内置钢管混凝土箱形柱压弯强度分析.pdf

浙 江建 筑 ， 第 3 0卷 ， 第 1期 ， 2 0 1 3年 1月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n ，Vo 1 3 0，N o 1 ，J a n 2 0 1 3 内置钢管混凝土箱形柱压弯强度分析 Co mp r e s s iv e a n d B e n d i n g S t r e n g t h An a l y s i s o f Bu i l t i n Co n c r e t e F i l l e d Bo x S t e e l Tu b e Co l u mn 赵 滇生 ， 王亚群 Zh ao Di a n s h e ng，Wa n g Ya q u n ( 浙江工业大学建筑工程学 院， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要 ： 采用 AN S Y S有限元程序 ， 模 拟分析 内置钢管混凝土箱形柱 压弯承载力 极限值 ， 与有关规程 计算值 比较表 明， 精 度较 高 。进而 ， 通过对 两个 系列共 1 8个柱试件的非线性有限元分 析， 探讨 了钢管厚度和荷载偏心距对柱压 弯承载力 的影 响机理 ， 得 出 的结论可供工程设计 和施工参考 。 关键词 ： 钢管混凝土 ； 箱形 柱； 压弯 ； 非线性有限元分析 ； 极限承载力 中图分类号 ： T U 3 9 8 9 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 83 7 0 7 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 2 0 0 4 在实际工程中， 内浇混凝土箱形柱经常出现箱 形钢柱对 内部混凝 土约束不够强 ， 导致混凝土外鼓 现象 ， 严重影响了建筑的美观和人们的心理安全感。 本文提出一种新型内置钢管混凝土箱形组合柱 ， 这 种柱受力后 ， 由于钢管对其 内部混凝土的环箍约束 作用， 混凝土处于三向受力状态 ， 使得构件具有较高 承 载力 的 同时 ， 也 大 大 改 善 了混 凝 土 柱 的脆 性 破 坏 问题 。故此 ， 考虑 钢管 混凝 土 和箱形 钢柱 的组合 ， 在 保证柱子承载力的情况下可以大大改善箱形钢柱板 件变形过大问题。该组合柱既利用了钢管混凝土 良 好的受力性 能， 又可 以避免 内浇混凝土外鼓 现象。 钢管混凝土柱与型钢柱的研究相对 比较全面 ， 已有 相应 的设计和施工规程、 规范， 钢管混凝土和箱形柱 的组合 尚未有研究。 本文采用 A N S Y S有 限元软件模拟内置钢管混 凝土箱形柱 压弯全 过程 ， 分析 其工 作性 能。先验 证有限元 分析 可靠性 ， 再进 一步探 讨 了钢管 厚度 及荷 载 偏 心 距 等 因 素 对 组 合 柱 极 限 承 载 力 的 影 响 。 1有限元模型 1 1 模 型 设计 本文有限元模 型的高度取 7 5 0 mm， 模型截面尺 寸为 2 4 0 i n n 2 4 0 mm。模型截面见图 1 ， 试件加载 见图 2 ， 具体参数见表 1 。 表 1模型参数 注 ： 表中参数见 图 I和图 2 ， d为钢管外 直径 ， t l为箱形 板件厚 度 ， t 2 为钢管厚度 为混凝 土轴 心抗压 强度 ， 为钢材 屈服强 度 ， e为荷 载偏心距。 收稿 日期 ： 2 0 1 21 03 0 作者简介 ： 赵滇生 ( 1 9 5 7 一 ) ， 男 ， 浙江义乌人 ， 副教授 ， 研究方 向为钢结构 与空间大跨度结构。 第 1期 赵滇生等： 内置钢管混凝土箱形柱压弯强度分析 2 3 2 0 1 MP a ， 钢材屈服强 =2 3 5 MP a ， 改变荷载偏心 距 ， 分别取 e = 2 0 、 4 0 、 6 0 、 8 0 、 1 0 0 、 1 2 0 mm， 相 对应 的荷 载偏 心率 为 e r =0 2 6 7 、 0 5 3 3 、 0 8 0 0 、 0 9 6 5 、 1 0 6 7 、 1 6 0 0 。采用上述有限元模型计算该试件压弯极限承 载力 ， 并绘制出了不同钢管厚度的轴向荷载 一 横 向挠 度关系曲线。见图7 。 图 7 荷载偏心 距对模 型横 向挠度 的影 响 由 图 7可 以看 出 ， 各 试 件 的轴 向荷 载一 横 向挠 度 关 系 曲线 形状 基本 相 同 ， 均 由弹性 阶段 、 弹 塑性 阶段 和破 坏 阶段 三 部 分 组 成 。在 同一 组 试 件 中 ， 偏 心 距 越大 ， 荷载一 横向挠度关 系曲线 的初始斜率越小 ， 弹 塑性 阶段 的过 程 越 短 ， 压 弯 极 限承 载 力 也 越 小 。这 是因为偏心距较大 时， 试件 承受 的弯矩相对轴力 的 影响增大 ， 横截面应力分布 由偏心距较小时 的接近 全截面均匀受压转变为偏心距较大时的弯矩作用拉 压侧 的外 围截 面的拉压为主 ， 在外 围箱形管截面相 同时， 抗弯能力基本不变 ， 则弯矩越大其应力和变形 也增大 ， 即刚度会下降； 而轴力则主要 由内部钢管混 凝土承担 ， 导致钢管混凝土承担压力越多 ， 使核心混 凝 土更早 受 压力 导 致 混凝 土被 压 碎 破 坏 ， 从 而 导致 组合柱压弯极限承载力降低。 此外 ， 大偏 心压弯试件在接近压弯承载力极限 时 ， 曲线趋 于平缓 ， 试件变形随着轴向荷载的增加发 展较快。这说明偏心率较大时 ， 因内部混凝土 可能 处于轻度受压甚至处 于受拉状态 ， 钢管对管内混凝 土的套箍作用发生较晚或减弱 ， 套箍作用降低 ， 对试 件的压弯极限承载力 的提高作用 较小 ， 组合柱 的组 合作用减弱， 试件侧 向变形能力降低， 试件的延性也 有 所减 少 。 4 结 语 本 文采 用 A N S Y S有 限 元 程 序 模 拟 分 析 了 内 置 钢管混凝土箱形柱在压弯荷载作用下的受力 过程 ， 并 与 已有 文献 结果 进 行 了对 比 ， 得到 以下 结论 ： ( 1 ) 有限元程序模拟分析 内置钢管混凝土箱形 柱的压弯性能具有足够 的精度。 ( 2 ) 内置钢管混凝土箱形柱在压弯荷载作用下 具有 良好的弹塑性工作性能与延性工作性能 ， 钢管 对内置钢管混凝土箱形柱的极限承载能力与变形能 力 均有 较 明显 的提 高 。 ( 3 ) 压弯荷载作用 下 ， 钢管厚度对组 合柱受力 后期影响较大 ， 钢管厚度越大 ， 对管 内混凝土的套箍 作用越好 ， 内置钢管混凝土箱形柱极 限承载力越高， 延 性也 越好 。 ( 4 ) 轴 向荷载偏心距对内置钢管混凝土箱形柱 的压弯性能影响较 明显。荷载偏心距越大， 钢管对 管内混凝土的套箍作用越小 ， 内置钢管混凝土箱形 柱的组合作用越不明显 ， 压弯极限承载力也越小， 侧 向变 形 能力有 所 降低 。 参 考 文 献 1 王新 敏 A N S Y S工程结构数值 分析 M 北 京： 人民交通 出版 社 ， 2 0 0 7： 2 8 82 9 1 2 韩林海 ， 冯九斌 混凝土的本构关系模型及其在钢管混凝土数值 分析中的应用 J 哈尔滨建筑大学学报 ， 1 9 9 5 ， 2 8 ( 5 ) ： 2 6 3 1 3 张启 文， 夏志斌 ， 黄友 明， 等 GB 5 0 0 1 7 -2 0 0 3钢结构设 计规范 S 北京 ： 中国计划 出版社 ， 2 0 0 3 4 周绪红 ， 刘界鹏 钢管约束混凝土柱 的性 能与设计 M 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 1 0 ： 7 3 7 5