型钢混凝土桥墩的延性系数分析.pdf
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1、江苏建筑 2 0 1 2年第 3期( 总第 1 4 8期) 型钢混凝土桥墩的延性系数分析 刘娜 王修 信 ( 东南大学土木工程学院 。 江苏南京2 1 0 0 9 6 ) 【 摘 要】 采用A N S Y S对单柱式矩形截面桥墩的受力性能进行有限元数值分析, 对型钢混凝土结构数值模拟中材料本构 的定义、 有 限元建模和边界条件设置等关键技 术进行研 究, 计算构件延性 系数 并分析位 移延性 系数 的影响 因素 。结果表 明: 在其 它条件不变的情 况下, 位移延性 系数随含钢率、 体积配箍率和剪跨 比的增加而增大, 随轴压比的增加 而减小。 【 关键词】 型钢混凝土; 桥墩; 延性系 数;
2、影响因素; 本构关系 【 中图分类 - U 4 4 3 2 2 文献标识码1 A 【 文章编号1 1 0 0 5 6 2 7 0 2 0 1 2 ) 0 3 - 0 0 7 1 - 0 4 Duc t i l i t y Fa c t o r An a l y s i s o f t h e St e e l Re i n f o r e d Co n c r e t e H e r UU Na W A NG Xi u x i n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g , S o u t h e a s t U n i v e r
3、s i t y , N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 6 C h i n a ) Ab s t r a c t : F i n i t e e l e me n t n u me ric a l a n a l y s i s o f s i n g l e c o l u mn a n d r e c t a n g u l a r s e c t i o n p i e r u s i n g ANS YS c o m p u t e r p r o g r a m w e r e c o n d u c t e d a n d t h e me
4、c h a n i c a l b e h a v i o r s o f t h e s e p i e r s we r e a n aly s e d A s e ri e s o f p i v o t al n u me ri c a l s i mu l a t i o n t e c h n o l o g i e s a b o u t s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s u c h a s d e fi n i n g ma t e ria l mo d e l, e s t a
5、b l i s h i n g fi n i t e e l e me n t mo d e l a n d s e t t i n g u p b o u n d a r y c o n d i t i o n s w e r e s t u d i e d T h e d i s p l a c e me n t d u c t i l i t y f a c t o r h a d b e e n c alc u l a t e d , wh i c h i n fl u e n c i n g f a c t o rs h a d b e e n a n a l y s e d I t
6、 t u r n e d o u t t h a t a t t h e o t h e r c o n d i t i o n s r e ma i n u n c h a n g e d , d i s p l a c e me n t d u c t i l i t y f a c t o r i n c r e a s e w i t h t h e i n c r e a s e o f s h a p e d s t e e l r a t i o、 v o l u me t - r i c p e r c e n t a g e o f s t i r r u p s a n d
7、 s h e a r s p a n r a t i o B u t wi t h t h e i n c r e a s i n g o f a x i al c o mp r e s s i o n r a t i o , d i s p l a c e me n t d u c t i l i t y f a c t o r b e c o me s mall e r Ke y wo r d s :s t e e l r e i n f o r e d c o n c r e t e ; p i e r ; d u c t i l i t y f a c t o r ; i n fl u
8、 e n c i n g f la c t o r ls : c o n s t i t u t i V e r e l a t i o n 0前 言 柱式桥墩是公 路桥梁 中普遍使 用的一种桥墩 形式 主 要有单柱式 、 双 柱式 、 哑铃式以及混合双 柱式 4种 柱身截 面有圆形 、 矩形 、 六 角形 和八角形等 。因为桥梁结构 的大部 分塑性铰都设 置在墩柱上 墩柱 的延性性能直接影响结构 的总体延性状态 。 因此墩柱的延性研究至关重要。 延性是表 征变形能力的一个 重要参数 。 是指结构 、 构件或构件截面在 承载能力没有 显著下降的情况下承受变形 的能力 通常用 延性系数来表示构件
9、延性 的大小 最常用 的为 曲率延性 系 数和位移延性 系数 曲率延性 系数通常用于反映延性构件 临界截面的相对延 性位移延性 系数则用于反映延性构件 局部 以及延性结构整体 的相对延性 。 对混凝土桥梁 钢筋混凝土桥墩的延性是通过桥墩塑 性铰 区的塑性转动能力 获得 的普通钢筋混凝土桥墩常常 无法提供结构遭遇罕遇地震时所 需的位移延性 而 型钢 混 凝土结构与传统的钢结构或钢筋 混凝 土结构相 比具有很 强的性能优势和经济优势【 - - 采用 型钢及箍筋约束混凝土概 念设计 的桥墩 可以提供结构所需 的位移延性 。 我国现有的 型钢混凝土结构设计规程尚不完善 型钢混凝 土桥墩 的延 性研究更
10、是很少 因此 为较为准确全 面的了解型钢混凝 土 桥墩的受力性能 需 要采 用有 限元方法等数值模拟技术来 进行研究 。 已有试验研究表明 。 影响型钢混凝土柱位移延性 系数 的主要因素有轴压 力系数 、 体积配箍率 、 剪跨 比 、 配 钢 率和混凝土强度等 2 1 l 有限元数值模拟 1 1 单元类型 混凝土采用 Sol i d 6 5单元 关闭 Sol i d 6 5单元 的压 碎功 能r 将混凝士单 轴受 压强度设 为一 1 ) , 否则计算难收敛 。型钢 和钢垫板采用 Sol i d 4 5单元 纵 筋和箍筋采用 L i n k 8 单元 1 2 材料属性 1 2 1 混凝土材料模型
11、 目前 组合 结构 的有限元 模拟 多采 用单 一的 混凝 土本 构 然而组合结构的混凝土截面往往有多个 约束 条件不同 的区域 因此有必要对不同区域 采用不 同的混凝土应力一 应 变关 系。本文将型钢混凝土桥墩截面混凝土划分为 2个 区 缝 墅 熊箜 丝壅墨塑 熊堑丝 壅 , 如图1 所示。箍筋外 收稿日 2 0 1 2 0 2 2 2 作者简介】 刘 娜 , 东 南 大 学 土 木 工 程 学 院 , 研 究 生 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 3期( 总第 1 4 8期) 无约束混 凝土处于单轴受压应力状态 。 采用 S
12、a e n z 模 型 ( 如 图 2 ) , 应力应变 曲线简化成 多段折线 按 照非线性 弹性材 料模 型输入 这样 能较 好的反应混凝土应力一 应变曲线的下 降段 : 而箍筋约束区混凝 土可认 为处于多轴受力状态 , 可 等 效为单轴 应力状 态 采用 Ma n d e r 模 型 ( 如 图 3 ) , 混凝土 破 坏 准 则 采 用 A N S Y S中 C o n c r e t e材 料 默 认 的 Wi l l i a m Wa m k e 五参数破坏准则 圈 l 截面约束混凝土区域的划分 图 4型钢应 力应变 曲线 圈 5 钢 筋应 力应 变曲线 1 2 3粘结滑移 一 般用
13、非线性弹簧单元 C o m b i n a t i o n 3 9来模 拟型钢混凝 土 的粘结滑移 , 已有试验结果表 明 在保证 型钢表 面混 凝土 厚度的条件下 型钢和混凝土之间的粘结滑移是很小 的四 所 以本文不考虑型钢和混凝土之间的粘结滑移 1 - 3 材料及构件参数 根据文献嘲 单柱式矩形桥墩构件 I 的截面尺寸为 5 0 c mx 5 0 c m, 高度为 2 m。 保 护层 厚度 为 4 0 mm 混凝 土强度 等级 为 C 4 0 ; 采用热 轧 H型钢 HW3 0 0 x 3 0 0 : 纵 向钢筋 为 8根直 径 为 2 0 m m 的 HR B 3 3 5热轧钢 筋 配筋
14、率 约为 1 0 采用 对 称 配 筋 :箍 筋 采 用 直 径 1 0 m m 和 间 距 1 0 0 mm 的 HR B 3 3 5热轧 钢筋 。 双肢箍 按传 统 的周边 布筋形式 且在 两端箍筋加密配置 3道间距为 2 5 mm的箍 筋 墩柱截面尺 寸及配筋如 图 6所示 材料参数见表 l 。 H w 3 0 0 x 3 0 0 图 6型钢混凝土构件截面图( 单位 : m m) 1 4 建立模 型及求解 1 4 1 实体建模 根据构件 的几何 尺寸 、 配 筋和配钢特征 采用“ 由上 至 下” 的建模方法建立实体模 型 由于块体之 间的布尔运算要 求较 严格 为保证 型钢和混凝土单元都
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