带肋薄壁方钢管混凝土组合柱的非线性有限元分析.pdf
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1、2 0 1 1 年第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 011 No 8 Au g u s t 带肋薄壁方钢管混凝土组合柱的非线性有限元分析 张 平 , 李佰 寿 , 郑玉今 ( 延边 大学 结 构工 程学 科 , 1 3 3 0 0 2 ) 摘 要 : 针 对薄壁 方钢管混凝土在轴压 下易产 生局部 屈曲 问题 , 考虑材料本构关 系的非 线性 , 利 用 ANS YS程序 建立 了不带肋和带肋的薄壁方钢 管混凝 土组合 柱的三维有 限元模型 ; 在普通钢管混凝 土工作原理基础 上 , 对 带肋薄 壁方钢管
2、混凝土受力机理进行 了探讨 。揭 示 出受力过程 中带肋 薄壁钢 管与核 心混凝土截 面应力分布发展规律及 二 者间的相 互作 用。 结果表明 , 设 肋后 显著 削弱钢管 角部应 力 , 增大核心混凝 土区面积 , 即增 强了对核 心混凝 土的约束 效应 , 改善 了薄壁方钢 管混凝 土柱 的局 部屈 曲性能 , 增强 了承载力和延性 。 关键词 : 带肋 组合柱 ; 核 心混凝土 ; 局部屈 曲 ; 非线性有 限元 ; 应力应 变 Ab s t r a c t : Ai me d a t t h e p r o b l e m o n l o c a l b u c k l i n g o
3、 f t h i n wa l l e d c o n c r e t e fi l l e d s q u a r e s t e e l t u b e s u n d e r a x i a l c o mp r e s s i v e l o a d i n g , c o n s i d e rin g t h e n o n l i n e a r ma t e r i a l c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n ,u s i n g ANS YS p r o g r a m t o e s t a b l i s h t h e t h
4、 r e e d i me n s i o n a l fi n i t e e l e me n t mo d e l o f t h e n o n r i b b e d a n d r i b b e d t h i n wa l l e d c o n c r e t e fi l l e d s q u a r e s t e e l t u b e s o f c o mp o s i t e c o l u mn s , o n t h e b a s e o f t h e wo r k i n g p ri n c i p l e f o r c o mmo n c o n
5、 c r e t e wi t h s t e e l t u b e s , t h e s t r e s s me c h a n i s m o f r i b b e d thi n w a l l e d c o n c r e t e fi l l e d s q u a r e s t e e l t u b e s i s d i s c u s s e d ,wh i c h r e v e a l s t h e d e v e l o p i n g r u l e s o f s t r e s s d i s t r i b u t i o n a n d t h
6、e i n t e r a c t i o n b e t we e n ri b b e d t h i n - w a l l e d s t e e l t u b e a n d c o r e c o n c r e t e s e c t i o n i n t h e s t r e s s p r o c e s s T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t r e s s o f s t e e l t u b e c o rue r i s s i g n i fi c a n t l y we a k e n e d a
7、f t e r r i b b e d , a n d i n c r e a s i n g t h e a r e a o f c o r e c o n c r e t e , n a me l y e n h a n c i n g t h e b i n d i n g e f f e c t o n c o r e c o n c r e t e ,c a n i mp r o v e t h e l o c a l b u c k l i n g p e r f o r ma n c e o f t h e t h i n wa l l e d c o n c r e t e c
8、 o l u mn s fi l l e d s q u a r e s t e e l t u b e s , a n d e n h a n c e t h e b e a r i n g c a p a c i t y a n d d u c t i l i t y Ke y wor ds: Ri b be d c o mp o s i t e c o l u mn s ;Co r e c o nc r e t e ;Loc a l b uc k l i ng ;No n l i ne a r f i ni t e e l e me n t ;S t r e s s - s t r a
9、i n 中图分类号 : T U 3 7 5 3 文献标识码 : A 文章编 号 : 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) 0 8 - 3 1 - 0 4 0前 言 近年来 , 随 着 高强 钢 材 在 国 内外 的不 断 推 广应 用 , 采用高强钢材制作 的结构构件开始 向薄壁 化方 向发展 , 薄钢组合结构是近年来发展起来的一种新 型结构形式。薄壁钢管混凝土组合柱是在传统钢管 混凝土结构 的基础上 由薄壁钢管 与混凝土组合而 成 的结 构 形式 , 填充 的混凝 土提 高 了薄 壁 构件 的局 部屈 曲强度性能 , 而薄壁钢管既可作柱的模板又 同 时起到 了受力纵筋和
10、约束箍筋的作用 , 可以减少钢 材用量 , 达到降低工程造价 的目的。 但是薄壁钢管混凝 土在轴 向压力作 用下较易 产生局部屈曲 , 从而 降低 构件承载能力 , 并影响其 正 常工 作 性 能 , 尤其 是 当构 件截 面 形 状 为 方形 或 矩 形 时 , 即使管 内填充混凝 土 , 外部方 钢管仍会发生 局部屈曲 咽, 外部方钢管的屈曲使方钢管 的强度不 能得 到充分的利用( 不是全截面有效 ) , 同时 , 管壁 的局 部 屈 曲 减 弱 了方 钢 管 对 核 心 混 凝 土 的 紧 箍 约 束作 用 , 从 而 降 低 了核 心混 凝 土 的轴 向承 载力 。为 此 , 国 内外
11、 研 究 者先 后 提 出一 些 抵 消 这种 影 响 的构 造措 施 , 主 要包 括 设 置 纵 向加 劲肋 3 删、采 用 约束 拉 杆 6 - 7 和角 部 隅 撑I现 这 三种 方 法 。本 研 究针 对 薄 壁方 钢管混凝土在轴压下易产生局部屈曲问题 , 考虑材 料本构关系 的非线性 ,利用 A N S Y S程序建立 了不 带肋 和带肋 的薄壁方 钢管混凝土组合柱的三维有 限元模型 , 揭示受力过程 中带肋薄壁钢管与核心混 凝土截面应力分布发展规律及二者间的相互作用 , 探究 薄壁 方 钢管 混凝 土 的受 力机 理 。 1试 件模 型 介绍 为 研 究薄 壁 方 钢 管混 凝
12、土 组 合柱 , 确定 轴 压 极 限 承载力 , 试 件 的长 度必 须适 当。过 长 的试件 , 将 会 出现整体稳定问题 , 此 时测得的抗力不能代表组合 材料 的真 实 强度 ; 过 短 的试件 端 部 效 应 的影 响 将 不 可忽略。 因此 , 取试件长宽比等于 3 9 1 。 混凝土强度等 级 为 C 3 0 ,弹性 模 量 E c = 3 0 x l 0 4 MP a ,泊松 比 V c = 0 2 ; 钢材型号为 Q 2 3 5 , 屈服强度取 3 5 0 MP a , 弹性模 量 E s = 2 0 6 x l O 5 Mp a , 泊 松 比 V s = 0 3 , 构
13、件 主 要 参 数 见表 1 。 2有 限元 模型 的 建立 2 1 单 元类 型 的选 择 薄 壁 钢管 、垫 板 和加 劲 肋 采 用 S O L I D 4 5单 元 模 一 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 8期 混凝 土与水 泥制 品 总第 1 8 4期 表 1 构件编号及主要参数 注 : D 为方 钢管 截 面 边 长 , L为 构 件 长 度 , t为 构 件 厚 度 , b s 为加劲肋截面宽度 , t s 为肋板厚度 。 拟 , 该单元具有塑性 、 蠕变 、 膨胀 、 应力强化 、 大变形 和大应变的特征 , 有利于控
14、制缩减积分的选项。 混凝 土 采 用 S 0 UD 6 5单 元模 拟 ,其 是 A N S Y S 专 门定义的混凝土单元 , 采用 S 0 uD 6 5单元特有的 混 凝 土单 元 数据 来定 义 混凝 土 的强 度 准则 , 核 心 混 凝 土抗 压 强度 、 弹性模 量 、 泊 松 比 ; 该 单 元 可 以综合 考 虑 塑性 和徐 变 引起 的 材料 非线 性 、 大 位 移 引起 的 几 个 非 线性 、 混 凝 土开 裂 ( 三 个 正 交 方 向) 和 压 碎 引 起的非线性等多种混凝土材料特性。 2 2 材料本构关系的选择 ( 1 ) 钢材 的本构关 系 薄壁钢管和加劲肋 均
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