双肢钢管混凝土短柱轴压力学性能研究.pdf

王波等 ： 双肢钢管混凝土短柱轴压力学性能研究 5 7 DOI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i a w j z 2 0 1 5 0 2 0 2 3 双肢钢管 混凝 土短柱轴压 力学性能研 究 王波 ， 王艳晗 ( 北京林业大学水土保持学院 ， 北京1 0 0 0 8 3 ) 【 摘要】 为研究双肢异形钢管混凝土短柱轴压力学性能受肢间夹角的影响， 利用有限元软件 A B A Q U S 建 模对夹角为9 0 。 的双肢异形钢管混凝土短柱轴心受压进行了计算 ， 计算结果与试验结果符合 良好 。在此基础上， 建立了肢间夹角为 9 0 。 、 1 0 5 。 、 1 2 0 。 、 1 3 5 。 、 1 5 0 。 、 1 6 5 。 、 1 8 0 。 模型， 对其力学性能与夹角之间的相互作用进行了分析。 通过对比不同规范下钢管混凝土柱的轴压承载力， 给出适用于双肢异形钢管混凝土短柱的承载力计算公式。 【 关键词】 桥梁工程 ； 双肢异形； 夹角； 有限元模型； 轴压 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 5 7 0 3 S TUD Y o F BEHAVI oR oF DoUBLE C0M Po E r l C0NCRETE- FI LLED S T EEL TUBE S TUB CoLUMNS S UBJ ECTED TO AXI AL COMPRES S I oN W ANG Bo， W ANG Ya n h a n ( S c h o o l o f S o i l a n d Wa t e r C o n s e r v a t i o n ， B e i j i n g F o r e s t r y U n i v ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r de r t o s t u d y t h e me c ha n i c a l p r o pe r t i e s o f d o u b l e c o mp o n e n t c o nc r e t e fil l e d s t e e l t u be s t u b c o l u mn s i n fl u e n c e d b y t h e a n g l e u n d e r a x i a l c o mp r e s s i o n， t h e s i mu l a t i o n a n a l y s i s f o r 9 0 。 d o u b l e c o mp o ne n t c o n c r e t e -fil l e d s t e e l t u be s t u b c o l u mn u n de r a x i a l c o mp r e s s i o n wa s c a r rie d o u t wi t h fin i t e e l e - me n t A B A Q U S ， a n d t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s a n d e x p e r i m e n t r e s u l t s w e r e p r o v e d i n a g r e e me n t w i t h e a c h o t h e r On t h i s b a s i s， t h e mo d e l o f9 0。， 1 05。 ， 1 2 0。， 1 3 5。， 1 50。， 1 6 5。， 1 8 0。we r e c a r r i e d o ut a nd t h e i n t e r - a c t i o n b e t we e n t h e me c h a n i c a l pr o pe r t i e s a nd t h e a n g l e wa s a n a l y z e d Ba s e d o n c o mp a r i n g t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e u n d e r d i f f e r e rt s p e c i fi c a t i o n s ， a p r a c t i c a l c a l c u l a t i o n f o r mu l a f o r u l t i ma t e b e a r i ng c a pa c i t y o f d o u b l e c o mp o ne n t c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u be s t u b c o l u mn s wa s p r o p o s e d Ke y wor ds： b r i d g e e n g i n e e rin g； do u b l e c o mp o n e nt ； a n g l e； fini t e e l e me n t mo d e l ； a x i a l c o mp r e s s i o n 目前， 钢管混凝土异形柱的研究已取得一系列成果 ， 但 主要集中在 T形 、 十形、 L形截面。对 L形截面( 即夹角为 9 O 。 的双肢异形截面 ) 钢管混凝 土柱 的轴压 承载力 的研究 主 要集 中在 力 学性 能 和 工作 机 理上 ， 以及 截 面宽 厚 比 、 长 宽 比、 约束 拉杆和加劲肋 对柱 的承载 力及 延性 的影 响 - 3 ， 而 肢间夹角对钢管混凝土柱( 图 1 ) 的影响研究比较少。为此 ， 本文将采用有 限元 软件 A B A Q U S对 夹 角为 9 O 。 时 轴心 受压 进行计算， 并与试验数据进行比较， 用以验证该方法的可靠 性 。在此基础上 ， 对不 同肢 间夹 角 的受 力性 能进行 分析 ， 通 过对比不同规范下的承载力， 给出适用于双肢异形钢管混 凝土短柱的承载力计算公式。并考察了长宽比和宽厚比对 其力学性能的影响。 1 有 限元分析模 型 ( 1 ) 试件的基本参数。利用文献 3 中的试验数据 ， 采用 A B A Q U S ， 对夹角为9 0 。 的双肢异形钢管混凝土柱轴压 试验进行有限元分析， 试件参数见表 1 ， 截面示意图见图 1 。 ( 2 ) 材 料的本构关系 。钢材 采用 等向弹塑性 模型 ， 钢 材的应力 一 应变关系曲线 。混凝土本构关系采用塑性损 伤模 型。核 心混凝土等效应力 一 应 变关系模型 。 表 1 试件基本参数 图 1 试件截 面示意图 ( 3 ) 建立有限元模型。混凝土和加载板采用 C 3 D 8 R 单元， 钢管采用 S 4 R单元。加载板采用刚性体模拟。加载 5 8 低珏 矗 建筑技术 2 0 1 5年第 2期( 总第 2 0 0期 ) 板和钢管之间的约束形式采用壳 一实体耦合， 与混凝土的 约束形式 为 绑定 。钢 管 和混 凝 土之 间采 用面 一面接 触 单 元 ， 沿接触面切向采用库伦摩擦及小滑移， 允许材料分离但 不允许互相穿透 。 2 计算结果及分析 ( 1 ) 有限元模型验证。图2给出了文献 3 中的试验 结果和有限元计算结果的对 比。由图可见， 有限元模型计 算结果与试验结果比较吻合。 ( 2 ) 夹角 0 对构件的影响。试验参数见表2 。 3 0 o 0 2 5 o 0 2 0 o 0 7 耋 1 5 0 0 1 o ( ) 0 5 o o 0 4 2 o 0 3 6 ( ) o 3 0 ( ) o 至 2 4 0 0 l 8 0 o l 2 0 o 6 0 o l 0 O 其中， v为有限元分析的承载力， ， 为名义承载力， 取 ，= f , a + LA 。 由图 3可知 ， 随着夹角 的增大 ， 构件 N N o 在逐 渐减小 ， 在 1 6 5 。 之前减小较慢， 之后下降的幅度较大。由于 1 6 5 。 之 前 ， 钢管的约束作用， 随着夹角的增大， 约束的效果在逐渐 减小 ， 但是变化不大， 而当大于 1 6 5 。 后 ， 钢管的约束作用突 然下降， 此时接近钢管混凝土剪力墙。到了 1 8 0 。 时， 已成为 钢管混凝土剪力墙， 此时的约束作用明显减小， 因此承载力 急速下降。 应变 应变 ( a ) 试件L 一 0 1 ( b )试件L O 2 图2 计算结果与试验结果的对 比 表 2 短柱轴压 承载 力计算值 夹角口 ) 图3 承载力一 夹角曲线 注： 为有限元计算的数他， 混凝土约束效应系数 I：( N L A ) A ， =( NN o ) N O 徐广洋等 ： 结构 阻尼比对地震反应能量的影响 5 9 DO I ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i 。 d w j z 2 0 1 5 。 0 2 0 2 4 结构 阻尼 比对地震反应能量 的影 响 徐广洋 ， 鲍文博 ， 罗滢 ( 沈p l - r 业大学建筑工程学院 。 沈阳1 1 0 8 7 0 ) 【 摘要】 通过 p e r f o r m - 3 d 软件基于能量平衡原理， 对一钢筋混凝土框架结构在地震波不同结构阻尼比对总 输人能、 滞回耗能、 阻尼耗能的变化规律、 滞回耗能和阻尼耗能占总输入能的比例关系， 结果得出： 随结构阻尼比 的增大， 总输入能减小， 滞回耗能减小， 阻尼耗能增加 ， 滞回耗能占总输入能的比例减小 ， 阻尼耗能 占总输入能的 比例先增加后增加 ； 能量及能量比例增加或减小的速度开始非常迅速， 然后慢慢趋于平缓稳定； 能量和能量比例 与结构阻尼 比的关系都可以拟合成指数关系曲线。本文通过选取大量地震波统计分析了震中距对能量比例无明 显影 响。 【 关键词】 p e rf o r m 一 3 d ； 钢筋混凝土框架； 结构阻尼比； 震中距 【 中图分类号】 T U 3 5 2 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 5 9 一 o 4 结构在动力荷载的作用下之会发生振动， 当荷载消失 时， 结构的振动将会慢慢的变弱直至静止状态 ， 这种使结构 的振动逐渐减弱主要是因为结构有阻尼的存在。黄宗明 学者认为阻尼值是结构动力反应时的惯性力 一位移滞 回曲 线所包围的面积与相同位移条件下在静力加载的外力 一位 移滞回曲线所包围的面积的差值。阻尼与刚度和质量一样 是结构动力特性之一。阻尼比是能反映结构耗能能力的参 数， 它是通过结构阻尼换算而来 ， 它对研究结构的振动反应 有着及其重要的意义。为了便于计算， 结构设计阶段通常 取阻尼比为常数。 H o u s n e r 【 2 “和 N e w m a r k 建议在建筑结构设计中， 按 照不同结构和内力等级采用不同的阻尼比。在弹性工作阶 段， 钢结构建筑的阻尼比在 1 2 之间， 钢筋混凝土结构 建筑的阻尼比在 3 8 之间； 当结构进人弹塑性工作阶 o o0 0o 0 0 oo o o oO 0 0 0O oo oo 0o O0 00 0O o o 0o 00 00 o 0 oo o O oo o O oO oo o 0 oo oo 0o o0 00 oO 0o oO 0o o0 OO 0 O oO oO o 0 oo oo 0 o oo o 表 2为不同夹角下短柱试件的承载力， 由表可知， 按照 我国 D B J 规范和我国军用标准 G J B 所得承载力均值较 模拟值高 1 0 ， 说明在约束效应系数 ( =f , a k A ) 相 同时， 矩形钢管混凝土的约束作用强于双肢异形钢管混凝 土。按照 日本建筑学会 A I J E 。 规范、 美国混凝土协会 A C I 规范和欧洲的 E C 4 【 】 。 规范所得承载力计算值低于有限元计 算值。而按照我国 C E C S 【 I 规范所得的承载力(N u=f , A 。 + A ) 与有限元计算值最为接近。 3结 语 ( 1 ) 本文利用 A B A Q U S建模， 模拟夹角为 9 O 。 时双肢 异形钢管混凝土短柱轴压荷载 一变形曲线关系， 结果与文 献 3 的试验结果比较吻合。 ( 2 ) 肢间夹角在 1 6 5 。 之前变化时 ， 双肢 异形钢管 混凝 土柱承载力随肢间夹角的增大变化不大 ， 但当大于 1 6 5 。 时， 随夹角变大， 承载力急剧下降。 ( 3 ) 现有 G J B 、 D B J 、 A C I A I J和 E C 4规程中的钢管混 凝土计算方法与有限元模拟值相差较大， 而 C E C S规程的算 法与模拟值比较接近 ， 所 以在计算双肢异形钢管混凝土短 柱承载力时， 建议采用 C E C S规程的算法。本文研究对异形 柱的设计分析与工程应用具有一定的参考价值。 参考文献 1 韩林海 钢管混凝土结构 ： 理论 与实践 M 2版 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 o 7 ： 1 5 2 雷敏， 沈祖炎， 李元齐， 等 异形钢管混凝土柱研究现状 J 结构工程师， 2 0 1 3 ， ( 3 ) 3 林震宇 ， 沈祖炎 ， 罗金辉 ， 等 L形钢管混凝土轴压短柱力 学性 能研究 J 建筑钢结构进展 ， 2 0 0 9 ， ( 6) 4 丁发兴， 余志武 钢管混凝土短柱力学性能研究一理论分析 J 工程力学 ， 2 0 0 5 ， ( 1 ) 5 刘林林 ， 屠永清， 叶英华 基于A B A Q U S的钢管混凝土 L 形柱 有限元分析 J 沈 阳工业大学学报 ， 2 0 1 1 ， ( 3 ) 6 D B J I 3- 5 1 -2 0 0 3 ， 钢 管混凝 土结构技术规程 s 7 G J B 4 1 4 22 0 0 0 ， 战时军港抢 修早强型组合结构技 术规 程 s 8 A r c h i t e c t u r a l I n s t i t u t e o f J a p a n R e e o mmc d n a t i o n s f o r d e s i g n and c o n s t r u c t i o n o f c o n c re t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r s t r u c t u r e s S A r c h i - t e c t u r a l I n s t i t u t e o f J a p a n， T o k y o， 1 9 9 7 9 A C I 3 1 8 - 0 8 B u i l d i n g c o d e r e q u i r e m e n t s f o r s t r u c t u r a l c o n c re t e a n d c o m m e n t a r y S A m e r i c a n C o n c re t e I n s ti t u t e C o m m i tt e e ， 2 0 0 8 1 O E u r o e o d e 4 ：D e s i gn o f c o mp o s i t e s t e e l a n d c o n c r e t e s t r u c t u r e s P a r t 1 一 l： G e n e r a l r u l e s a n d r u l e s f o r b u i l d i n g s s E u re p e a n C o mmi t t e e f o r S t a n d a r d i z a t i o n， Brus s e l s ， 2 0 0 4 1 1 C E C S 1 5 9 2 0 0 4 ， 矩形钢管混凝土结构技术规程 s 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 2 1 作者 简介 王波( 1 9 8 7一) ， 男 ， 陕西兴平人 ， 硕 士研究 生， 研究方 向 ： 钢 管混凝土结构。