钢管钢纤维高强混凝土轴压短柱的数值分析.pdf

2 0 1 6年 第 1期 (总 第 3 1 5 期 ) N u mb e r 1 i n 2 0 1 6( T o t a l No 3 1 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORE I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 6 0 1 0 0 6 钢 管钢纤维高强混凝 土轴压短柱 的数值 分析 李楠 。 赵均海。 王娟，殷佳 ( 长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 6 1 ) 摘要： 针对轴心受压的钢管钢纤维高强混凝土短柱 ， 采用有限元分析软件 A N S Y S建立 了多个圆钢管钢纤维高强混凝土短柱 模型进行数值模拟， 材料模型使用修正的钢管钢纤维高强混凝土本构关系模型， 考虑了钢管和钢纤维对构件的影响， 模拟结果与 试验结果吻合性较好。 对构件进行了影响因素分析 ， 研究结果表明， 混凝土强度等级的提高有利于构件承载力的增大 ； 钢纤维体 积率的提高使构件承载力提高较大； 钢管壁厚的增大对构件承载力提高作用最大。 在合理范围内增大钢管壁厚、 增加钢纤维体 积率并提高混凝土强度等级均能够有效提高轴压构件的承载力。 关键词： 钢纤维高强混凝土； 本构关系； 极限承载力 ； 数值模拟；因素分析 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 卜 o 0 2 0 一 O 5 Nu me r i c a l a n a l y s i s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d h i g h s t r e n g t h c on c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r s hor t col umns unde r a xi al c ompr e ss i on load LI Nan ，ZHAO J anha i，WANG J u a n，YI N a ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， C h a n g a n U n i v e r s i t y ， X r a n 7 1 0 0 6 1 ， C h i n a ) Ab st r a c t： The s t e e l fib e r r e i n f o r e e d h i g h s tre n g t h c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b u l a r s ho r t c o inI n n u n de r a x i a l c o mp r e s s i o n wa s s i mu l a t e d a nd a n aly z e d by us i n g fin i t e e l e me n t a na l ys i s s o f t wa r e ANS YS， mu l 廿 pl e r o u n d s t e e l p i p e s t e e l fi be r h i g h - s e n g t h c o n c r e t e s ho r t c o l u mn mo d e l we r e e s ta bl i s h e d， u s i n g t h e mo difie d c o n s tit u tiv e mo de l ， wh i c h c on s i d e rin g the i n flu e n c e o f s t e e l tub e a n d s t e e l fiber o n c o mpo n e n t s ， t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s m a t c h we l l wi th th e t e s t r e s u l t s Th e t h r e e i n flu e n c e s o f s e n g t h g r a de o f c o n c r e t e， s t e e l fi be r v o l u me r a t i o a n d s t e e l t u b e wa l l t h i c k n e s s o n b e a r i n g c a p a c i t y a n d d u c ti l i t y o f c o mp o n e n t we r e an a l y z e d Th e r e s e a r c h r e s ul t s i n d i c a t e tha t the i n c r e a s e o f c o n c r e t e s e n g t h i s b e n e fi c i a l t o the i n c r e a s e o f l o a d b e a r i n g c a p a c i ty ， b u t a d e c r e a s i n g o f d u c t i l i ty s l i g h t l y T h e i n c r e a s e o f s t e e l fi b e r v o l u me r a t e h a s i mp r o v e the l o a d b e a r i n g c a p a c i ty s l i g h tl y ， a n d a i n c r e a s i n g o f d u c t i li ty g r a d u a l l y T h e i n c r e a s e o f s t e e l wa l l t h i c kn e s s i mp r o v i n g b o t h o f t h e l o a d b e a r i n g c a pa c i t y a n d d uc t i l i t y o f c o mp o n e n t Th e r e s e a r c h r e s u l t s c a l l p r o v i d e c e r t a i n r e f e r e n c e t o t h e s c i e n t i f - i c s e arc h a n d e n g i n e e rin g a p p l i c a t i o n of t he s t e e l fib e r r e i n f o r c e d h i g h s t r e n g th c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b u l ar c omp o n e n t Key WOr ds： s t e e l fib e r r e i n f o r c e d h i g h s t r e n g th c o n c r e t e； c o ns tit u t i v e mo d e l ； u l t i ma t e c a p a c it y； n u me ric a l s i mu l a tio n； f a c t o r a n a l y s i s 0 引 言 近年来钢管混凝土在建筑结构 中有着非 常广泛的应 用 ， 国内外学者进行 了大量 理论 和试验研究 “ ， 取得 很 多成果 。 高强混凝土具有强度高 、 耐久性好等优点 ， 使用高 强混凝土可以提高 承载力 ， 减小 构件截 面 ， 从 而减轻结构 自重 ， 现代工程结构多有大跨度 、 超 高及重荷载结构 ， 混凝 土的高强度化是混凝土发展的一个重要趋势。 将高强混凝 土置于钢管约束之下 ， 可 以有效 改善 高强混凝 土脆性大 、 延性差 的缺点， 然而钢管高强混凝土柱在受到轴压荷载作 用时， 当套箍系数较低或混凝土强度较高的情况下， 钢管 对核心混凝 土的环箍效应还未开始 ， 核心混凝土就已经发 生脆性剪切破坏 。 研究表明 ， 可 以采用在核心混凝 土中掺入钢纤维 的方 式来改善钢管高强混凝土柱 的性能 ， 提高构件 的延 性 ， 使 钢管和核心混凝土更好地协调工作， 有效提高承载力。 S e r k a n T o k g o z 对 1 6根截 面、 长细 比和强度不 同的钢管 普通混凝土柱和钢管钢纤维混凝土柱进行 了试验 和理 论 研究 ， 研究表 明核心混凝土中加入钢纤维能够显著提高柱 的延性 ， 对 承载力 的提高略小 ； J M P o r t o l 6 s 对 2 4个混凝 土强度等级 和增强方式不 同的钢管混凝 土长柱 进行 轴压 和偏压试验研究 ， 结果表 明在长柱 中钢纤维对强度等级较 低的构件更能发挥增强效果 ， 并且钢筋 比钢纤维对混凝土 长柱 的增强作用更为有效 ， 而高强混凝土更适用 于轴压荷 载作用下 ； Mo h a m a j ， E K 和 G o p a l ， S R 也通过 试验 研究了钢纤维对钢管混凝土的性能增强作用； 卢亦焱 。 。 对轴心受压的钢管钢纤维混凝土短柱进行了试验研究， 结 果表明高纤维 的掺入对构件破坏模式几乎没有影 响， 但可 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 1 9 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 4 1 2 0 2 1 9 1 ) ； 高等学校博士学科点专项科研基金 ( 2 0 1 1 0 2 0 5 1 3 0 0 0 1 ) ； 陕西省 自然科学基金 资助项 目 ( 2 0 1 1 J M T 0 0 2 ) ； 长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助 ( 2 0 1 3 G 2 2 8 3 0 0 7 ) 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 以有效提高构件的延性 。 目前 ， 关于钢管钢纤维高强混凝土构件的研究在理论 分析 、 试验研究和有 限元分 析上均有不充足 ， 学 者们对 于 钢管钢纤维高强混凝土柱的研究多为试验研 究 ， 本文拟用 有限元分析方法 ， 对钢管钢纤维高强混凝土轴 压短柱 的性 能进行分析和研究。 高丹盈 通过对 钢纤维混凝 土轴压 应力 一 应变全过程 的测定 ， 考 虑钢纤维特征参 数 ， 提 出了 钢纤维混凝土的应力应变本构关系 ， 但 该本构关 系只适用 于单纯 的钢纤维混凝土材料构件分析上 ， 没有考虑钢管对 核心混凝土的约束作用 。 刘威 通过 大量算例 的试算分 析， 提出可用于有限元分析的核心混凝土等效应力 一 应变 关系模 型， 但使用该本构关 系不能够得 出钢纤 维对构件延 性的影 响。 有 限元分析中的一个难点在于如何选取适合 的 核心混凝土本构关系 ， 使得在本构关 系中能够 同时考虑钢 管和钢纤维对核心混凝土在性能上 的作用 ， 这样才能准确 地模拟计算出钢管钢纤维混凝土短柱 的受力性能。 本试验在 文献 8 试 验研 究 的基础 上 ， 采 用 有 限元 A N S Y S软件进行构件的非线性分析， 采用修正了的核心 钢纤维混凝 土应力 一 应变关系进行仿 真计算 ， 对 比试验结 果分析钢管钢纤维高强混凝土轴压短柱 承载力 ， 并对构件 性能进行影响因素分析 ， 研究发现核心混凝土强度 的提高 能够有效提高构件整体承载力 ； 钢纤维体积率 的增加能够 提高构件承载力 ， 并提高其延性； 增加钢管的壁厚是提高 构件承载力最为有效的方法 。 1 材料 的本构模 型及破 坏准则 1 1 核 心混凝 土的本 构关 系及破 坏准则 核心混凝土受钢管 的约束 ， 材料 的本构关系不 同于普 通混凝 土 ， 其 对 应 峰 值 应 力 的 应 变 增 大 ， 并 且 混 凝 土 应力 一应变 曲线下降段较平缓 ， 众多 的单轴受压本构模型 均无法描述这种塑性性能的改变 ， 本文参考 以往 的钢管混 凝土 中的核心混凝 土模型研究成果 ， 结 合钢纤维高强 混凝土 的特点 ， 使用修正的核心钢纤维混凝土等效应 力 一 应变关 系模型表达式为 ： Y：f ) c1，1 I I U 1 ， ，一 1、 ( 【 ( 一 ) + 式 中： X： 旦 ； 0- - f , o ， N mm ； 0=sf c+8 0 0 1 0 ； f c =( 1+0 2 0 4 A f ) 8 ； 。 = ( 1 3 0 0+ l 2 5 ) l O ； Af = l f df ； f r o =0 8 f fo ； ， fc = ( 1+ O c u A f ) ； = L O 8 8； 田= 2 ( 圆钢管混凝土) ； o L 钢纤维对高强混凝土立方体抗压 强度的增强 系数 ， 根 据 试 验 确 定 ， 文 献 1 3 中测 得 的 值 为 o L = ，0 2 5 ( 铣削型 ) 0 2 3 ( 切断型) ； 文献 8 试验中所用的是切断型钢纤 【 0 0 6( 剪切型 ) 维 ， 因而综上可得 = 0 8 ( 1 + 0 2 3 A r ) J c， 本试验 中， fc u 直接采用试验结果 ， 如表 1中所 示 ， f r o = ； k 0 =( 2 3 6 1 0 I 5 ) “ 0 5 ( 1 0 8 A ) ； A 为钢纤维含量特征参数， 是钢纤维体积率与钢纤维长径 比的乘积 。 分析该模型可知 ： ( 1 ) 当 X 1 时 ， 本构关 系和 H o g n e s t e d本构在形式上 类似 ； ( 2 ) 当 x1 时 ， 本构 关系和文 献 1 1 ， 1 2 ， 1 4 中提 出 的本构在形式上类似 ， 系数 反 映了材 料韧度 ， 即曲线下 积分区域面积的大小， 用以衡量钢管约束钢纤维高强混凝 土 的性能 以及钢纤维对高强混凝土 的增强性能 ， 越 大则 本构曲线下降段越陡， 曲线下的面积越小， 韧度越小， 延性 越差 ； 反之 ， 越小 ， 本构 曲线 下降段越平缓 ， 曲线下 的面 积越大 ， 韧度越大 ， 延性越好 。 当不考虑钢纤维的影 响时 ， 取 A 为 0 ， 则本构关 系与 文献 1 2 的钢管高强混凝土本构相同。 核心混凝土的破坏准则 ， 采用 Wi l l a m Wa r n k e 五参数 模型来定义 ， 其破坏面表达式为 ： F 0； ( 2 ) 式 中： ， 单元 的应力状态 函数 ， F= F ( ， ： ， ， ) ； 混凝 土的强度 函数 ； S=S ( 。 ， 2 ， 3 ， ， ， b ， ， ) ； 混凝土双轴抗压强度 ； 分别为双轴和单轴的静水受压强度。 在计算中， 除了混凝土单轴抗拉、 压强度 ， 之外， 其 余参数可采用系统默认 的关系式 。 1 2 钢管的本构关系及屈服准则 在模拟 中假设钢材为各 向同性材料 。 对于常用的低碳 钢材的本构曲线 ， 一般包含弹性段 、 弹塑性段 、 塑性段 、 强 化段和二次塑 流五个 阶段 ； 对 于高强钢材 ， 本构关 系一般 采用双线性模型 ， 包括弹性段和强化段 ， 弹性段斜率为 E 。 ， 强化段 的模量为 0 0 1 E 。 。 本文在分析中采用双线性模型 为本构模型 ， 并采用 V o n Mi s e s 准则定义屈服准则 。 2 有 限元模 型的建立 2 1 有限元模 型 采用分离式模型在 A N S Y S中建 立有限元分析模 型， 构件尺寸如表 1中所示 ， 构件长径比均为 3 。 表中模型 1 、 9 、 1 0为本文的三种几何模型。 ( 1 ) 单元类型和材料属性 核心钢纤维高强混凝土单元类型采用 S O L I D 6 5实体 单元 ， 材料弹性模量按照 E = 1 0 计算 ， 泊松 比取 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 时， 增长较缓 ， 大于 1 5 之后 ， 增长较为明显 。 对 曲 线增长百分率 分析可知 ， 承载力最大增 强 1 6 9 ， 平均增 强 7 ， 是构件承载力 的第 二大影响 因素 。 结合 图 4和 表 1 可知 ， 随着钢纤维体积率 的增加 ， 构件的延性得 到 有效 的提高 。 钢纤维 体积率 ， 图7钢纤维体积率与承载力的关系曲线 由于钢纤维增强混凝土的造价较高， 普通用途的钢纤 维增强混凝土构件一般保持 在 0 2 这个低掺 量范围 内 ， 用于抗爆炸或抗震坍类的防护性钢纤维增强混凝土构 件可 以达到中掺量 3 6 ， 更高 的掺量 考虑到造价 因素 是没有必要 的。 4 3 混凝 土强度等级 对 一 4 0 9系列构 件 ， 保持 其他 因素不变 ， 以混凝 土强度等级 为变量 因素进行计算 ， 得到混凝土强度等级 与构件承载力 的关 系曲线如 图 8 。 由图 8可知 ， 当 在 5 0 8 0之间变化时， 随着 的增大而增大 ， 且 当 大 于 6 O时 ， 增大迅速 ， 即对 于高强混凝 土而言 ， 钢纤维 的增 强作用能够更为有效地增加构件的承载力。 Z 憾 混凝土强度等级 MP a 图8 混凝土强度等级与承载力的关系曲线 对 曲线增 长 百分 率分 析 可 知 ， 承载 力 最 大 增 强 7 3 ， 平均增强 4 5 ， 混凝土强度等级 是构件承载力的 第三大影响因素。 5 结论 本研究建立了钢管钢纤维 高强混凝 土轴压短柱有 限 元模型， 采用修正的核心钢纤维混凝土应力 一 应变关系作 为本构模型， 对不同参数下模型的性能进行了分析计算。 ( 1 ) 分析构件 的荷载 一位移曲线与破 坏形态得知 ， 采 用 A N S Y S建立的有限元模型计算结果与试验结果吻合较 好 ， 验证了有限元方法的可靠性 ； ( 2 ) 本研究所采用的修正的核心钢纤维混凝土应力 一 应变关系适合于钢管钢纤维高强混凝土构件 的有 限元模 拟计算， 能够有效分析钢纤维对于构件的增强作用； 2 4 ( 3 ) 结合有限元计算所得的构件应力 一 应变关 系曲线 和位移 、 应力云图， 对轴压短柱的受力机理进行了分析 ， 构 件 中部鼓胀变形 ， 随着应力 的增大 ， 核心混凝 土首先发生 破坏 ， 随后钢管发生屈 曲破坏 ， 并且核心混凝土 由于受到 钢管的约束， 强度得到有效提高； ( 4 ) 对混凝土强度等级 、 钢纤维体积率和钢管壁厚三 个主要 的影响因素进行了分析 ， 三者均对构件承载力 的提 高起着积极作用 ， 在一定范围内增加钢管壁厚和钢纤维体 积率是增加构件承载力和提高构件延性的有效方法。 参考文献： 1 韩林海 冈 管混凝土结构一理论与实践 M 北京： 科学出版 社， 2 0 0 7 2 赵均海 ， 顾强 ， 马淑芳 基于双剪统一强度理论的轴心受压钢 管混凝土承载力的研究I- J 工程力学， 2 0 0 2 ， 1 9 ( 2 ) ： 3 2 3 5 3 E L L O B O D Y E， G H A Z Y M F E x p e ri me n t a l i n v e s ti g a ti o n o f e c c e n tr i c a l l y l o a d e d fib r e r e i n f o r c e d c o n c r e t efil l e d s t a i n l e s s s t e e l t u b u l a r c o l u m n s J J o u rna l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 2 01 2， 7 6： 1 6 71 7 6 4 G O P A L S R， MA N O H A R A N P D T e s t s O n e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r c o l u mn s J S t e e l a n d C o m p o s i t e S t r u c t u r e s ， 2 0 0 4 ， 4 ( 1 ) ： 3 7 4 8 5 王玉银 长 素梅 圆钢管高强混凝土轴压短柱受剪承载力分析 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 1 4 1 2 4 6 - 1 T O K G O Z S ， D U N D A R C E x p e r i m e n t a l s t u d y O il s t e e l tu b u l a r c o l L l mn s i nfi l l e d wi t h p l a i n and s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e r J Th i n W a l l e d St r u c t u r e s， 2 01 0， 48： 4 1 44 2 2 1- 7 P O R T O L E S J M， S E R R AE， R O ME R OM LI n f l u e n c e o f u l tr a h i g h s t r e n g th i n fil l i n s l e n d e r c o n c r e t e -fil l e d s t e e l t u b u l a r c o l - u mn s J J o u r n a l o f C o n s t r u c ti o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 1 3 ， 8 6 ： 1 0 7 1 1 4 8 MO H A N R A J E K， K A N D A S A MY S ， MA L A T H Y R B e h a v i o r o f s t e e l t u b u l ar c o l u m n s fi l l e d w i th fi b re r e i n f o r c e d c o n c r e t e J I n t e ma t i o n ai J o u rna l o f Ea r t h S c i e n c e s a n d En g i n e e r i n g， 2 01 0， 3 ( 4 ) ： 8 2 8 8 3 6 1- 9 卢亦炎， 陈娟， 李杉 钢管钢纤维高强混凝土短柱轴心受压试 验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 1 0 ) ： 1 6 6 1 7 2 1 o 陈娟， 户亦炎 ， 李杉 钢管钢纤维高强混凝土轴压短柱的受力 分析 J 工程力学， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 9 ) ： 1 1 5 1 2 1 1 1 高丹盈 钢纤维混凝土轴压应力一 应变全曲线的研究 J 水利 学报 ， 1 9 9 1 ( 1 O ) ： 4 3 4 8 1 2 lJ 威 冈 管混凝土局部受压时的工作机理研究 D 福州 ： 福州 大学 ， 2 0 0 5 1 3 朱海棠 ， 高丹盈 ， 汤寄予 钢纤维高强混凝土的强度指标及其 相互关系I- J - 建筑材料学报 ， 2 0 0 9 ， 1 2 ( 3 ) ： 3 2 3 3 2 7 1 4 严少华， 钱七虎， 孙伟， 等 冈 纤维高强混凝土单轴压缩下应力 一 应 变关系r J 东南大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 2 ) ： 7 7 8 0 1 5 汤寄予 纤维高强混凝土基本力学性能的试验研究 D 郑州 ： 郑州大学 ， 2 0 0 3 1 6 G U L E R S ， L A L E E ， A Y D O G A N M N o nl i n e ar a n a l y s i s o f s t e e l fi b r e r e i nf o r c e d c o n c r e t efi l l e d s t e e l t u b e c o l u m n s J St r u c t u r e s a n d Bu i l d i n g s， 2 01 3， 1 66： 2 9 83 06 第一作者： 联 系地 址 ： 联系电话： 李楠( 1 9 8 7一 ) ， 女 ， 博士研究生。 陕西 省西安市 小寨长 安大学小 寨校 区 1 9 7号信 箱 ( 7 1 0 0 6 1 ) 0 2 98 2 3 3 7 2 3 8 2 0 8 6 4 2 2 2 1 z 瞄 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m