方中空夹层钢管混凝土压弯构件滞回性能的有限元分析.pdf
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1、2 0 1 0年第 7期 铁道建筑 Rai l wa y En g i ne e r i n g 5 7 文章 编号 : 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 7 - 0 0 5 7 - 0 5 方 中空夹层钢 管混凝土压弯构件滞 回性 能的有 限元分析 黄宏 , 黄诚 , 陈梦成 ( 华东交通大学 土木建筑学院 , 南昌3 3 0 0 1 3 ) 摘 要 : 研 究 方 中空 夹层钢 管 混凝 土压 弯 构件 的滞 回 性 能 是进 行 该 类 结 构 弹 塑性 动 力反 应 分析 的基 础 。 本文利用有限元软件 A B A Q U S建模 , 模型 中合理地考虑
2、 了往复荷载作用下混凝土的损伤 以及 刚度和强 度退化, 同时考虑 了钢材的包兴格效应 , 对往复荷载下方中空夹层钢管混凝土压 弯构件的荷载一位移全 过程进行 了计算 , 计算结果与试验结果符合较好。在此基础上, 结合钢管和混凝土的纵向应 力分布云图 对构件 的荷 载一 位移 全过 程进行 了分析 , 这对 深入研 究该 类构件 的 工作 机 理有 重要 意义 。 关键词 : 方 中空夹层钢管混凝土 压弯构件 滞回性能有限元 中图分 类 号 : T U 3 9 2 3 文献 标识 码 : A 中空夹层钢管混凝土由钢管混凝土发展而来 , 是 一 种在 两个 同心放 置 的钢管 之间灌 注混 凝
3、土而形 成 的 构件 , 除具有钢 管混凝 土的基本 优点外 , 还 有截面开 展 、 抗弯刚度大 、 自重轻等特点 。当受压构件长细 比较 大时, 构件的承载力将 由其刚度控制 , 钢管混凝土构件 截面的强度承载力就不能得到充 分发挥 , 而采用 中空 夹层钢管混凝土就具有很好的效果 , 因此将 中空夹层 钢管混凝土应用于高架桥桥墩、 海洋平 台结构 的支架 柱和高耸构筑物中具有较大的优势。 中空夹层钢管混凝土的内、 外钢管可采用圆形、 方 形 、 矩形或其它截面形状钢管 的两两组合 , 因此该类构 件有较多的截面形式。由于方形钢管作为外管有利于 梁柱节点的连接, 而圆形钢管作为 内管有利于
4、防止 内 管 发生局 部屈 曲 , 因此 , 本 文拟对 图 1所示 截 面形式 的 方中空夹层钢管混凝土构件进行研究 。 混凝 图 1 构件截 面示 意 收稿 日期: 2 0 1 0 -0 3 - 0 2 ; 修 回日期 : 2 0 1 0 - 0 4 - 2 6 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 9 6 8 0 0 6 ) ; 江 西省 自然科学基 金资助项 目( 2 0 0 9 G Z C 0 0 2 3 ) 。 作者简介: 黄宏 ( 1 9 7 7 一) , 女 , 江西樟树人 , 副教授 , 博 士。 研究 方 中空夹 层钢 管混 凝土构 件 的滞 回性能是 进
5、行该类结构弹塑性动力反应分析的基础, 目前国内外 对该类构件的滞 回性能研究很少 , 作者所在课题组 J 进行了 1 2个方中空夹层钢管混凝土压弯构件 的滞 回 试验研究 , 并采用纤维模型法对荷载一位移滞 回曲线 进行了计算。纤维模型法计算简便快捷 , 但不能准确 地分析钢管和混凝土单元的三向应力 以及在受力过程 中钢管和混凝土之间的相互作用, 因此不 能对其工作 机 理进行 分析 , 而 有 限元 法 可 以全 面地 了解 构件 在 受 力过程中的应力和应变分布、 内外钢管与混凝土的相 互作用和破坏形态 , 从而能较深入地认识其工作机理 ; 张耀春等 采用 A B A Q U S对带肋薄壁
6、方钢管混凝土 柱的滞回性能进行 了模拟计算 , 计算结果与试验结果 符 合较 好 。 本文拟采用有 限元软件 A B A Q U S建模对往 复加 载下方 中空夹层钢管混凝土的荷载一位移关系全过程 进行计算 , 在有限元计算模 型可靠性得 到试验验证的 基础上 , 结合钢管和混凝土 的纵向应力分布云图对该 类构件的荷载一位移全过程进行分析。 1 有 限元模型 的建 立 利用有限元软件 A B A Q U S进行建模 , 对往复荷载 下方中空夹层钢管混凝土的荷载一位移关系进行全过 程计算。 1 1材料 的本构 关 系模型 钢材采用双线性随动强化模 型, 分为弹性段和强 化段 , 考虑了包兴格效应
7、 , 在 弹性 阶段 的弹性模量 E 和泊松 比 分别取 2 0 6 G P a和 0 3 , 取 强化模 量为 0 O1 E E 3 。 5 8 铁道建筑 混凝土采用塑性损伤模型 , 该模型是基于拉 、 压各 向同性塑性的连续线性损伤模型 , 可较好地模拟混凝 土在单轴、 双轴等复杂状态下 的工作性能。同时将损 伤指标引入混凝土模型 , 对混凝 土的弹性刚度矩阵加 以折减 , 以模拟混凝 土的卸载刚度随损伤增加而降低 行为 , 同时将非关联硬化引入混凝 土弹塑性本构模 型 中, 以更好地模拟混凝土的受压弹塑性行 为。塑性损 伤模型认 为混凝 土的破 坏可分为拉裂和压碎两种情 况, 其屈服面和
8、破坏面 由等效拉 、 压非弹性应 变控制 , 因此 , 该模型需要分别采用受拉 和受压的应力一非弹 性应变关系来定义材料的性能。对于往复荷载下的受 拉混凝土, 综合考虑计算的效率以及收敛性和准确性 , 本文采用混凝土开裂应力一开裂位移来考虑混凝土的 受拉软化性能。核心混凝土的单轴受压应力一应变关 系采用刘 威 改进 的钢 管 混凝 土 中核 心混 凝 土 模 型 , 该模型考虑了核心混凝土受钢管被动约束 的特点 , 更 适 合 有 限元 软 件 A B A Q U S对 核 心 混 凝 土 受 压 应 力一 应变关系的分析。在往复荷载作用下 , 当荷载方 向改 变时 , 混凝土 的弹性 刚度
9、会有一 些恢复 , 在 A B A Q U S 中, 这个特性是通过 与往复荷载下受拉和受压 刚度恢 复相关的权系数( 和 ) 来实现的, 对钢管混凝土结 构 , 取 =0 2 , =0 。往复荷载作用下混凝土受 拉 、 受压损伤可 以分别用受拉损伤 因子 d 和受压损伤 因子 d 来描述, 根据上面确定 的混凝土非弹性阶段的 应力一应 变 ( 位移 ) 关 系 , 通 过 d =1一 E 。 8 ( 1 b ) 1 ) + o r ) E 。 可求得损伤因子的数 值 , 其 中取 b =0 1 , b =0 7 。混凝 土的泊松 比 取 0 2, 弹性模量按 E = 4 7 3 0 MP a
10、 计算 , 其 中f c 为混凝 土 圆柱体 抗压 强度 。通过 将混 凝土 的黏性 系数 修正为0 0 0 0 5 , 增加结构 的刚度 , 提高软化 阶段 的收 敛效率 。 1 2单元 类型 的选取 与划分 内外钢管均采用 四节点缩减积分 格式的壳单元 ( S 4 R) , 为了满足一定的计算精度 , 在壳单元厚度方向 采用 9个积分点的 S i m p s o n积分。盖板 和核心混凝土 采用八节点减缩积分格式的三维实体单元( C 3 D 8 R) , 该类单元可用于模拟产生较大 的网格扭 曲, 适合进行 大应变分析。采用结构化 网格划分技术 , 在模 型的长 度方 向上进行均匀的网格划
11、分 。 1 3 钢管与混凝土的界面模型 钢管与混凝土的界面模型由法向的接触和切向的 黏结滑移组成 , 选择“ 硬” 接触作为钢管与核心混凝土 的法向接触行为 , 即垂直 于接触面的压力 可以完全地 在界面中传递。采用库仑摩擦模型来模拟钢管与核心 混凝土界面切向力的传递 : 界面可以传递剪应力, 直到 剪应力达到临界值 , 界面之间产生相对滑动, 摩擦系数 取 0 2 5 。 1 4边界条 件 试验中试件两端铰接 , 通过跨 中的刚性夹具对试 件施加荷载 。根据试件 的实际受力情况 , 建立模型的 边界条件。由于结构 和受力 的对称性 , 因此取半结 构 模型进行计算 , 跨 中截面沿 X O
12、Y平面对称, 底部盖板 中心线 约束 、 y两方 向位 移 , 如 图 2所示 。采 用 多个 分析步进行模拟 , 在第一个分析步 中对构件底部盖板 施加轴 向面荷载 , 后面的多个分析步中均保持轴力 恒 定 , 将每个循环中的正 向、 反向加载各 自定义成一个分 析步 , 依次对跨中刚性夹具 的位移加载线进行位移加 载 。 图 2边 界 条 件 2 有 限元计算与试验 结果比较 为了验证 以上所建 有限元模 型计算 结果的正确 性 , 本文对 9个方中空夹层钢管混凝土压弯构件 的滞 回试验 进行了模 拟。图 3中, B 。 、 t 。 和 。 分别为外 钢管的边长、 厚度及钢材屈 服强度 ;
13、 D 、 t 和 分别为 内钢 管 的外 径 、 厚 度 和 钢 材 屈 服 强 度 , n为 设 计 轴 压 比 , 为施 加 的轴 向压 力设计 值 。 图 3表明 , 有限元计算结果 与试验结果总体吻合 较好 , 计算结果略微偏于安全。 3受力全过程分析 为了更好地 了解往复荷载作用下方中空夹层钢管 混凝土压弯构件的工作机理 , 这里以典型构件为例 , 对 其荷载一位移全过程进行分析。所选典型算例的基本 参数为: B 。 = 4 0 0 mm, t 。 =9 3 1 mm, D i =1 9 0 7 m m, t = 3 1 8 m m 。 = = 3 4 5 MP a , = 6 0
14、MP a , 混 凝 土 圆 柱体 抗 压强度 f c = 5 1 MP a , N o = 5 2 4 k N, n= 0 0 7 。 图4为按上述参数计算的典型构件荷载一位移滞 回关系曲线 , 为了便于论述 , 在 曲线 上取七个特征点 是 : O点为恒定轴力加载后 , 横 向力加载前的点 ; A 点为图 2中横 向力作用 面的外钢管 ( 以下简 称外钢 管) 压 区纵 向应力达到屈服的点 ; B点为第一次开始 2 0 1 0年第 7期 方中空夹层钢管混凝土压弯构件滞 回性能 的有 限元分析 5 9 ( a ) =1 2 0mmx 3mm x l 5 0 0 mm Dl t= 3 2 mm
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