、 抗震性能好、 施 工方便等优点, 在高层建筑、 桥梁工程中应用广 泛 J 。然而 , 管内混凝 土是在 已经架设好 的空钢管 立柱或空钢管拱肋基础上灌注的, 在形成钢管混凝 土组合
8、材料前, 空钢管截面中因在制作过程中已经 存储 了一定的初应力 , 将会影 响钢管混凝土结构承 载力 。处于封闭状态下 的管 内混凝土受到其收 缩徐变的影响, 导致 管内混凝土在低应力状态下的 脱空 , 不仅使钢管混凝土计算理论与实际不符 , 而且 也会降低其结构承载力。为避免管内混凝土的脱 空, 利用 自应力混凝 土, 使其在低应力状态下处于三 向受压状态 , 充分发挥钢管的约束套箍作用 , 可达到 提高钢管混凝土结构承载力和工作性能的目的 J 。 针对钢管初应力和混凝土自应力对钢管混凝土 基金项 目: 重 庆市教委科技 项 目( K J 1 2 0 4 1 2 ) 收稿 日期 : 2 0
9、1 3 1 2 1 7 作者简 介: 邵京 ( 1 9 8 9 一) , 男 , 浙江省金华市人 , 在读研究生 构件的承载力影响, 国内已经开展了相关的理论和 试验研究 J 。周水兴等 基于非线性问题 的平衡 方程和空间梁单元非线性几何方程, 提出了用组合 空间梁单元法分析钢管初应力对钢管混凝土拱桥承 载力的影响, 并给出了承载力计算公式。此外 , 周水 兴等 。 。 还通过试验和理论分析提出了自应力钢管 混凝土本构关系和构件承载力计算公式。但迄今为 止 , 国内外尚未见同时考虑钢管初应力和混凝 土 自 应力对钢管混凝土构件承载力影响进行研究的相关 报道。 本文在文献 1 O 给 出的 自应
10、力钢管混凝 土本 构关系模型基 础上 , 应用 A N S Y S有限元程序 , 同时 考虑钢管初应力和混凝土 自 应力的影响, 对钢管混 凝土构件承载力进行分析, 在此基础上拟合出构件 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 4车 承载力计算公式, 为今后自应力钢管混凝土构件设 计提供参考。 1 钢管与自应力混凝土的本构关系 1 1 钢材本构关系 钢管 中采用的 Q 2 3 5 、 Q 3 4 5和 Q 3 9 O钢材均为低 碳软钢, 在极限承载力分析时可简化为理想弹塑性 材料 , 其应力应变关系如式( 1 ) 所示 。 占 ( 1 ) 【
11、o 4 5 式中: 。 为核心混凝土泊松 比。 2 有限元模型建立 2 1 单元划分 本文仅研究圆形钢管混凝土构件 , 为减少单元 数目, 提高计算效率, 取 1 4圆柱体模型。单元划分 时 , 为避免沿圆心呈辐射划分单元造成部分单元为 五面体, 将靠近圆心位置的单元划分成四边形, 再沿 圆心的边缘扩散, 确保沿构件高度方向所有单元均 为六面体。 承载力分析选用 A N S Y S 有限元程序, 钢管与核 心混凝土均采用 S O L I I M5单元 。构件横 截面划分 见 图 1 。 图 1构件横截面划分 2 2 钢管初应力和混凝土 自应力施加方法 钢管初应力的施加 比较容易 , 只需在钢管
12、壁上 施加均布力 , 但对核心混凝 土施加 自应力则 比较 困 难 , 为此 , 本 文提 出对核心混凝土加温的方法 : 采用 A N S Y S中的轴对称壳单元 S H E L L 5 1 , 建立核心 昆 凝 土和钢管模型 , 对核心混凝土施加温度荷载 , 得到钢 管的环向应力 然后利用 自应力 q与钢管环向应 力的关系式( 6 ) , 求出混凝土自应力所需施加的温 度值 。 g:上 胡 ( 6 ) g 胡 L 0 式 中: t 为钢管壁厚 ; r 为钢管内空半径 。 2 3 分析步骤 为模拟实际施工中钢管初应力和管内混凝土自 应力产生过程, 采用 A N S Y S中的生死单元技术, 分
13、 3个步骤进行分析。 步骤 1 : 先激活空钢管单元 , 在构件顶面施加面 力 , 以模拟钢管初应力 ; 步骤2 : 激活管内混凝土单元, 根据事先求出的 自应力值所对应的温度值, 将其施加到核心混凝土 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 3期 邵京, 等: 钢管初应力及混凝土 自应力对钢管混凝土构件承载力影响分析 6 1 上 , 以模拟核心混凝土的 自应力 ; 步骤 3 : 计算 2种应力共同作用下的构件承载 力。 3 仅有钢管初应力或仅有混凝土自应力对钢管混 凝土构件承载力影响分析 3 1 钢管初应力对钢管混凝土构件承载力影响 为验证本文方
14、法 的正确性 , 选取文献 2 开展 的不 同钢管初应力 的承 载力试验结果进行分析 , 试 件尺寸及参数见表 1 , 不同钢管初应力的钢管混凝 土构件的承载 应变关 系见图 2 。 由图2可以看出, 试验结果与有限元计算值吻 合较好 , 且不 同钢管初应力的钢管混凝土承载力是 不同的, 换句话说 , 不 同钢管初应力对钢管混凝土构 件承载力存在实际影响。 3 2 混凝土自应力对钢管混凝土构件承载力影响 为进一步验证用数值方法计算混凝土 自应力对 钢管混凝土构 件承 载力 的正确性 , 采用文 献 9 的 试件尺寸进行试验 , 试验结果与理论计算值见表 2 , 试验与理论计算 的荷载一 位移关
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