钢骨-钢管高强混凝土长柱稳定承载力分析.pdf
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1、第 2 5卷第 1 期 2 0 0 8年 3月 华 中 科技大学学报 ( 城 市科学版 ) J of HUST ( U r ba n Sc i e nc e Ed i t i on) Vo1 2 5 No1 M 8r 2 00 8 钢骨一 钢管高强混凝土长柱稳定承载力分析 肖阿林 , 何益斌 , 黄 频 , 郭 健 ( 湖南大学 a 土木 工程学院 ; b 设 计研究院 , 湖 南 长沙4 1 0 0 8 2 ) 摘 要 : 基 于切线模量理论 和钢管混凝 土统一 理论推导了钢骨一 钢管高强 混凝土组合 轴压长柱 弹塑性稳 定承载 力计算公式 , 理论计算值 与试 验结果吻合 良好 , 在此基
2、础上推导 了该 组合柱的临界长 细 比。以千 分之一 柱长作 为初始挠度 , 利用数 值计算方 法对钢 骨一 钢管 高强混凝土组 合轴压 长柱进 行非线 性全过 程分析 , 数值 计算 的荷 载一 变形 曲线与试验 曲线吻合 较好 。在大量数值分析 的基础上 , 提出 了便 于工 程应 用的钢骨一 钢管高强混 凝土组 合轴压长柱极限 承载力 简化计算公 式 。 关键词 : 组合 柱 ; 长柱 ; 极 限承载力 ; 切 线模量理论 ; 长细 比 中 图分 类 号 : TU3 1 8;TU3 9 8 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 6 7 2 - 7 0 3 7 ( 2 0 0
3、 8 ) 0 卜0 0 6 卜O 4 有关 试 验研 究 结果 表 明 卜 , 钢 骨 、 钢 管 和核 心混 凝 土协 同工 作使 钢 钢 骨一 钢 管 混 凝 土 组 合 柱 ( 图 1 ) 具 有 承载 力 高 , 延性 及 耗能 能 力 好 等优 点 , 具 有 良好 的 工 程 应 凝 土 1 组合柱弹塑性 临界 稳定 承载 力 钢骨 钢骨一 钢管组合柱截面 度 、 构 件截 面尺 寸 以 及 钢 材 和 混 凝 土 的力 学 性 能 等 。长 细 比较 大的 构件 , 受初 始 缺 陷 、 材 料不 均匀 性 以及 制 作误 差 等 因素 影 响 , 其 大 变 形 效 应 很 明
4、 显 , 此类结构往往表现为稳定破坏。文献 5 提出 了该 组合 长 柱 稳定 系数 的 计算 公 式 , 但缺 乏 理 论 上 的统 一 性且 表 达 式 相 当复 杂 , 不 便 于 工程 应 用 。 因此 , 本 文基 于 切 线 模 量 理论 和 钢 管混 凝 土 统一理论 采用修正欧拉公式 推导钢骨一 钢管高强 混 凝 土组合 轴 压长 柱 弹塑性 稳 定 承载 力 的理论 计 算 公 式 , 并 对 该组 合 柱 的临 界 长 细 比进行 计 算 分 析 , 提 出可 供参 考 的组合 柱 临 界长 细 比 。 同时对 钢 骨一 钢 管高 强 混 凝 土组 合 轴 压 长 柱 进
5、行 非 线性 全 过程 分 析 。 在 大 量数值 分 析 的基 础上 , 提 出简 单 实 用 的 钢骨 一 钢 管 高 强 混凝 土组 合 轴 压 长柱 极 限 承 载力 的 简化 计算 公式 。 对 长 细 比较 大 的 压杆 , 往 往 当荷 载 达 到 欧拉 临 界 力 以 前 , 杆 中 的 轴 向 应 力 已 经 超 过 比 例 极 限 6 , 应 力一 应 变关 系 不再 服 从 虎 克 定 律 , 此 时 必 须考 虑 材料 的 非弹性 性 质 。 因而 , 对 轴 压杆 件 的弹 塑性 临 界稳 定荷 载 , 通 常采用 切 线模 量理 论 求解 。 当临 界应 力 大 于
6、 材 料 的 比例 极 限时 , 用 失 稳 时 的 切线 模 量 E 代 替 杨 氏模 量 E, 可得 到 非 弹性 屈 曲 情况 下 的临 界荷 载 。参 考钢 管混 凝 土统 一理 沦及 有关 文 献l_ 7 , 基 于切 线 模 量 理 论 的 钢 骨一 钢 管 高 强混 凝 土组合 轴 压 中长柱 弹 塑性 临 界稳定 承 载力 P 计算 公 式 为 P 一 , ( 1 ) 0 式 中 , 为组 合 材 料 的截 面 惯 性 距 ; El 为 组 合 材 料的切线模量 ; 。 为组合构件的计算长度。 由 文 献 6 , 7 可 知 : E 一 篷 JE p 这里令 一 e r , 即
7、可求解方程( 1 ) 得 一 一 丌 E B1 ( 2) 其 中 一 一 2 一 一 一 r 4 。式 中 , r 为 钢管 外半 径 ; 为组 合材 料 截面面 收 稿 日期 : 2 0 0 7 0 6 2 7 作 者简 介:肖阿林( 1 9 8 0 一 ) 男 , 湖南宁 乡人 , 博士研究生 , 研究方向为组 合结构及结构抗震 , x i a o a l i n l 9 8 0 l 6 3 c o rn。 基金项 目:湖南省杰出青年基金( 0 5 J J l 0 0 0 9 ) 。 维普资讯 http:/ 6 2 华 中 科技 大 学 学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8正 积; E
8、。 和 E 分别为组合材料的弹性模量、 强化模 量; 和 足 分别为组合材料的抗压 比例极 限、 倔 服强 度 。 由文献 7 , 8 可知 : E 一 , E 一5 0 0 0 a + 5 5 0 , 一 ( 1 2 1 2+ B 2 + C ) , B一 0 1 7 5 9 f f 螽 + O 9 7 4 , C = 一 0 1 0 3 8 磊+ 0 3 0 9 一 + , f 0 9 p , 一l 0 1 9 2 而J ty + 0 4 8 8 I , =0 6 7 l 厶 J J , E 。式 中 , a为含钢 率 , a 一 ( +A ) A ; 为套 箍 指 标 , 一A ( A
9、) ; P为 配 骨指 标 , ( ) ; A , A 和 。 分 别 为 核 心 混 凝 土 、 钢 管 及 钢 骨 的面 积 ; , 和 分 别 为 核 心混 凝 土 的轴 心抗 压 强度 、 钢 管及 钢 骨 的屈 服强 度 ; e 为 与 比例 极 限 对应 的应 变 。 2 组合柱临界长细 比 根 据 长 细 比 定 义 。 , 由 结 构 稳 定 理 论 可知 , 当组 合柱 承载 力 由稳定 控制 时 , 必 须 进 行 稳 定 验 算 的 条 件 为 鲁 。 由 此 即 可 得 到 组 合 柱 同时 发 生 强 度 破 坏 和 弹 塑 性 失 稳 ( 此 时 E 一 E 时 )
10、 的 临界 长细 比 。 为 一 等 ( 3 ) D t 当组合柱临界应力 只 时, 组合柱将发生弹性 失稳 。由此可得组合柱同时发生弹塑性失稳和弹 性 失 稳 的临界 长细 比 。 为 、 E 一 ( 4 ) 由上可知 , 当 。 时, 组合柱承载力由强度 控制 ; 当 时 , 组合柱发生弹性失稳。 表 l 列 出了根据公 式 ( 3 ) 和 ( 4 ) 计算 得 到 的不 同 设计 截 面的 和 值 。 从 表 1可 见 , 。 和 变 化 幅度均 不 大 , 基本 上 为定值 , 因而 可 以偏 于保守 地分别取 扎一1 2 , 一1 1 0 。 可见 , 组合柱发生弹塑 性 失 稳 的
11、 临界 长细 比 。与钢 管 混 凝 土短 柱 定 义 界限基本一致 。 但是 , 由于组合柱 中型钢的刚度贡 献等影响, 组合柱发生弹性失稳的临界长细比 比钢 管混 凝 土 弹性 失稳 的 临界 长 细 比( 一4 l 。 J ) 一8 0 ) 高得 多 J 。 表 l 构件主要设 计参数及计算结果 注: : , N。 , : 。 , : 。 : 。 分 别为组 合柱承载力试 验值 数 值分析 计算 值、 短柱极限承载力计算值 、 本文公式 ( 2 ) 计算值 、 文献 I s 3 公式 ( 1 3 ) 计算值、 本 文建议公式( 6 ) 计算值 维普资讯 http:/ 第 1 期 肖阿林等
12、 : 钢骨一 钢管高强混凝土长柱稳定 承载力分析 6 3 3非线性全 过程数值分析 钢 骨 一 钢 管 高 强 混 凝 土 组 合 轴 压 长柱 的受 力 过 程既 表现 为材 料非 线性 , 也 表 现为 几何 非 线性 , 精确的数值分析较为复杂 。本文 以 。 1 o o o 作 为 初 始挠 度 , 采 用 近 似方 法 对 其 进 行 非 线 性全 过 程 分析 。组 合轴 压 长柱 非线 性全 过 程分 析 的基本 假 定、 有关模 型的选取 以及相关步骤 与文献 5 一 致 。 本文 分析 中核 心 混凝 土应 力一 应 变关 系采用 考 虑套 箍作 用应 力梯 度 效应 的核
13、心 混凝 土应 力 一应 变关 系模 型l 】 。 根 据 平 截 面假 定 、 有关 材 料 的本 构 关 系 及 平 衡条 件 本 文编 制 了钢 骨一 钢管 高 强 混凝 土组 合 轴 压 长柱 的荷载一 变形 关 系分 析 程序 , 得 到 了组 合 轴 压 长柱 的 荷载 ( ) 一 挠 度 ( _厂 ) 全过 程 计 算 曲线 。 由 图 2可 知 在 弹 性 阶段 , 由于 材 料 受 力 情 况 较 简 单 , 组合 柱 中钢 与混凝 土 没有 产 生套 箍效 应 , 计算 曲线 与试 验 曲线 吻合 良好 ; 当构 件 进 入 非线 性 阶 段后 , 由于组 合构 件 内部
14、受力 比较 复 杂 、 模型 理想 化 假定 以及 试验 误 差 等 因 素 的 影 响 , 数值 计 算 曲 线 与试 验 曲线之 间的差 异 增 大 , 但 差距 均在 1 2 以 内 。长细 比较 大 的构 件 在 弹塑性 阶段 的曲线 比 长 细 比较 小 的构 件 吻 合 度更 好 , 这 可 能 由于 长 细 比小 的构 件受 支座 约束 比较 大 , 因 而试 验值 偏 高 , 这 一 现象在 试 验 中得 以体现 口 。 3 000 2 500 2 0 00 至 窆 1 5 0 0 1 0 00 50 0 0 j | m 图 2 N f试验 曲线与计算 曲线对 比 通过 采 取
15、 以上 数 值 分 析 方 法 , 较好 地 模 拟 了 钢骨一 钢 管高 强 混凝 土组 合 轴 压 长 柱 的荷 载一 变形 关 系 。 基 于此 , 对不 同长细 比和 设 计参 数 下该新 型 组 合 轴 压 长柱 进 行 了大 量 数值 计 算 , 构 件具 体 设 计 参 数 及计 算 结果 见 表 1 。从 表 1可 知 , 钢 骨一 钢 管 高强 混凝 土组 合 轴压 长柱 的 极 限承 载力 影响 因 素很 多 , 随着 套 箍指 标 、 配骨 指标 的增 大和 长细 比 的减 小 , 组合 轴压 长 柱极 限 承载 力 随之增 大 。 分离 出轴 压 短柱 承 载 力影 响
16、 因素 后 , 可 以得 到 组合 轴 压 长柱极 限 承 载力 长细 比折 减 系数 与 。 D 的 关 系 ( 图 3 ) 。由图可 知 , 在 影 响组 合轴 压 长柱极 限 承载力 折减 系 数 的因 素 中 , 长 细 比 占主导地 位 。 tgD 图 3 研 一 o D关 系 由本 文数 值计 算 结 果 , 以 。 D 为 横坐 标 、 ( 一 1 ) 。 为 纵 坐 标 进 行 回 归 分 析 , 可 得 长 细 比折 减 系数 拟合 表达 式 : J 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 1
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