轴心受压方钢管-钢骨混凝土组合长柱力学性能的非线性有限元分析.pdf
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1、第 4 0卷第 6期 2 0 1 4年 1 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 47 轴心受压方钢管一 钢骨混凝土组合长柱力学 性能的非线性有限元分析 雷劲松 , 姜嘉龙 , 王 杰 , 罗文霞 ( 1 西南科技大学土木工程与建筑学院, 四川 绵阳6 2 1 0 1 0 ; 2 中煤科工集团重庆设计研究院, 重庆4 0 0 0 1 6 ) 摘要: 基于钢管一 钢骨高强度混凝土轴压组合长柱轴压试验 , 利用大型有限元软件 A N S Y S建立三维有限元数值 分析模型, 并对建立的模型进行非线性有限元数值模拟, 分析方钢
2、管一 钢骨高强度混凝土组合长柱在轴心压力作用 下的力学性能。有限元计算出来的荷载一 轴向应变曲线 、 极限承载力和延性系数与试验结果吻合较好, 证明所建立 三维有限元模型和分析结果是可靠有效的; 在此基础上, 利用有限元模拟对若干影响组合长柱受力性能的因素进 行了分析。研究表明: 组合长柱截面含骨率与混凝土轴心抗压强度对方钢管一 高强度混凝土组合长柱的荷载一 轴向 应变曲线、 极限承载力和延性系数有重要影响; 随着方钢管厚宽比的增大, 方钢管一 高强度混凝土组合长柱的屈服 承载力和极限承载力均有明显的增加。 关键词: 组合长柱 ; 轴心受压 ; 非线性有限元分析 ; 极限承载力 中图分类号 :
3、 T U 3 9 8 9 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 l 4) 0 6 0 4 7 0 4 M e c h a n i c a l b e h a v i o r n o n l i ne a r fin i t e e l e m e n t a n a l y s i s o f a x i a l l y- l o a de d s q ua r e s t e e l t u be l o ng c o l u m n s fil l e d wi t h s t e e l - r e i n f o r c e d h i g h
4、 s t r e n g t h c o n c r e t e L EI J i n s o n g , J I ANG J i a l o n g , WANG J i e , L UO We n x i a ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e , S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h no l o g y, Mi an y a n g 6 21 01 0, C
5、hi na; 2 C h i n a C o a l T e c h n o l o gy a n d En g i n e e r i n g G r o u p Ch o n g q i n g D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e, C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 6 , C h i n a ) Ab s t r a c t : Un d e r t h e c o n d i t i o n o f l a r g e s l e n d e r n e s s r a t i o a n d a
6、 x i all y - l o a d e d , u s i n g t h e f i n i t e e l e me n t me t h o d ANS YS t o a n a l y z e me c h a n i c a l b e h a v i o r o f s q u are s t e e l t u b e l o n g c o l u mn s fil l e d wi t h s t e e l - r e i n f o r c e d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e b y e s t a b l i s
7、 h me n t o f 3 D f i n i t e e l e me n t mo d e l s T h e f i n i t e e l e me n t c a l c u l a t i o n r e s u l t s a r e i n g o o d a g r e e me n t w i t h e x p e rime n t a l d a t e , wh i c h p r o v e t h a t t h e f i n i t e e l e me n t mo d e l s a r e r e a s o n a b l e Ba s e d o
8、 n t h i s b a s i s , we ma d e mo r e 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 t o a n a l y z e t h e i n flu e n c e s o f s e v e r a l g e o me t ric a n d ma t e r i a l p ara me t e r s O 13 me c h a n i c al b e h a v i o r o f t h e c o l u mn s T h e a n a l y s i s r e s
9、 u l t s s h o w s t h a t t h e s t e e l r e i nfo r c e d r a t e a n d t h e c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f c o n c r e t e h a v e g r e a t i nfl u e n c e t o t h e me c h a n i c al b e h a v i o r , a n d t h a t t h e r e s u l t s o f y i e l d b e a r i n g c a p a c i t y a n d
10、u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e c o l u mn s i n c r e a s e a s t h e wi d t h t h i c k n e s s r a t i o o f s q u a r e s t e e l t u b e i n c r e a s e Ke y wo r d s : c o mb i n a t i o n o f l o n g c o l u mn; a x i a l l y l o a d e d; n o n l i n e a r fi n i t e e
11、l e me n t a n aly s i s ; u l t i ma t e b e a ti n g c a p a c i t y O 引 言 国内外许多学者对钢一 混凝土组合柱受 力性 能 进行了一系列试验和理论研究 , 讨论分析了钢一 混凝 土组合柱的轴压极 限承载力及其力学性能 , 在此基 础上提出 了该型组 合柱 的设计 方法 及 构造要 求。 收稿 日期 : 2 0 1 3 1 0 - 2 9 作者简 介: 雷劲松 ( 1 9 7 1一) , 男 , 博士 , 教授 , 研究方 向: 结构工程 。 通讯作者 : 姜嘉龙 ( 1 9 8 8一) , 男 , 湖南湘 潭人 ,
12、硕士 , 研究 方 向为结 构 工程 。5 8 4 6 9 3 5 9 2 q q c o l n 。 E ma i l : l e ij i n s o n g 2 0 0 3 1 6 3 t o m S a k i n o 对 4 8根方钢管混凝 土柱进行 了轴压试验 研究 , 并对拥有不 同厚宽 比、 钢材以及混凝土强度的 方钢 管混 凝 土柱 做 了初 步分 析 ; 荆 树 英、 郑小 庆 等 对 2 l根方钢管混凝土短柱进行 了轴压 与偏压 试验研究 , 并通过厚宽 比和偏心距的变化 , 研究了其 对方钢管混凝土短 柱受力性能 的影 响; 韩林海 、 陶 忠 对方钢管混凝土轴压柱进行
13、 了力学性 能的理 论分析与试验研究, 并提出了以约束效应系数来表 达约束作用的大小 。朱美春 、 王清湘等 分别对型 钢一 方钢管 自密实高强度混凝土轴压组合长柱进行 了一系列拟静力试验研究 , 分析了长细 比对组合长 4 8 四川建筑科学研究 第 4 0卷 柱的轴压稳定性能。本文根据文献 4 的试验研究 结果 , 利用有限元分析软件 A N S Y S对方钢管一 钢骨 高强度混凝土轴压组合长柱进行 非线性有 限元分 析 , 其计算结果与试验结果吻合较好 。在此基础上 , 对可能影响该型组合长柱轴压受力性能的几何参数 及材料参数做参数分析。模拟结果显示 : 本文基于 A N S Y S 所建
14、立的三维有限元模型是有效的, 组合长 柱截面含骨率大小 、 核心混凝土抗压强度以及方钢 管厚宽比等因素对方钢管一 钢骨高强度混凝 土组合 长柱的轴压受力性能影响显著。 1 试 验概况及有 限元模型建立 1 1 试验概况 文献 4 选用方钢管 、 I l O号工字型钢以及高强 度混凝土组成了组合柱设计的新模式。本文选用其 中两个试件型号 ( C一4 3 、 I 一4 3 ) , 其具体截面形式 如图 1所示 , 试件截面宽度均为 1 9 5 m m, 通过对工 字钢进行加工制作 , 截面形式分为工字型和十字形 两种 。试件加载方法如图 2所示 , 试件加载在 5 0 0 0 k N长柱试验机上进
15、行 , 试件上下柱端各安放 了一个 水平板铰 , 用来模拟柱端铰接 。试 验采用分级加载 的方法 , 在弹性范围内每级加载为 5 0 k N; 当构件开 始屈服时, 每级加载增加至 1 0 0 k N, 每级荷 载持续 时间约为 2 rai n 。当试件的承载力急剧下 降或者 出 现大幅度弯曲变形时停止加载。材料参数指标见表 14 E 图 1 试 件截 面示意 Fi g 1 Sc he ma t i c d i a gr a m of s pe c i me n c r o s s s e c t i o n 表 1 试件截面尺寸 Ta bl e 1 Phy s i c a l d i me
16、ns i o n of s e c t i on s 表 2 钢骨材料参数 Ta bl e 2 St e e l r e i nf o r c e d ma t e r i a l par a me t e r s 试件编号 截 m 尺 m 寸 a 度极 I V I K a 度 截 m i l l 积 , , 1r C- 4 3 1 0 06 84 5 7 62 3 3 8 4 6 1 2 8 6 6 1 - 43 1 0 06 84 5 7 6 3 3 8 4 6 1 1 4 3 3 试验机上承压板 方钢管 钢骨高强 度混凝土组合柱 图 2 试件 加载 示意 F i g 2 S c h e
17、m a t i c d i a g r a m o f l o a d i n g 表 3 钢管材料参数 Ta bl e 3 Squa r e s t e e l t ub e s mat eria l pa r a m e t e r s 表 4 混凝土材料参数 Ta b l e 4 Co n c r e t e ma t e r i a l p a r a m e t e r s 1 2三维有 限元模型的建立 有关研究表 明_ 8 , 考虑混凝 土和方钢管 、 钢 骨之间的相对滑移组合柱 的整体性能影 响并不 明 显 , 因此 , 在几何建模 中, 假设核心混凝土和钢骨 与 方钢管之间完全
18、粘结 , 采用共节点处理 , 不考虑它们 之间的相对滑移。有限元模型如图 3所示 。 图 3 组合柱几何 与有 限元模 型 F i g 3 Th e g e o m e t ric mo d e l a n d fin i t e e l e me n t mo d e l 1 2 1 单元 类型 与本 构关 系 在进行有限元实体建模时 , 采用 S O L I D 6 5单元 模拟混凝土材料 , 此单元类型有 8个节点, 可 以有效 的模拟材料的蠕变 、 膨胀 、 塑性 以及大变形和大应变 f 引 引 雷劲松, 等 : 轴心受压方钢管一 钢骨混凝土组合长柱力学性能的非线性有限元分析 4 9
19、等功能 。方钢管 、 钢骨采用 同样具备 8节点 的 S O L I D 4 5单元模拟 , 该单元的几何形状和 S O L I D 6 5单元 一 样 , 并且性质类似 , 只是缺少了描述压碎与开裂的 性能。 在数值模 拟分 析 时, 混 凝 土 的本构 关 系使用 Ma n d e r 方程来描述应 力一 应 变曲线的上升段部分 , 在下降段部分使用文献 7 中相近的曲线方程来描 述 , 其有理函数表达式如下 : f = 。 L ( 1 ) J 卜 , ( 1 ) o r e=Lo 1 + ( 一3) + 其中 =占 占 。 ; 7 =E ( E E ) ; E 。 = 6 。 ; =f
20、c 1 +1 2 ( t B) ( f y f c ) ; = 。 1+ 5( 一 1 ) ; W =E E ;6 。 =0 0 2+( 0 0 0 3 0 0 0 2 ) ( 一 2 0 ) 8 0 ; E = 2 1 5 ( +8 ) 1 0 丁1 0 ; V=1 5 4 ( f J f y )+1 2 5 ( t B)+1 0 p ; f c 为约束混凝土抗压 强度 ; 为无约束混凝土极限强度应变 ; 为约束混 凝土极限强度应变 ; JD 为含骨率。混凝土本构关系 选用多线性随动强化模型 K I N H, 泊松 比取 0 2 2 , 质 量密 度 为 2 4 5 0 k g m 。 ,
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