矩形钢管混凝土构件基本剪切性能研究.pdf
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1、2 0 1 0年 第 3期 铁道建筑 Ra i l wa y En gi n e e r i ng 1 09 文 章编 号 : 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 1 0 9 0 3 矩形钢管混凝土构 件基本 剪切性能研 究 史艳 莉 , 陈宇超 , 王文达 ( 1 兰州理 工大学 土木工程 学院 , 兰州7 3 0 0 5 0 ;2 辽东学院 城市建设学院 , 辽 宁 丹东 1 1 8 0 0 1 ) 摘 要 : 基 于 A B A Q U S软 件 , 建立 了圆形及 矩形钢 管混 凝 土构件 纯剪 时 的数值 模 型 , 并 经 圆形及 方形 构件 纯剪试
2、 验结 果对理 论模 型进 行 了验证 , 对 矩形截 面钢 管混凝 土 构件 纯 剪 受力 下 的 力学性 能 进行 了参数 分析 , 建议 了矩形 钢 管混凝 土构 件 纯剪 受力下极 限抗 剪承 载 力的计 算公 式。 关键词 : 矩形钢管混凝土 纯剪 力学性能 数值模拟 参数分析 中图分 类号 : T U3 9 8 文 献标 识码 : A 目前 , 对矩形 钢 管混 凝 土 构 件 轴压 、 压 弯 、 纯 弯等 荷 载作 用下 的力 学性能 和设 计方 法 的研 究较 多 。 , 对 其在横向受剪情况下的设计方法很少见报道, 对钢管 混凝土 剪切性 能 的研究 主要 集 中在 圆形
3、截 面和方 形截 面构件 方 面 , 如 文 献 4 进 行 了 圆形 钢 管 混 凝 土构 件 的剪切 试验研 究 , 文献 5 进 行 了 1 8个 圆钢 管 混凝 士 试 件 和 1 1 个方 钢混 凝 士试件 的剪 切试 验研 究 。 本 文基 于 A B A Q U S软件 分 别建 立 了圆 形 、 方形 及 矩 形钢 管混凝 土构 件横 向受 剪时 的三维 有 限元数 值分 析模 型 , 并基 于此理 论模 型 , 进 行 了 1 0 8个 矩形 钢 管混 凝 土构 件纯剪 受力 时 的参 数 分 析 , 得 到 了各 主要 参 数 对 其荷 载一 变形 曲线 的影 响规律 。
4、1 有限元模型 的建 立 1 1材 料模型 建 立矩形 钢管 混凝 土构 件在横 向剪 切 时有 限元模 型时 , 合 理 的 材料 模 型 是 数 值 模 拟 成 功 与 否 的 关 键 。 本 文在 建立其 A B A Q U S有 限元 模 型 时 , 钢 管 采 用 弹塑 性材 料模 型 , 其 中低 碳 软钢 的应 力一 应 变关 系采 用 二 次塑流模型 , 高强钢材则采用线性强化模型 , 具体表达 式见 文献 1 。核心 混凝 土采用 A B A Q U S中 的混凝 土 塑性 损伤 模型 , 混 凝 土 单轴 受 压 等 效应 力 一应 变 关 系 采用文献 1 中表达式 ,
5、混凝土受拉 时的软化性能采 用 A B A Q U S中 提 供 的 应 力一 断 裂 能 表 达 式 。构 件 两端 的加载板是 为避 免加 载过 程 中产 生应 力集 中而设 的 , 加 载板定 义为 不 可变 形 的弹性 材 料 , 在有 限元模 型 收 稿 日期 : 2 0 0 9 - 0 7 3 0; 修 回 日期 : 2 0 0 9 1 2 - 1 2 基金项 目: 甘肃省 高等学校研究生导师科研项 目计划 ( 0 7 0 3 B -05 ) 兰州理工大学博士基金( S B 0 4 2 0 0 8 0 1 ) 。 作者简介: 史艳莉 ( 1 9 7 7 一) , 女 , 河北涿州人
6、, 讲 师, 硕士。 中其弹性模量可定义为 1 0 M P a , 泊松比为0 0 0 0 1 。 1 2单元模 型 、 接 触模 型及 网格 划分 混凝 土 、 钢 管 、 加 载板三 者均 采用 8节点 缩减积 分 格式 的 C 3 D 8三维 实体 单元 。钢 管 和核 心 昆凝 土之 间 的接 触考虑 法 向接触 , 采用 大刚度 接触 单元来 模 拟 , 切 向接 触采 用 库 伦 摩 擦 来 模 拟 。钢 管 及 混 凝 土 与 加 载板 均采用 绑定 约束 , 保 证 加 载板 和混 凝 土 在 接触 面 上位 移一致 。网格划 分采用 网格 试验 的方 法来确定 合 理 的网格
7、密 度 。典 型 的矩形 钢管 混凝 土构件 横 向受 力 分 析 的有 限元模 型见 图 1 。 固 定边 界条件 图 l 矩形钢管混凝士构件纯剪有 限元 网格及边界条件 1 3荷 载施 加及边 界条 件 矩 形钢 管混凝 土构 件纯 剪模 型试件 通过施 加横 向 位 移进 行求 解 , 位 移荷 载 施 加 分为 强 轴 和 弱轴 两个 方 向, 横向位移施加于加载板顶端 , 底端采用 固定约束。 典 型 的构件 荷载及 边 界条件 施加模 式见 图 1 。 2 模 型验证 由于未 搜 集 到 矩 形 钢 管 混 凝 土构 件 纯 剪 试 验 数 据 , 图 2和 图 3中仅 给 出 了
8、部分 圆形 和 方 形 钢管 混 凝 土 纯剪构 件试 验 结 果 的荷 载一 变形 ( P 一) 全 过 程曲线 对 比。其 中 , P 为剪 力 , 为试 件 变形 。 可 见 , 理论计算与试验结果总体上吻合较好 , 部分存在一定 差 异 , 主要原 因是钢 管 混 凝 土构 件 纯 剪 受 力试 验 的实 l l 0 铁道建筑 Ma r c h, 2 0 1 0 注: D为圆形试件截面直径, t 为钢管壁厚 为钢材屈服强度 为混凝土强度 , m为剪跨比。 图 2 圆形钢管混凝土构件横 向受剪时理论与试验 P 一关系 曲线 比较 注 : 为方钢管构件截 面边长。 图 3 方形钢管混凝土构
9、件横 向受剪时理论 与试验 P 一关系曲线比较 际边界 条件 与理 论模 型 的 边 界 条 件之 间 有 一定 的差 异 , 使试 验测试得 到的试件 刚度小 于理论计算 结果 。 3 典型破坏模态分析 由图 4 ( a ) 可见 , 矩形 钢管 混凝 土强 轴方 向受剪 时 角点的主应力分布较其它位置集 中, 非受剪面 比直接 受剪 面主应力 大 , 构 件屈 服 时非 受 剪 面 向外 翘 起 。图 4 ( b ) 为 弱轴方 向受剪情 况 , 同样可 以看 到角 点 处主 应 力较为集 中 , 弱轴方 向受剪 时 非受 剪 面主 应力 大 于受 剪面 主应 力 , 屈服 时非受剪 面
10、向外翘 起 , 且非 受剪面翘 起 比绕强轴受剪时更 明显, 弱轴方向非受剪面的对应 的应力小 于强轴方 向非受剪 面对应 的应 力 。 蹈 黪 隧 锤 豳 ( a )强轴方 向 f b )弱轴方 向 图 4 矩形钢管混凝土纯扭 构件达到 极限承载力时刻的应力分布图 4 参数分析 为进 一步 了解 较大参 数范 围内矩形钢 管混凝 土构 件横 向受 剪时 的力 学性 能 , 基 于 以上 有 限元 数值 分 析 模型, 选取典型算例进行参数分析。典型算例 的基本 条件为 : 截面高宽比卢=1 5 ( 定义 =D I B, 其 中, D为 矩形构 件截 面长边尺 寸, 曰为其 短边 尺寸, B=
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