圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱工作机理的研究.pdf
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1、2 0 1 1年第 2期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 1 21 文 章编 号 : 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 2 - 0 1 2 1 - 0 4 圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱工作机理的研究 黄 宏 , 杨 超 , 张安哥 ( 华 东交通大学 土木建筑学院 , 南 昌 3 3 0 0 1 3 ) 摘要 : 利用有限元软件 A B A Q U S建模 , 计算 了圆钢 管混凝土受不等端弯矩偏压 时的荷载一 变形全过程 关 系曲线 , 计算结果与试验结果符合 良好。在验证 了有限元软件对此类构件模拟的正确性基础上, 对此 类
2、构件 的工作机理进行 了分析 , 并考察 了端弯矩比、 偏心距、 长细比、 名义含钢率、 钢材和混凝土强度对 圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱力学性能的影响规律。研究表明, 端弯矩 比对构件受力性能有显著影 响 ; 偏心距、 长细比、 名义含钢率、 钢材和混凝土强度对构件 的影响与其对等端弯矩偏压柱的影响类似。 关键词 : 圆钢管混凝土 不等端弯矩 有限元承载力 机理 中图分类 号 : T U 3 9 2 3 文献标 识码 : B 圆钢管混凝土具有承载力高 、 延性好等优越的力 学性能 , 还具备施工方便及造价经济合理等工程优点 , 近年来在高层建筑和桥梁中得到广泛应用。实际结构 工程中, 一般钢
3、管混凝土构件均为偏 心受压状态 , 因 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 9 0 1 ; 修 回日期 : 2 0 1 0 - 1 1 - 1 0 基金项 目: 国 家 自然 科 学 基 金 ( 5 1 0 0 8 1 2 2) ; 江 西 省 自然 科 学 基 金 ( 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。 此 , 对钢管混凝土偏压构件进行研究具有实际工程意 义。对于钢管混凝土偏压柱 , 根据顶端和底端弯矩的 异同, 可分 为等端 弯矩偏 压柱和不等端弯矩偏压柱。 本文拟对圆钢管混凝土不等端弯
4、矩偏压柱进行研究。 以往针对 圆钢管混凝土等端弯矩偏压力学性能的 研究较多 , 而对其不等端弯矩偏压力学性能 的研究 则相对较少 。其 中, 刘殿忠 进行 了 2 7个 圆钢管 混凝土柱的不等偏压试验研究 ; 蔡绍怀和顾维平 进 的荷载阶段基本上保持平面 , 脱空后的偏心受压钢管 混凝土构件还具有 良好的延性。 2 )在加载的初期 , 混凝土脱空对构件横 向变形影 响不大; 在加载的后期 , 同样 的荷载作用下 : 脱空率越 大, 挠度越大; 偏心率越大 , 挠度越大; A式加载比 B式 加载的挠度要大。 3 )核心混凝土脱空会 降低钢管混凝土偏压构件 极限承载力, 脱空率越大 , 极 限承载
5、力 降低越多 , 脱空 率与承载力之间呈非线性关 系; 脱空后的钢管混凝土 极限承载力随偏心率增大而降低 , 当脱空率较小时, 因 核心混凝土脱空引起的承载力折减随偏心率 的改变而 变化较小; 钢管混凝 土短柱因脱空引起 的极限承载力 降低程度 , A式加载比 B式加载严重 ; 脱空对长柱极限 承 载力 的影 响远 比短柱 小 。 参 考 文 献 1 陈宝 春 钢 管混 凝 土 拱 桥 M 北 京 : 人 民交 通 出版 社 , 20 07 2 韩林海 钢管混 凝土结 构理 论与 实践 M 北京 : 科学 出版社 , 2 0 0 4 3 钟善桐 钢管混凝土结构 ( 第 3版 ) M 北 京 :
6、 清华 大学 出 版社 , 2 0 0 2 4 R O E D E R C W C o m p o s i t e a c t i o n i n c o n c r e t e fi l l e d t u b e s J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g , 1 9 9 9 , 1 2 5 ( 5 ) : 4 7 7 4 8 4 5 陈宝春 钢管 混凝 土拱 桥应 用与研 究 进展 J 公 路 , 2 0 0 8 ( 1 1 ): 5 7 6 6 6 涂光 亚 , 颜东煌 , 邵 旭东 脱粘对 桁架式 钢
7、管混凝 土拱桥受 力性 能的影 响 J 中国公路学报 , 2 0 0 7 , 2 0 ( 6 ) : 6 1 - 6 6 7 孙 庆新 , 杨冬波 基 于 A N S Y S的脱空 钢管混 凝土拱 桥极 限 承载能力分 析 J 华 中科技 大学学报 ( 城市 科学 版) , 2 0 0 9 , 2 6 ( 2 ) : 4 7 5 1 8 杨世 聪 , 王福敏 , 渠平 核心混凝 土脱空 对钢管混凝 土构件 力学性 能的影响 J 重庆交 通大学 学报 ( 自然 科学版 ) , 2 0 0 8 , 2 7( 3) : 3 6 0 3 6 5 9 叶跃忠 混 凝土 脱粘 对钢 管混凝 土 中、 低
8、长柱 性能 的影 响 J 铁 道建筑 , 2 0 0 1 ( 1 0 ) : 2 5 1 0 中国工程建设标准化协会标准 C E C S 2 8 : 9 0 钢管混凝土 结 构设 计与施工规程 S 北京 : 中国建筑 工业 出版社 , 1 9 9 0 1 1 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构 M 北京: 人民交通出版 社 , 2 0 0 7 ( 责任审编 白敏华) 1 2 2 铁道建筑 行 了2 7个两端弯矩不相等的无侧移钢管混凝土框架 柱的试验研究 ; K i l p a t r i c k和 R a n g a n 进行 了 2 5个高 强 圆钢管混凝土柱的不等偏压试验研究 。另外 , 丁发 兴
9、 利用模型柱法对此类构件的承载力进行了计算 。 尽管以往研究者在圆钢管混凝土不等端弯矩偏压 柱力学性能试验研究方面取得 了一些进展 , 但对其工 作机理的理论研究 尚少见报道。本文拟采用有限元软 件 A B A Q U S对圆钢管混凝土不等端弯矩偏 压柱的荷 载一变形关系全过程进行计算 , 并与其他研究者 的大 量试验结果进行对 比, 用 以验证有 限元软件 A B A Q U S 模拟圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱受力的正确性和 可行性, 在此基础上 , 通过典型算例从构件的荷载一变 形全过程曲线和对其受力性能的影响因素等方面对此 类构件进行分析 , 以期从理论方面深入认识 圆钢管混 凝土不等
10、端弯矩偏压柱的工作机理。 跨中挠度u m m m ( a ) 试件S C - 1 8 1 有限元模型计算 根据圆钢管混凝土不等端弯矩偏压构件的几何与 荷载边界条件 的不对称性 , 取全结构模 型进行计算 。 其有限元计算模型, 包括材料模型 、 单元类型和界面接 触等参见文献 6 7 。为验证有限元法计算 的合理性 与可行性 , 对文献 2 - 4 中的 7 9个圆钢管混凝土不等 端弯矩偏压柱的试验进行了模拟 , 图 1给出有限元对 文献 4 中部分 算例荷载一跨 中挠度 曲线 的计算 结 果。可见计算曲线的斜率 比试验结果略偏小 , 承载力 和下降段曲线与试验结果符合较好 。图 2给出了承载
11、 力计算结果 ( N ) 与试验结果 ( N ) 的比较情况, 其 比值 ( N 。 N ) 的平均值为 0 9 2 8 , 均方差为0 0 5 3 。可见 , 有 限元计算结果与试验结果整体符合较好 , 在本文计算 端弯矩 比在(一1 , 1 ) 范围 内, 采用有 限元法对 圆钢管 混凝土不等端弯矩偏压柱的计算是可行的。 跨中挠度u m m m ( b ) 试件S C - 2 3 重 图 1 一“ 试验 曲线与计算 曲线的 比较 图 2 承载力试验与计算结果 的比较 2荷载一变形全过程分析 为了更好地了解 圆钢管混凝土不等端弯矩偏压柱 受压工作机理 , 这里以典型构件为例对其进行分析。 所
12、选典型算例的基本参数为 : D= 4 0 0 m m, t =1 0 m m, = 4 0 0 0 m m; 采 用 C 6 0混凝土( = 6 0 M P a ) 和 Q 3 4 5 钢材( = 3 4 5 MP a ) ; 端弯矩 比 =一1 ( 卢=M M, , 其 中 和 为构件两端弯矩, 需满足 l I f I ) ; 偏心率 e 。 r =0 5 ( e 为 对应 的偏 心距 , e =1 0 0 mE, r =D 2 ) 。 图 3为典型构件荷载一纵向应变全过程 曲线 , 为 便于论述 , 曲线上取 了三个特征点, 分别是: 点为钢 管即将进入屈服 阶段的点; B点为构件达到极限
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