椭圆形钢管混凝土构件纯弯力学性能分析.pdf
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1、总第 1 6 1 期 2 0 1 6年 第3期 山 西 冶 金 S HANXI ME T AL L URGY T o t a l 1 6 l No 3, 2 0 1 6 卿 酆 D O I :1 0 1 6 5 2 5 c n k ic n l 4 - 1 1 6 7 tf 2 0 1 6 0 3 1 6 椭 圆形钢管混凝土构件纯弯力学性能分析 乔栋 , 郭 鹏 ( 山西大 同大学 , 山西大 同0 3 7 0 0 9 ) 摘要: 通过极限平衡理论和有限元模型的建立, 对椭圆形钢管混凝土结构的轴压力学性能、 纯弯力学 生能进行分 析, 得 出与其相适应的简化计算公式, 推导出与实际的城市建设所
2、使用的建筑结构和材料相符合的力学计算公式。 关键词: 椭圆形钢管混凝土纯弯构件 力学模型分析承载力有限元 中图分类号 : T U 5 2 8 5 7 1 文献标识码 : A 文章 编号 : 1 6 7 2 1 1 5 2 ( 2 0 1 6) 0 3 0 0 4 5 0 3 目 前 ,国内椭圆形钢管混凝土结构应用前景越 来越广, 城市建设脚步逐步加快, 国外研究已经步人 成熟 阶段( 如北美、 欧洲 、 英 国等区域 ) 并且有丰厚 的 经验可以借鉴和引进I 。基于“ 统一理论” 的极限思 想基础和数值分析法、 有限元模型建立分析等方法, 对椭圆形钢管混凝土的结构中所具有的纯弯构件进 行力学分
3、析,还需要结合椭圆形的几何优势及其适 用在钢管混凝土中的环境, 探讨与其相关的绕短轴、 长轴的极限抗弯的承载力公式, 还能依据实际生产、 施工参数简化出纯弯构件的计算公式。 同时, 通过建 立起方钢管和椭圆钢管的混凝土结构的纯弯构件抗 弯等承载力的关系模型, 分析其中的优劣, 研究出更 适合社会发展的工程、 建筑结构。 1 椭圆形钢管混凝土结构分析 1 1 椭圆形钢管混凝土的内部结构 随着理论研究、 设计和实践的推进 , 椭圆形钢管 的混凝土结构正朝着多元化的方 向发展。实用性较 强 、 工程造价较低的结构主要包括 : 椭圆套椭圆中空 夹层结构( 内外都是椭 圆形的 中空夹 层混凝土结 构)
4、、 椭圆套椭圆复式结构( 内外钢管都是椭圆套椭 圆的复式混凝土 ) 、 椭圆实心 ( 实心椭 圆的钢 管混凝 土结构) 、 椭圆套方的中空夹层结构( 内为方形钢管、 外为椭圆钢管的中空夹层混凝土结构 ) 等 瞳 。与实心 的钢柱混凝土结构的抗弯力学性能相 比,椭 圆套方 形的中空夹层混凝土结构的性能与其相似 ,椭圆套 椭圆中空夹层结构的性能较弱,而复式椭圆形钢管 混凝土结构 的力学性能最优。内部结构不 同的椭 圆 收稿 日期 : 2 0 1 6 0 6 - 1 6 第一作者简介: 乔栋( 1 9 8 1 一) , 男, 硕士研究生, 工程力学专 业, 现在大同大学任教。 形钢管混凝土结构的截面
5、抗弯效果不同,其力学计 算的模型和公式也有所差别 。 1 2 椭圆形钢管混凝土结构的抗弯性能影响因素 通 过有限元模型 的建 立和统一 的极 限理论 指 导 , 结合模型和实际结合受力 的点 、 面和过程分析 , 影响椭圆形钢管混凝土的力学性能 的因素主要包括 短轴长度 、 长轴长度 、 钢管屈服强度 、 钢管壁厚度 、 混 凝土强度等 , 具体表现在剪跨比、 混凝土强度、 钢管 强度和韧性等方面 。同时, 不同的加载方式、 力度 对椭圆形钢管混凝土的影响程度也各有不同,例如 纯弯和压弯的力学性能会随着加载力度和承受截面 的大小而变化 。 2 椭圆形钢管混凝土力学性能分析 2 1 建立纯弯构件
6、有限元模型 有限元模型分析方法在工程力学上有着广 阔的 前景 , 本文采用 AB A Q U S的有限元软件对椭 圆形钢 管的承载力及其应用关系进行分析 ,并建立模 型 4 ( 见下页 图 1 一 图 3 ) ,图 1中 。 、 、 分别表示 0 3 凡、 凡、 0 5 对应的应变 。 其 中, 有 限元模型利用六面 体线性缩减积分单元 ,把钢管混凝土的整个单元朝 着钢管的厚度方 向分为 3层网格 ,偏心受压的构件 为有 限元模拟的元素 ,再观察模拟 出来的效果和试 验结果之间的差别。混凝土的应力和应变的关 系用 数学关系表示为 : O c - O 0 E A ( ) ( E E 0 ) n
7、n o( 1 - q ) + t r o E e 叫 9 1 1 2, E 。 E o t 0 E o) 启 ( 一 l 1 qe o E 。 启 ( 一 1 ) + ( 生 ) 。 E o E o 山西 冶 金 E ma i l : s x v i b i b 1 2 6 c o rn 第 3 9卷 o r 0 = f k 1 1 9 4 + ( 1 3) 0 ,4 5 ( 一 0 0 7 4 5 2 + 0 5 7 8 9 ) ; E : 1 3 0 0 + 】 1 4 9 3 f k ; E O = E c c +E 1 4 0 0 + 8 0 0( ) ; q = K ( 0 2 +
8、0 1 ) , = ( 2 3 61 0 - 5 ) n 2 5 _ n k 2 ( 5 01 0 - 4 ) ; 4 = 2 一 k , B - l K (K = 0 1“ ) ;套 箍 系 = = 咯( 0= )。 式中 : 表示混凝土的标准强度 ; 表示钢材的屈服 强度 ; 4 分别表示核心的高强混凝土横截面积和 钢管 的横截面积 。 因此, 当构件弯曲到极限时 , 可依据静力平衡 的 条件来定位中和轴位置,将相关的理论计算公式结 果与有限元模 型效果相 比较发现 :方差为 0 0 0 0 8 , 平均值为 1 0 0 4 。 同时在图 3中的曲线表示下 ,基于静力平衡公 式( , v
9、= + = + 。 ) , 推导出椭圆形钢管的计算 公式 : : 一: 牛 : ( O (O s l+ 0 c ) 。 得出 其 纵 u 一 _ 一 _ 厂一 丽 。 寸 山 向的应力为 : o r l = o r ( 1 + ) 呵 。 b t 0 O 0 F Sc S 应 变 , s 图 1 椭 圆形钢管混凝土受压的应力与应变 的关 系 图 2 椭 圆形 钢管混凝土有限元模型 2 2 椭圆形钢管混凝土的抗弯承载力计算公式 2 2 1 绕长轴、 短轴的抗弯承载力计算公式 在上述有限元模 型构建和理论公式计算的基础 和效果上,将其纳入能够适应极限平衡分析法的范 围 ,根据实用性较强的实际工程和
10、经验推导出有限 元条件下的可行性高的绕长轴抗弯承载力 的公式和 短轴计算公式嘲: M = y W 图 3钢材的应 力与应变之间的关 系 y m - 一 0 4 8 3 2 k + 1 9 2 6 4 ( k 0 5 式中: 为组合的截面模量; 为截面的塑性发展系 数 ; k 为套箍的调整系数 ; 表示截面的抗弯压力。 当 = ( ) 叫 z 时( 其 中 表示椭 圆形钢管 混凝土的绕长轴与短轴之间的承载力比值) ,模拟结 果和公式计算量的方差为0 0 0 4 ,平均值为 1 0 1 7 ; 当 =( M 慨) n 6 时( 表示椭圆形钢管混凝土 的短轴 与长轴之间的承载力比值) ,计算公式所计
11、算出来的 量和有限元模型效果的方差为 0 0 0 6 , 平均值为 0 9 9 3 。 2 2 2 椭圆形钢管纯弯构件的偏心承载力计算公式 椭 圆形钢管的混凝土结构在不 同的截面大小 、 形状下 ,其纯弯构件 的偏心承载力荷载的工作机理 也不 同。例如, 绕短轴的偏心受压构件 : 结合施工过 程中的安全因素 ,利用有限元模拟分析的方法得到 一 之间的关系图( 如图 4 所示 ) ; 结合曲线 分析和修正系数的引进,得到其绕短轴的偏心承载 力实用公式 。 M Mo 一 纯弯压力 ; 肘d _ 一纯弯压力的初始量 ; 向承载力; 一承载力的初始量 图4 椭圆形钢管混凝土的绕短轴偏心承载力曲线 当构
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