圆钢管活性粉末混凝土长柱轴心受压承载力分析.pdf
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1、1 36 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 0c t o be r, 2 01 3 文章编 号 : 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 1 3 6 0 4 圆钢管活性粉末混凝土长柱轴心受压承载力分析 杨 骏 , 闫志刚, 罗 华 ( 北京交通大学 土木建筑工程学 院 , 北京 1 0 0 0 4 4 ) 摘要: 应用 A B A Q U S建立了圆钢管活性粉末混凝 土( r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e , 简称 R P C) 长柱有 限元模 型 , 计 算得到 1
2、6个试 件 的荷载一 变形 曲线和极 限承 载 力 , 极 限承 载 力 计 算结 果 与 已有 试验 结 果 吻合 较 好 。研 究 长细 比和套箍 系数 对 圆钢 管 R P C长柱 轴心 受压极 限承 载 力的影 响 , 并 对长 柱和 短 柱 的受 力性 能进行 了比较 。研 究结果表 明 : 不 同长细 比试件 的荷 载一 变形 曲线在 弹性 阶段 均 吻合 良好 , 在 弹 塑性阶 段 出现破坏以后 , 曲线均有不同程度的偏差 ; 不同套箍 系数试件弹性阶段的荷载一 变形曲线及极限承载 力均区别不大, 套箍 系数较大的圆钢管 R P C长柱后期强度提 高较大, 且延性较好 ; 圆钢
3、管 R P C短柱的 弹性 阶段 比长 柱有所 延 长 , 极 限承载 力 亦显著增加 ; 短 柱破 坏表现 为核 心混 凝 土破 坏 、 钢管屈服 , 长柱破 坏表 现 为整体 失稳 。 关键词: 圆钢管 活性粉末混凝土 轴心受压有限元分析极限承载力 中 图分类 号 : T U 5 2 8 5 9文 献标识 码 : A D O I : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 1 0 4 3 钢管 混凝 土与普 通混凝 土 相 比在 力学 性能 和施工 上具 有 明显优 点 , 在 我 国 已经 应 用 了 4 0多 年 , 并 发 展 出多
4、种 形式 , 如方 钢管混 凝 土 、 圆钢 管混 凝土 等 。钢 管 中 的 混 凝 土 也 由 普 通 混 凝 土 发 展 到 高 强 混 凝 土 , 而超 高 性 能 混 凝 土 活 性 粉 末 混 凝 土 的 出 现 , 显著提 高 了钢管 混凝 土 的承载 能力 。 目前 对 于钢管 活性粉 末混 凝土 短柱 的轴心 受压 性 能 研究 较 多 , 但 是 对 于 长 柱 性 能 的 研 究 还 比较 缺 乏 。本文应用有限元法研究不 同长细 比、 不 同套箍系 数 对 圆钢管 活性粉 末 混 凝 土长 柱 承 载力 的影 响 , 为 工 程 应用 提供 参考 。 1 有限元模 型的
5、建立及 分析 1 1 钢 管 的材料 模型 钢管的材料力学性能试验数据见表 1 , 其 中数据 分 为 3组 : 第 1 组 对应 钢管 R P C试件 R 1R 4 6 3 ( 见 表 1中 G一 1 、 G 一 2 ) ; 第 2组 对应 钢管 R P C试 件 R 一 5 R一 8 ( 见表 1中 G- 3 ) ; 第 3组 对应 钢管 R P C试 件 S R 1 、 S R 一 2及 R 一 9R - 1 4 ( 见表 1中 G 4 、 G - 5 ) 。其 中钢 材 的应力 应 变 曲线 见 图 1 。 收稿 日期 : 2 0 1 3 - 0 2 0 4 ; 修 回日期 : 2 0
6、 1 3 0 7 1 9 基金项 目: 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 1 0 0 8 0 1 4 ) ; 北 京交通大学基本 科研业务费资助项 目( 2 0 1 1 J B M2 5 9 ) 作者简介 : 杨骏( 1 9 8 8 一 ), 男, 四川汶川人 , 硕士研究生。 表 1 钢管材料力学性能 8 0 0 70 0 60 0 蛊 5 o o 400 3 0 o 2 0 0 1 O O 0 图 1 试 件抗 拉应 力一应变 曲线 1 2约束 混凝 土本构 关 系模 型 约束混凝土模型采用韩林海的约束混凝土本构关 系 模 型 。 。 。 和 S u s a n t h a的 约 束
7、混 凝 土 本 构 关 系 模 型 。在韩林海的模型中, 将套箍系数 作为主要参 数来分析钢管与混凝土的相互作用。同时, 也会用到 文献 1 O 中的核心混凝土等效应力一应变关 系模型。 S u s a n t h a约束混 凝土 本构关 系模 型 主要 根 据 钢 管径 厚 比限值进行定义。图2为约束混凝土应力一应变关系 曲线 。 2 0 1 3年第 1 0期 杨骏等 : 圆钢管活性粉末混 凝土长柱轴心受压承载力分析 l 3 7 应变 图 2 约束混 凝土应力一应变 曲线 1 3钢与 混凝 土之 间 的接触 面模 型 接触面模型对于有 限元分析的结果将产生很大的 影 响 , 在 A B A
8、Q U S建模 中 , 接 触 面 由两 方 面构 成 : 一是 界 面法线 方 向 的接 触 , 二 是 切 线方 向 的黏 结 滑 移 。界 面 法线方 向的接 触又 分两 种 : 运 动 学 列式 ( 硬 接 触 ) 和 罚 函数 列式 ( 软 接触 ) 。“ 硬 接 触 ” 含 义 为 : 接触 压 力 的 大小在接触面之间的传递不受 限制 , 当接触压力变为 0或 负值 时 , 两 个 接触 面分 离 , 并且 去 掉 相应 节 点 上 的 接触约束。“ 软接触” 局部 弹性 响应 可以在接 触物之 间发 生 。 在本 文 的分析 中 , 为 了更 好 地模 拟实 际情 况 , 采
9、用 “ 硬接 触 ” 作 为钢 材 和 混凝 土界 面之 间 的接 触 。 由于 钢管 混凝 土在 受 压 的过 程 中会 产 生变 形 , 而且 钢 管 和 混凝 土 的变形 并 不一致 , 故 切 向作 用也需 要 考虑 , 对 于 界面切向的粘结滑移本文采用库仑摩擦模型。 1 4 网格 的划分 及加 载 方案 网格 的划分 需要 视模 型 的具 体情况 而定 。根 据模 型的尺寸、 形状 、 类型, 通过边上种子的设置 、 网格参数 的控制、 单元类型的选择来划分网格 , 而这些直接决定 模 型 的计算 量 。本 文模 型 中 , 钢 管 活性 粉 末 混 凝 土 构 件 由 3部分组成
10、 , 分别是钢管 、 钢 管与混凝土 的接触 面 、 核 心 受约束 的混凝 土 。 由于 在受 荷过 程 中 , 试件 发 生变 形 , 所 以钢管 与混凝 土 之 间势必 发生 滑移 , 尤其 是 在受 到极 限荷 载 以后 , 滑 移 显 著 。对 于 混凝 土 与钢 管 均采 用 三维八 节 点 六 面 体 ( C 3 D 8 ) 单 元 。本 文模 型 单 元的划 分选 取 精 度合 适并 且 计算 效 率较 高 的种 子 分 布 。 钢管混凝土柱的加载形式分为 3种 : A式加载, 荷 载 只施 加 于混凝 土上 , 钢 管不 受荷 载作 用 , 见 图 3 ( a ) ; B式
11、加 载 , 荷 载 同 时 施 加 在 钢 管 与 混 凝 土 上 , 见 图 3 ( b ) ; C式加载 , 开始荷载只施加于钢管上 , 当钢管变 形达到一定程度 ( 弹性范 围内) 与混凝土面齐平后 , 钢 管与混凝土共同承受荷载, 见图 3 ( c ) 。本文中采用 B 式 加载 方式 。 在 模 型 的柱顶 端 施加 轴 向荷 载 , 在 柱 底 端 施 加 固 定约束 。由于结果输出的需要 , 将一个耦合约束建立 ( a ) A 式加 载 ( b ) B 式加载 ( c ) C 式 加载 图 3钢 管 混 凝 土 柱 的 3种 加 载 方 式 在柱底 , 将一个约束控制点与柱 子底
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