矩形中空夹层钢管混凝土轴压构件静力力学性能参数分析.pdf

第 3 9卷第 6 期 2 0 1 3年 1 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 41 矩形中空夹层钢管混凝土轴压构件静力 力学性能参数分析 张元凯 ，杨宝山 ( 1 农工商房地产( 集团) 股份有限公司， 上海2 0 0 0 6 0 ； 2 交通运输部公路科学研究院， 北京1 0 0 1 9 1 ) 摘要： 采用正交试验设计方法分析一些关键参数的影响程度， 利用建立的有限元模型分析矩形 中空夹层钢管混 凝土轴压构件在轴压情况下核心混凝土强度、 名义含钢率、 内外钢管屈服强度、 截面长宽比、 截面空心率等参数对 其极限承载力及荷载一 变形关系曲线的影响， 得出了一些有益的结论。 关键词： 正交试验设计方法； 有限元 ； 矩形中空夹层钢管混凝土 中图分类号： T U 3 2 3 1 文献标志码： B 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 4 1 04 0 引 言 根据计算机仿真原理的基本思路， 运用 A N S Y S 有限元软件 对 矩形 中空夹层钢管 混凝土轴 压构 件进行仿真分析， 重点考察一些关键参数对其极限 承载力 、 变形能力和破坏特征的影 响。这些关键因 素包括 ： 核心混凝土抗压强度 、 内外钢管屈服强度 、 外钢管厚度( 名义含钢率) 、 截面空心率、 矩形截面 两边长宽 比等。 文 中所分析 的矩形中空夹层钢管混凝土构件几 何尺寸为 ： 外钢管长边 D外钢管短边 B=3 0 0 m m 2 0 0 m m。钢材弹性模量取为 2 0 6 0 0 0 MP a ， 其抗压 强度与抗拉强度相等， 其他参数在分析中具体说明。 1 轴压构件参数分析 1 1 正交设计方法 参考试验 中常用 的正交试 验设计 方法设计 计算方案。根据此方法 ， 通过改变混凝土强度 、 内外 钢管强度和外钢管厚度 ( 名义含钢率 ) 等 4种参 数 ， 共设计了 9种轴心受压计算方案 ， 各方案具体的 材料参数见表 1 。 表 2给出了各计算构件的极限承载力， 以及按 照正交试验分析进行 的极差计算结果 ， 表 中的 K 、 、 分别为各个水平 ( 保持一个参数取值不变 ， 改 变另外两个参数 的取值 ， 称为一个水 平 ) 相应 的三 次试验强度之和； K 、 ( 2 、 K 3 分别为各个水平的试验 强度的平均值 ， 由各列的 、 、 三数中用最大值 减去最小值求得各列的极差 尺 。 收稿 日期 ： 2 o 1 2 o 5 - o 2 作者简介： 张元凯( 1 9 8 o一 ) ， 男， 工程师， 硕士， 主要从事结构设计。 E ma i l ： k a i 8 0 4 2 9 9 1 6 3 c o rn 表 1 轴压情况下构件参数 表2 轴压试验方案与极差计算结果 例如， 对于外钢管屈服强度这个参数来说， 其 i和K ( i =1 ， 2 ， 3 ) 为： K l =2 1 0 3 0+ 2 8 4 4 1 +3 6 4 2 8= 8 5 8 9 9( 第 1 、 2 、 3号构件试验强度之和) = 3 7 8 6 8+3 3 1 8 5+3 0 1 2 3=1 0 1 1 7 6 ( 第 4 2 四川建 筑科 学研 究 第 3 9卷 4 、 5、 6号构件试验强度之和) K 3=3 6 6 0 8+3 8 7 0 4+3 1 9 3 2=1 0 7 2 4 4( 第 7 、 8 、 9号构件试验强度之和) K1=K1 3=2 8 6 3 3 K2=K2 3=3 3 7 2 5 K3=K3 3=3 5 7 4 8 各列极差 尺的大小 ， 用来衡量试验 中相应参数 作用的大小 。极差大 的参数 ， 说明它的几个水平对 强度所造成 的差别大， 通常是重要的参数 ； 而极差小 的参数 ， 则往往是次要参数。 根据表 2 ， 可以得出如下几点结论 。 1 ) 在其他参数不变 的情况下 ， 随着混凝土抗压 强度 、 外钢管屈服强度 、 内钢管屈服强度 、 外钢管厚 度( 名义含钢率 ) 的增加 ， 矩形中空夹层钢管混凝土 轴压构件的极限承载力随之增大。 2 ) 极差分 析结果 表 明， 外钢 管屈服强度 、 混凝 蓁 一 土抗压强度、 外钢管厚度( 名义含钢率) 和内钢管屈 服强度 四参数对矩形 中空夹层钢管混凝土构件的轴 压极限承载力的影响程度 ， 从大到小依次是 ： 外钢管 厚度( 名义含钢率) 、 外钢管屈服强度、 核心混凝土 抗压强度 、 内钢管屈服强度。 1 2 各参数影响程度分析 1 ) 外钢管厚度( 名义含钢率 口 ) 的影响 计算分析不 同外钢管厚度 ( 名义含钢率 o ) 对 构件极 限承载力的影 响。计算构件 的几何尺寸 、 内 外钢材和混凝土 的材料参数 与正交试验设 计的一 样 。内外钢管屈服强度取 2 3 5 MP a ， 混 凝土抗压强 度取2 4 M P a ， 外钢管( 名义含钢率 口 ) 的厚度分别取 为 3 mm、 4 mm、 6 m m、 8 m m、 1 2 m m( 名义含钢率分 别为0 0 5 、 0 0 7 、 0 1 1 、 0 1 5 、 0 2 3 5 ) ， 计算在不同厚 度情况下构件的荷载一 应变曲线( 图 1 ) 。 图 1 不同名义含钢率情况下的荷载一 应变关系曲线 从 图 1中可以看 出， 在外钢管较薄的情况下 ， 构 件承载力有明显的下降段， 且延性相对较差； 当外钢 管厚度达到一定程度时 ， 承载力经过较短的下 降段 后基本不变 ， 承载力没有 明显的下降 ， 延性很好 。从 图中可以看出， 构件极 限承载力随外钢管厚度 的增 加而增大， 基本成线性关 系， 且外钢管厚度越大 ， 构 件极限承载力提高系数越大。 2 ) 外钢管屈服强度的影响 图 2所示为外钢管屈服强度对轴压构件极限承 载力的影响。可见 ， 在其他条件相 同的情况下 ， 随着 外钢管屈服强度的提高 ， 构件 的极限承载力也 随之 提高。构件极限承载力随外钢管屈服强度的增加而 增大 ， 基本成线性关系。但是 ， 外钢管屈服强度的提 高并不能显著提高构件的延性。 图2 不同外钢管屈服强度情况下的荷载一 应变关系曲线 3 ) 核心混凝土抗压强度的影响 图 3为不同混凝土抗压强度条件下矩形 中空夹 层钢管混凝土构件荷载一 应变 曲线 ， 可见 ， 在其他条 件相同的情况下， 随着混凝土抗压强度的逐渐提高， 构件的极限承载力逐渐增大。从 图中可 以看 出， 混 凝土在其他参数不变的情况下， 提高核心混凝土抗 张元凯 ， 等： 矩形中空夹层钢管混凝土轴压构件静力力学性能参数分析 4 3 压强度能够提高构件的极 限承载力 ， 但构件 的延性 度的提高而增大 ， 基本成线性关系。 没有 明显 的提高。构件轴压承载力随混凝土抗压强 、 幅 晕 图3 不同混凝土抗压强度情况下的荷载- 应变关系曲线 4 ) 内钢管屈服强度的影响 图 4所示为内钢管屈服强度对构件极限承载力 的影响， 可见 ， 在其他条件相 同的情况下 ， 随着 内钢 管屈服强度的提高 ， 构件 的极 限承载力也随之提高 ， 但提高的幅度不大。 图4 不同内钢管抗压强度情况下的荷载一 应变关系曲线 从图5中可以看出在相同情况下， 外钢管对构 件极限承载力提高系数明显高于内钢管。 图5 内外钢管屈服强度对于承载力 影响作用曲线 5 ) 截面长宽比的影响 保持构件的截面面积和名义含钢率不变， 改变 构件截面的长宽比， 计算分析截面长宽比对承载力 的影响情况。计算中取内、 外钢管的屈服强度都为 2 3 5 M P a ， 混凝土单轴抗压强度为2 4 M P a ， 弹性模量 为 3 0 0 0 0 MP a ， 空心率为 0 2 5 。 表3是构件极限承载力随截面长宽比的变化情 况 ， 从 中可以看出， 随着截 面长宽 比的增 大， 矩形中 空夹层钢管混凝土轴压构件的极限承载力变化幅度 不大。 表 3 不同截面长宽比的计算结果( 名义含钢率0 0 5 ) 构件编号 1 2 3 4 5 外钢管厚度 t mm 3 0 6 3 3 0 5 3 2 8 8 4 2 6 4 4 截 面长 宽比 丑 D 1 1 2 1 5 2 3 极 限承载力 k N 2 1 0 2 7 2 1 0 1 8 2 1 0 3 0 2 1 0 2 2 2 1 0 1 2 外钢管用钢量 mm 2 9 6 4 2 2 9 6 3 4 2 9 6 4 2 9 6 3 8 2 9 6 3 5 图 6是不同截面长宽比的荷载一 应变曲线 ， 可以 看出， 当截面长宽 比大于 1 5时 ， 随着截面长宽 比的 增大， 极限承载力略有下降， 但变化幅度不大。且截 面长宽比越大时 ， 计算在较小 的变形时就因发散 而 中断 ， 这表明钢管混凝土的延性 随长宽 比的增加 而 减少。 6 ) 截面空心率影响分析 同前面分析一样， 保持构件的截面面积 2 0 0 m m 3 0 0 m m和名义含钢率不变， 改变构件截面的空心 率， 计算分析截面空心率对构件承载力的影响。计 算中取内外钢材的屈服强度都为 2 3 5 M P a ， 混凝土 单轴抗压强度为2 4 M P a ， 弹性模量为3 0 0 0 0 M P a ， 四川建筑科学研究 第 3 9卷 互 R 辐 * 图6 不同截面长宽比情况下的荷载一 应变关系曲线 内、 外钢管厚度都取 3 m m， 空心率分别为 0 、 2 5 、 3 6 、 4 9 、 6 4 。表 4是不 同构件 的尺寸及 极限承载力情况。 表 4 不同截面空心率的计算结果 图7 是不同截面空心率的荷载一 纵向应变曲线。 可以看出， 当截面空心率较大时， 计算在较小的变形 时就因发散而中断， 这表 明钢管混凝 土的延性随截 面空心率的增加而减少。同时随着截面空心率的增 大， 轴压构件的极限承载力呈下降趋势； 且随着截面 空心率的增大， 承载力下降的幅度越大。从图中可 以看出， 在截面空心率小于 0 3时， 承载力变化不是 很明显 ， 当截面空心率大于0 3 时， 构件的极限承载 力下降的趋势很明显。 。 。 。 f _ 。 I 一截面空心率变化与 5 o 0 极限承载力的关系 l 一 图 7 不同截面空心率情况下的荷载一 应变关系曲线 2 结 论 1 ) 在其他参数保持不变的情况下， 随着核心混 凝土抗压强度 、 内外钢管屈服强度 、 外钢管厚度( 名 义含钢率 ) 的增加 ， 矩形 中空夹层 钢管混凝土构件 的轴压承载力增大。这4个参数对轴压构件极限承 载力的影响从大到小依次是： 外钢管厚度( 名义含 钢率 ) 、 外钢管屈服强度 、 核心混凝土抗压 强度 、 内 钢管屈服强度 。 2 ) 构件承载力随着名义含钢率的增加而增大， 基本呈线性关系。在名义含钢率较低的情况下， 构 件延性相对较差 ； 当名义含钢率达到一定程度时， 构 件延性有明显提高， 荷载一 应变曲线没有明显的下降 段。 3 ) 在其他条件相同的情况下， 外钢管屈服强度 与核心混凝土抗压强度对矩形 中空夹层钢管混凝土 轴压构件承载力 的影响程度 大致相 当， 且二者基本 都呈线性关系。相比较来说提高核心混凝土的强度 更能提高构件的延性 。 4 ) 内钢管屈服强 度的提高对构件 的极 限承载 力提高影响不是很大 ， 明显低于外钢管屈服强度对 构件极 限承载力 的影响程度。 5 ) 随着截面长宽比的增大， 矩形中空夹层钢管 混凝土轴压构件的极限承载力略有降低 ， 但降低幅 度很小， 只是构件延性有所下降。 6 ) 随着截面空心率的增加， 构件的轴压极限承 载力也有所降低， 当截面空心率小于0 3时承载力 下降不明显， 当空心率超过 0 3时， 构件承载力下降 速度加快 ， 幅度增大 ， 且构件延性降低。 参 考 文 献： 1 A N S Y S 用户培训手册 R 北京： A N S Y S 中国， 2 0 0 0 2 洪 伟， 吴孙祯 实验设计与分析原理 操作 案例 M 北京： 中国林业出版社， 2 0 0 4 3 吕烈武， 沈士钊， 等 钢结构构件稳定理论 M 北京： 中国建 筑工 、 l 出版社 1 9 8 3