孔肋加劲钢管混凝土柱轴压受力性能有限元分析.pdf
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1、西 安 理 工 大 学 学 报 J o u r n a l o f Xi a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o 1 o g y ( 2 O 1 5 )Vo 1 3 1 No 1 5 5 文章编号 : 1 0 0 6 4 7 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 5 5 0 6 孑 L 肋加劲钢管混凝土柱轴压受力性能有限元分析 王振 山,马晓 明,刘赘 ,简政 ,马辉 ( 西安理工大学 土木建筑工程学院 , 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 ) 摘要 : 普通钢管与核心混凝土粘结性能较低, 构件的整体性较差, 对受力性能造成一定影响。本文 对 钢
2、 管 内壁 的加 劲肋进 行 开孔 处理 , 使 得 混凝 土在 孔洞 部位 贯 通 粘 结 , 形成 多个 剪切 连接 件 , 提 高 了钢 管与核 心混凝 土 的粘结作 用 , 并有 较 强的拉 结作 用 , 增 强 了钢 管 的“ 套 箍作 用” 以及构件 的整体 性 。通过 轴 心受压 有 限元分析 发现 : 孔 肋加 劲钢 管混凝 土 柱的 最大应 力位 置 靠近构件 中部 , 整 个构 件 的 内力分布 更加 均 匀。这种 新 型钢 管混凝 土柱 构 造 简单 , 较普 通 形 式 构件 拥 有 更 高的 承载 力与 变 形 能 力 。 关键 词 : 钢 管混凝 土柱 ;开孔加 劲
3、 肋 ;有 限元分析 ; 极 限承载 力 中图分类 号 :TU3 9 8 文献 标志 码 :A Fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s o n a x i a l c o m p r e s s i v e m e c h a n i c a l b e ha v i o r o f c o n c r e t e f i l i e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn wi t h h o l e s r i b s t i f f e n e r W ANG Z h e n s h a n ,MA Xi a o
4、 mi n g,L1 U Yu n,J I AN Z h e n g,M A Hu i ( Fa c u l t y o f Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ,Xi a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ,Xi a n 7 1 0 0 4 8, Ch i n a ) Ab s t r a c t :Th e po o r b ond i n g pr o pe r t i e s o f or d i na r y s t e e l t u be a n
5、 d t he c or e c on c r e t e h a v e h a d l e s s e f f e c t u po n t h e s t r e s s pr o p e r t i e s o f i nt e gr a l c o m p o ne n t s I n t h i s pa p e r ,t he s t i f f e ni ng r i b o n t he i nn e r wa l 1 o f s t e e 1 pi p e i s o pe ne d wi t h s ome ho l e s。S O a s t o m o r e t
6、he c o nc r e t e ho l e d t hr o u gh t he hol e s b on de d,f o r me d a pl ur a l i t y of s he a r c o nn e c t o r s ,t hus e f f e c t i v e l y i mpr o v i ng t he b o nd i ng pe r f o r m a n c e o f s t e e l a n d c o nc r e t e。i nc r e a s i ng t he“ c o nf i ne m e nt e f f e c t ” o f
7、s t e e l t u be a nd t h e c o m p o ne n t i nt e gr i t y Thr o ug h t he a x i a l c ompr e s s i o n f i n i t e e l e me n t a na l y s i s,i t i s f o un d t ha t:t he ma xi m u m s t r e s s o f c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t ubu l a r c ol u m n wi t h ho l e s r i b s t i f f e ne
8、r s ho ul d be c l o s e t o t he c e nt r a 1 s e c t i on a nd t he s t r e s s d i s t r i bu t i o n o f t he c o mpo ne n t i S m o r e un i f o r m Thi s n e w t y pe o f c on c r e t e f i l l e d s t e e l t u bul a r c o l umn ha s s i m p l e s t r uc t u r e a s c o m p a r e d wi t h t h
9、 e o r d i na r y f or m 。 wi t h h a s hi g he r be a r i ng c a p a c i t y a n d d e f o r ma bi l i t y Ke y wo r d s:c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t u bul a r c o l u m n;o pe n e d ho l e s r i b s t i f f e ne r;f i n i t e e l e m e nt a na l y s i s ;u l t i ma t e b e a r i ng c a p
10、 a c i t y 钢管 混凝 土柱 作 为 一 种性 能 优 良的 组 合构 件 , 凭借 承 载力 高 、 重 量 轻 、 塑性 、 韧性 好 、 耐 疲 劳 、 耐 冲 击 、 施 工 方便 等诸 多优点 , 在 高层结 构 、 桥 梁 、 地下 工 程及 港 口等建 筑 中 , 有着 广 阔的应 用前景 。近年来 , 众多 学者 对椭 圆形 、 带拉 杆式 、 哑铃 型 、 L形 、 T 形 和 超大 薄壁 等新 型 截 面 形 式 以及 高 强 混 凝 土 、 F R P、 G F R P、 钢 纤维 、 海 砂 混凝 土 等新 材料 钢 管混 凝 土柱 的受 压性 能展 开 了研
11、 究 。 C P e t r u s 等_ 1 对 带 加 劲 肋 薄壁 钢 管混 凝 土 的 受 力 性能进 行试 验 , 研 究 表 明加 劲 肋 可 有 效 的提 高 薄壁 钢管 混凝 土柱 的承 载 力 。Ma n o j k u ma r等 2 对 8 1根 矩 形 和 圆形钢 管 混 凝 土 柱 的受 压 性 能 进行 试 验研 究 , 并将 试 验 和规 范 计 算 结 果 进 行 比较 。S e r k a n T o k g o z 等 对 1 6根普 通方 钢管 和 添加 钢 纤 维 的钢 管混 凝土 柱进 行轴 压和偏 压试 验研 究 。YM Hu _ 4 对 1 2根
12、F RP钢管 混凝 土柱 的受 力 性 能 、 极 限 承载 力 和破 坏形 式 进 行 研 究 。Ki a n Ka r i mi _ 5 研 究 了 G F R P钢管 混凝 土柱 的受 力性 能 、 极 限 承载 力 和 破坏形 式等 。B r i a n Uy E 。 对 不 锈钢钢 管 混凝 土 柱进 行压 弯试验 对 比分 析 , 并 指 出 了用 于 实 际 工 程应 注 收 稿 日期 :2 0 1 4 1 0 2 8 基金项 目:国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 4 0 8 4 8 5 ) ; 西安理工大学博士启动基金 资助项 目( 1 1 8 2 1 1 4 0 8 )
13、 。 作者简介 : 王振 山, 男 , 博士 , 讲师 , 研究方向为钢结构与组合结构 。E ma i l : wa n g d a y u wa n g 1 2 6 c o rn。 5 6 西安理 大学学报( 2 0 1 5 ) 第 3 l 卷第 1期 意的 问题 。吴 波等 _ 7 对薄 壁 圆钢 管再 生混合 中长 柱 受力性 能及影 响 因素进 行 了试 验研究 。陈宗平 等 对钢 管再生 混凝 土短 柱 骨 料 替代 率 、 套 箍 指 标对 其 承载 能力 的影响 进行 了分析 。 傅 学怡 等 对超 大截 面矩形 钢管 混凝 土柱 的共 同工作 机理 进行 研究 , 结 果表 明
14、 : 钢管 和核心 混凝土 的轴 向变 形基本 满足平 截 面假定 。钢管 混凝 土 中钢 管 与混凝 土协 同工 作 , 主要 建 立 在 钢管 与混 凝 土 的 粘结 滑移 和套箍 作 用 基 础上 。其 中 , 粘 结 滑 移作 用 主要 针对 钢管 与混 凝 土之 间 的化学 胶 结 力 、 机 械 咬 合力 以及 摩擦 阻力 。国 内外 学者 提 出了平 均粘结 强 度 、 局部最大粘结强度 、 极 限粘结强度 、 残余粘结强 度 和名义 粘结 强度 等计 算 方 法 , 针 对粘 结 滑 移 的影 响进 行定 量分 析 。 由于钢 材 与混 凝 土 两种 材 料属 性 差异 较 大
15、 , 两 者 难 以形成有 效 粘 结 。相关 研 究 表 明 : 钢 管混 凝 土 的粘 结力 很小 , 仅为 传 统 钢筋 混 凝 土结 构 的 0 2倍 左 右 。针对上 述 问题 , 本 文提 出一种新 型组 合构 件 , 通 过在 加劲肋 上开 孔 的形 式 , 来 提 高 钢 管 与混 凝 土 的粘结 性能 ; 同时 , 通 过 加劲 肋 上 的 孔洞 , 混凝 土 可 对 钢管 产生 一定 的横 向拉结 作 用 , 减 小 钢 管 的横 向 变 形 , 提 高“ 套 箍作 用” , 提 升整个 构件 的受 力性 能 。 l 钢 管混凝 土柱 受压机理分析 钢 管 混凝 土 构 件
16、在 轴 心压 力 作用 下 , 有 钢管 受 力 、 核心 混凝 土受 力 和 共 同受 力 三 种作 用 形 式 。研 究 发现 , 钢管 与核 心 混 凝 土共 同受 力形 式 较 好 。本 文有 限元模 型采用 两者共 同受 力形 式 。 弹性 阶段 , 钢 材 的 泊 松 比 变 化 很 小 , 大 约 为 0 3 ; 进 入弹 塑性 阶段后 , 泊松 比逐 渐 增 加到 0 5 ; 塑 性 阶段 , 泊松 比变 化也 较 小 。混凝 土 泊 松 比 7 J 。 在 初 始 阶段 大约 为 0 1 7 , 随着应 力增 加逐渐 提高 到 0 5 。 随着混 凝土 开裂 , 横 向变 形
17、 系数 变 大 。钢 管 混凝 土 构件在 受力初 期 , 主要 依 靠 两 者之 间 的化 学粘 结 力 共 同作 用 , 整 体性 较好 。随着 轴 向压 力 的增 大 , 两者 横 向变 形 的不一致 性 , 依 靠化 学粘结 力难 以调 和 , 两 者发生 剥离 和滑 移 。进 入 弹 塑性 阶段 后 , 由于两 者 的泊松 比差 异更 大 , 混凝 土 的 横 向变 形 需 要 钢 管进 行约束 , 因此产生套箍力 P; 核心混凝土受到三向压 力作用 ( 1 、 2 、 。 ) ; 钢 管受 到纵 向 3 、 径 向 2 和环 向 三 向压力 作用 , 如 图 1 所示 。 孔 肋加
18、 劲钢 管混凝 土构 件受 力 情 况见 图 2 。由 于混凝土在孔洞部位形成贯通胶结 , 整体性能更好 , 可有效 约束 钢管 的横 向变 形 , 提 高对 核 心 混凝 土 的 约束效 果 。钢管 与混凝 土 的作 用不 单单依 靠 管壁 的 挤压, 带孔加劲肋起到抗剪连接件的作用 , 使钢管混 凝 土柱 的应 力分 布更加 均匀 。 ( a ) 钢 材 单 元 受力 ( b ) 混凝 土 单 元受 力 图 1材料单元受力分析 Fi g 1 St r e s s a na l ys i s of ma t e r i al s e l e me n t ( a ) 整 体受 力 ( b )
19、 钢 管 受 力 ( C ) 核心 混 凝 土 受力 图 2 孔肋钢管混凝土柱受力分析 Fi g 2 S t r e s s a n a l y s i s o f c o n c r e t e f i l l e d h o l i n g s t i f f e n e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn 2有限元模型 2 1 试 件设 计 对 孔肋加 劲钢 管混 凝土柱 的极 限承 载力进 行研 究 , 并 与普通 钢 管混 凝 土 形式 进 行 对 比分析 。共 设 计 了 4种截 面形 式 : 普通 圆截 面 、 孔 肋 圆截 面 、 方 形
20、截 面和 孔肋 方 形 截 面 。试 件 的 长 细 比为 4 0 , 具 体 几 何 尺寸 见 图 3 。钢材 为 Q 2 3 5 , 屈 服强 度 厂 一2 3 5 MP a , 泊 松 比 一0 3 , 弹 性 模 量 E 。 一2 0 6 1 O 。 MP a ;混凝 土 强 度 C 3 0 ,f o k 一3 0 MP a ,弹 性 模 量 E。 一3 0 x1 0 MP a , 弹性 阶段 , 泊松 比 一0 2 ; 弹 塑 性 阶段 后 , 泊 松 比 7 J 一0 5 。 2 2本构 关 系 材 料 的本 构 关 系 见 图 4 , 其 中 钢 材 的本 构 关 系 选 取双
21、线 性 弹性 模 型 , 如 图 4 ( a ) 所 示 , 考 虑 了钢材 弹塑性 阶段 的强度 与压 缩模量 的 变化 。混凝 土 的本 构 关 系对钢 管混凝 土构 件 的非线性 影 响较大 。对 混 凝 土 的破坏 过程 进行 分 析 , 弹性 阶段 到混 凝 土 形 成 微裂缝 , 随着 压力 增 大 , 微 裂 缝 扩展 成 宏 观 裂缝 , 最 后 混凝 土发 生破坏 。其 过程 较 复 杂 , 相 关 研 究 。 。 表 明 , 图 4 ( b ) 混 凝土 本构关 系 可较 好 描述 混凝 土 的 轴 压变形 , 有 限元混 凝土 建模选 用此 本构模 型 。 王振 山, 等
22、 : 孔肋加劲钢管混凝土柱轴压受力性能有 限元分析 5 9 由图 1 O可看 出 , 经 过有 限元计 算得 到普通 圆钢 管最 大承 载力 1 8 1 2 0 6 k N, 对 应 的位 移 4 0 2 mm; 普通 方 钢 管 最 大 承 载力 1 9 0 5 2 1 k N, 对 应 的位 移 4 5 5 mm; 孔 肋 加 劲 圆 钢 管 最 大 承 载 力 2 1 7 1 8 5 k N, 对应 的位 移 7 8 7 mm; 孔 肋 加 劲方 钢 管 最 大承 载力 2 1 9 8 7 8 k N, 对应 的位 移 6 9 1 mm。 钢管 混凝 土组合 构件 承载力 计算 : N。
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