哑铃型钢管混凝土轴压短柱力学性能分析.pdf
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1、第 8卷第 2期 2 0 1 1年 4月 铁道科 学与 工程 学报 J OURNAL OF RAI L 1 AY S CI ENCE AND ENGI NE ERI NG Vo 1 8 Ap r NO 2 2 011 哑铃型钢管混凝 土轴压短柱力学性 能分析 丁发兴 , 李大稳 ,余志武 ,欧进萍 ( 1 中南大学 土木建筑学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ; 2 哈 尔滨工业大学 土木工程学院, 黑龙江 哈 尔滨 1 5 0 0 9 0 ) 摘要: 采用混凝土单轴受力应力 一应变关系统一计算公式, 应用A B A Q U S有限元软件建立哑铃型钢管混凝土轴压短柱三 维有限元 实体模
2、 型。将哑铃型钢管混凝土轴压短柱的荷载 一变形 曲线 简化为 2圆钢管混 凝土轴压短 枉、 钢腹板和腹 腔 内 混凝土的荷载一变形曲线简单叠加, 建立弹塑性法。对比了有限元法和弹塑性法计算结果与试验结果, 2种方法与试验结 果较吻合, 且弹塑性法计算结果略低于有限元法计算结果。采用 2种方法对哑铃型钢管混凝土轴压短柱的钢管的轴向应 力与环 向应 力、 钢腹板纵 向应 力与横 向应 力、 核心混凝土的轴向应力与径向应力以及腹 腔 内混凝 土的纵向应 力进行数 值分 析, 指出2种方法对上述各种应力的计算基本接近, 且有限元法可合理反映腹腔 内混凝土受约束而使得纵向承载力提高的 规律。基于极限平衡
3、理论建立了哑铃型管混凝土轴压短柱承载力计算公式, 由该公式所得计算结果与有限元计算结果相 近且与试验结果相 比都偏 于安全。 关键词 : 哑铃 型钢 管混凝 土柱; 极限承栽力 ; 有 限元 法; 弹塑性法 中图分类号 : T U 3 9 8 文献标志码 : A 文章 编号 : 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 0 1 0 6 Be h a v i o r o f a x i a l l y l o a d e d c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r d u mb b e l l s h
4、a p e d s t u b c o l u mn s DI NG F a 。 x i n g , L I D a w e n , YU Z h i w u , OU J i n p i n g ( 1 S c h o o l 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 ,C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5,C h i n a 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i
5、 n e e r i n g ,H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y, Ha r b i n 1 5 0 0 9 0 ,C h i n a ) A b s t r a c t : A p p l y i n g u n i fi e d f o r m u l a f o r s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s o f c o n c r e t e u n d e r u n i x i a l l o a d , A B A Q U S w a s u s e d t o
6、e s t a b l i s h t h e 3 D fin i t e e l e me n t mo d e l a n d t o a n a l y z e t h e b e h a v i o r o f c o n c r e t efil l e d c i r 。c u l a r s t e e l t u b u l a r ( C F S T )d u m b b e l l s h a p e d s t u b c o l u m n s u n d e r a x i a l c o m p r e s s i o n T h e e l a s t op l
7、a s t i c me t h o d w a s a l s o u s e d t o a na l y z e t h e l o a dd e f o r ma t i o n c u r v e o f CF S T d u mb b e l l s ha p e d s t u b c o l u mn s wh e n t h e CF S T d u mb b e l l s h a pe d s t u b c o l u mn wa s s i mp l i fie d a s s u p e r p o s i t i o n wi t h t h e t wo CFS
8、 T s t ub c o l u mn s,t h e t wo s t e e l we b s a n d t h e c o n c r e t e i n s i d e t h e s t e e l we b s p a c e Th e l o a da x i a l s t r a i n b e h a v i o r o f CFS T d u mb b e l l s h a p e d s t u b c o l u mn s wa s a n a l y z e d b y b o t h fin i t e e l e me n t me t h o d a n
9、d e l a s t o p l a s t i c me t h o dTh e a n a l y s i s r e s u l t s a r e i n g o o d a g r e e me n t wi t h t h e e x p e r i me n t r e s u l t s f r o m r e f e r e n c e s An a l y t i c a l r e s u l t s b y e l a s t op l a s t i c me t h o d a r e s l i g h t l y l o we r t h a n t h a
10、t b y fi n i t e e l e me n t me t h o dTh e n b a s e d o n t he t wo me t h o d s ,t h e a x i a l s t r e s s a n d p e r i me t e r s t r e s s o f s t e e l t u b e,t h e l o n g i t u d i n a l a nd p e r i me t e r s t r e s s o f s t e e l we b,t he a x i a l s t r e s s a n d r a d i a l s
11、t r e s s o f c o n c r e t e c o r e,a n d t h e l o n g i t u di n a l s t r e s s o f c o n c r e t e i ns i d e t h e s t e e l we b s p a c e i n CF S T d umb b e l l s h a p e d s t u b c o l u mn s we r e d i s c u s s e d At y i e l d s t a t e,t h e a x i a l s t r e s s o f s e c t i o n s
12、 t e e l wa s s l i g h t l y l o we r t h a n i t s y i e l d s t r e s s b e c a u s e o f t he c o n fin e me n t e f f e c t for c o n c r e t e Th e a n a l y t i c a l s t r e s s e s i n CFS T d u mb be l l s ha p e d s t u b c o l u mn s b y t h e t wo me t h o d s we r e a l mo s t t h e s
13、a me,a n d t h e fin i t e e l e me n t mo de l c o ul d r e fle c t t h a t t he l o n g i t u d i n a l s t r e s s o f t h e c o n c r e t e i ns i d e t h e s t e e l we b s p a c e i n c r e a s e s l i g h t l y f o r t h e c o n c r e t e c o n fin e d b y s t e e l we bs Ba s e d o n t h e l
14、 i mi t e q ui l i b r i u m me t h o d,s i mpl i fie d f o rm u l a f o r t h e a x i a l l y l o a d e d CFS T d u mb be l l s h a pe d s t u b c o l u mn s wa s pr o po s e dTh e a n a l y s i s ; r e s u l t s b y l i mi t e 一 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 3 2 4 基金项 目: 国家 自然 科学 基金 资 助项 目( 5 0 8 0 8 1 8 0) ;
15、 教 育部 博 士点 基金 资 助项 目( 2 0 0 8 0 5 3 3 1 0 6 4 ) ; 湖南 省 自然 科 学基 金 资助 项 目 ( 0 7 J J 4 0 1 4 ) 作者简介 : 丁发兴 ( 1 9 7 9一) , 男 , 浙江瑞 安人 , 博士 , 副教授 , 在读 博士后 , 从事钢 一混凝土组合结构研究 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 1 年4月 q u i l i br i u m me t ho d a r e c l o s e t o t h o s e b y fi n i t e e l e me n t me t h o d,a n d
16、 b o t h a r e i n s a f e r a n g e c o mpa r e d wi t h t h e e x p e r i me n t r e s u l t s f r o m r e f e r e n c e s Ke y wor d s: c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b ul a r d u mb be l l s h a p e d c o l u mns ;u l t i ma t e l o a d c a p a c i t y;fin i t e e l e me nt me t h o d;e
17、 l a s t op l a s t i c me t h o d 钢管混凝土在压应力作用下 , 存在约束套箍作 用 , 这种作用使得其承载力提高 , 延性提高 ; 此外 , 钢管混凝土还具有施工方便以及造价经济合理等 优点 , 在我国高层超高层建筑结构、 城市桥梁和大 跨度建筑中得到广泛应用。如 图 1所示 的哑铃 型截面形式的钢管混凝土拱桥在我 国应 用广泛。 在文献 2 所统计的 1 0 9座钢管混凝土拱桥 中, 采 用竖哑铃形 截面 的有 3 9座, 采 用横 哑铃形 截面 ( 桁式 ) 的有 1 5座 , 两者相加约 占总数的一半 。 哑铃型钢管混凝 土轴压短柱受力性能的研究 是哑
18、铃型钢管混凝 土拱桥受力性能研究 的基础工 作 , 文献 3 中对图 1中截面形式 A的哑铃型钢管 混凝土短柱轴压进行了试验研究 , 研究表明钢管混 凝土哑铃型轴压短柱具有良好 的弹塑性性能 , 哑铃 形轴压短柱 中的圆钢管混凝土与圆钢管混凝土 的 受力性能相近。文献 4 对比了图 1中截面形式 A 和截面形式 B( 腹腔 内不灌混凝 土而以 H型钢加 劲) 的哑铃型钢管混凝土受力性能 , 结果 表明, 当 腹腔 内混凝土面积不大时 , 两者 的承载力几乎相 当。文献 5 进行了有初应力 的哑铃型钢管混凝 土轴压短柱试验研究 , 结果表 明: 初应力使 弹塑性 阶段提前 , 弹性极限荷载降低
19、, 极限荷载推迟出现 , 但初应力对哑铃型钢管混凝土轴压短柱极 限荷载 影响很 J 、 。 , 、 : 。 a 厂 一 一 4 l 鉴 I , , 一 L L lu L 一 ( a ) 截 面 A; ( b ) 截面 B ( 单位 : mm) 图 1 哑铃 型钢 管混凝土轴压短柱截面形式 Fi g1 S e c t i o n t y p es o f CF ST d umb b e l l s h a p e d s t ub c o l umn s 文献 6 采用 A N S Y S有限元软件对哑铃型钢 管混凝土轴压短柱进行分析 , 有 限元建模 中, 钢管 与腹板采用壳单元 , 混凝土采
20、用实体单元 ; 圆管 内 混凝土的采用考虑套箍作用 的等效单轴应力 一应 变关系 J 。腹腔内混凝土 同时采用了文献 1 提 出的考虑矩形钢管套箍作用 的等效单轴应力 一应 变关系和不考虑套箍作用的普通混凝土本构关系。 对于哑铃型钢管混凝土轴压短柱极 限承载力 的研究, 文献 3 提出了极 限承载力计算的简单迭 加简化方法 , 即考虑两钢管混凝土圆管、 钢腹板和 腹腔 内混凝土的承载能力的简单迭加 , 不考虑腹腔 内混凝土受紧箍力作用 承载力提高的部分 ; 文献 7 则提出了等效单圆管法 , 即考虑腹腔内混凝土 受紧箍力作用承载力提高的部分 , 将哑铃型整个截 面等效成单根圆钢管混凝土轴压构件
21、进行计算。 目前 , 国内学者对哑铃型钢管混凝土轴压短柱 的各 内力变化情况 的分析还不足 以说 明结果的合 理性 。笔者在建立可用于 A B A Q U S 有限元 软件 分析的混凝 土单 轴应力 一应 变关 系统一 计算公 式 的基础上 , 进 一步对哑铃型钢管混凝土轴压 短柱进行分析 , 主要工作为 : ( 1 ) 建立钢管 、 腹板和 混凝土的实体有 限元模 型, 采用 A B A Q U S有 限元 软件对哑铃型钢管混凝土轴压短柱进行更精确的 分析 ; ( 2 ) 采用弹塑性法对 哑铃型钢管混凝土轴压 短柱进行全过程分析, 对 比弹塑性法和有限元法计 算结果与试验结果的差别 , 探讨
22、受力过程中哑铃型 钢管混凝土轴压短柱中各 内力变化情况; ( 3 ) 在理 论分析的基础上 , 结合圆钢管混凝土轴压短柱的极 限平衡理论 , 提出哑铃型钢管混凝土轴压短柱极限 承载力实用计算公式。 1 理论分析 1 1 非线性有限元法 以 A B A Q U S S t a n d a r d 6 4 为工具进行建模 , 钢管、 混凝土 、 钢腹板 以及整个加载板都采用 8节 点减缩积分格式的三维实体单元( C 3 D 8 R) , 其 中 加载板采用刚性面。网格划分采用结构化 网格划 分技术。 钢管与混凝土的界面模型由法线方向的接触和 切线方向的黏结滑移 2部分构成。切线方向的接触 第 2期
23、 丁发兴 , 等 : 哑铃 型钢 管混凝 土轴压 短柱力学性能分析 3 列式为罚函数列式, 钢管与混凝土界面摩擦 因数取 0 5 , 并采用有限滑移, 而法线方向的接触采用硬接 触。接触单元为面 一 面( S u r f a c e t o s u r f a c e ) 接触 , 其中钢壳单元为主面, 混凝土单元为从面。 混凝土与加载板的约束形式为绑定 , 钢管与加 载板的约束形式采用法线方 向的接触为硬接触 , 而 忽略切线方向的接触。 蘑 ( a ) 截面 A; ( b ) 截面 B 图 2模 型 网格 划 分 Fi g 2 Me s h g e ne r a t i o n o f m
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