冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱压弯性能研究.pdf

浙 江建 筑 ， 第 2 9卷 ， 第 7期 ， 2 0 1 2年 7月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 2 9，No 7， J u 1 2 0 1 2 冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱压弯性能研究 On Co mp r e s s i o n - b e n d i n g Pe r f o r ma n c e o f Co n c r e t e f i l l e d Th i n 。 wa l l e d S t e e l T u b u la r Co mp o s i t e Co l u mn s wit h S q u a r e Cr o s s - s e c t io n 赵 滇 生 ， 戴 一虎 ZHAO Di a n s h e n gDAI 一 hu ( 浙江工业大学建筑工程学院， 浙江 杭州 3 1 0 0 3 2 ) 摘 要 ： 利用 AN S Y S有限元程序 ， 分析 了冷弯薄壁方钢管混凝 土组合柱在偏压荷载作用下 ， 两 种材料协 同工作 能力 以及偏心 率 、 混凝土强度 、 长细比及钢管厚度 ， 对组合柱压弯承载力的影 响。最后得 出一些有益的结论。 关键词 ： 薄壁方钢管混凝 土柱 ； 混凝土强度等级 ； 偏心率 ； 含钢率 ； 长细 比； 承载力 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 9 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 83 7 0 7( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 2 1 0 4 由于 砂 石 资 源 的趋 紧和 对 社 会 环保 意 识 的增 强 ， 低 层轻 型钢 结 构 住 宅体 系 的优 势逐 渐 凸显 。 目 前 ， 各 国对 普通 方钢 管混凝 土柱 的研 究趋 于成熟 ， 已 先后 推 出一 系 列 钢 管 混 凝 土 结 构 的 技 术 规 程 。 钢管对混凝土的套箍作用有效地提高了混凝土的抗 压强度和变形能力 ； 而内填混凝土提高 了钢管管壁 的侧 向刚度 ， 两者有很好 的协 同工作能力。但 目前 对冷弯薄壁方钢管混凝土结构的研究成果较少 ， 也 没有相应 的技术规程 。本 文利用大型有 限元 程序 A N S Y S对薄壁方钢 管混凝 土组合 柱压弯性能进行 数值模 拟计 算 ， 分析 了影 响 薄壁 方 钢 管 混凝 土 组 合 柱压弯承载能力 的主要因素。 1 非线性有 限元模型的建立 1 1 试 件 设 计 本文 着重分 析 不 同偏 心率 、 混凝 土强 度 、 钢 管厚 度及 长 细 比 的试 件 的 受 力性 能 。试 件 截 面 见 图 1 。 试件 具体 参数 见 表 1 ， 所 有 试 件 的界 面 边 长 b均 为 1 2 0 mm， 钢 材均 采用 Q 3 4 5 ， 为 3 4 5 MP a 。 1 2单 元 选取和 网格 划分 有 限元模 型 中混 凝 土采 用 S O L I D 6 5单 元 ， 该 单 元 具有 8个 节 点 ， 每 个 节 点 有 、 y 、 3个 方 向 的位 移 ， 可 用于模 拟 混凝 土 的开 裂 ( 三 个 正 交 方 向 ) 、 压 碎 、 塑性变 形及 徐变 。 ，L 1 L 图 1 冷弯薄璧方钢管混凝土组合柱截面 上 下 刚性 垫 板 采 用 S O L I D 4 5单 元 ， 该 单 元 有 8 个 节点 ， 每个 节点 在空 间坐标 上有 3个平 移 自由度 ， 此单元可用于塑性、 蠕变、 应力硬化 、 大变形 以及应 变 分 析 。 薄壁方 钢 管 采 用 S H E L L I 8 1单 元 ， 该 单 元 有 4 个 节 点 ， 每个 节 点有 3个 平 移 自由度 和 3个 转 动 自 由度 ， 适用于薄到中等厚度 的壳结构 ， 具有大应变、 大挠度、 大转动的非线性特性 ， 和弹塑性 、 应力刚化 等特 性 。模 型 网格划 分见 图 2 。 1 3本 构模 型与破 坏 准则 的选取 ( 1 ) 本文采用了文献 2 ： 葩充分考虑约束效应 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 32 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、 空间结构 。 2 2 浙江建筑 2 0 1 2年第 2 9卷 表 1 试件参数 注 ： 表中 b为方钢管边长 ， z 为柱高 ， 为混凝 土抗压强度标 准值 ， 为钢管屈服强度 ， e为荷载偏 心距 ， t 为钢管厚度 。 图 2 冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱单元划分 系数 影 响的基 础 上 ， 提 出 的核 心混凝 土 应力 ( 。 ) 一 应变( ) 关系模型如下 ： 当 。 时 ， = 。 【 A 一 曰 ( ) c 当 。 占 。 时 ， c r o 注 ： 式( 1 ) 、 式 ( 2 ) 中具体参数意义及取值详见文献 ， 2 。 核 心 混 凝 土 采 用 了 Wi l l i a m Wa r n k e r 五 参 数 破 坏 准则 。 ( 2 ) 冷 弯 薄 壁 型 钢 、 上 下 刚 性 垫 板 采 用 了 V o n Mi s e s随动强 化准则 ， 本 构关 系采 用 了双线性 随 动强 化模 型 ( B K I N) ， 见 图 3 。材 料 屈 服 强度 和 初 始 弹性 模量 按 相应 的材性 试 验 确 定 ， 进 入 塑 性 强 化 阶段 切 线模 量 E 取 为初 始 弹性模 量 E的 0 0 1 倍 。泊松 比 图 3钢材 的应力应变 曲线 2 参数 分析 本文对表 1中冷弯薄壁方钢管混凝土偏压试件 进行初步的参数分析 ， 得到各试件轴 向压力 一柱长 度中点挠度曲线 。再深入讨论偏心率 、 混凝土强度、 钢管厚度 、 构件长细比等参数 ， 对冷弯薄壁方钢管混 凝土偏压构件力学性能的影响。 2 1偏 心率 的影 响 根 据试件 S 6。1 5 2 01 5 S 61 54 0 4 5等 9个试 件 的有 限元计 算 结 果 ， 绘制 出混 凝 土强 度 相 同而偏 心率 不 同的试件 的轴 向压 力 一柱 长度 中 点挠度曲线 ， 见图 4 。 量 图 4相同混凝土强度不 同偏心距对试件横向挠度的影响 7 弓 厂 第 7期 赵滇生等： 冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱压弯性能研究 一一 分 析 图 4可知 ： ( 1 ) 各试 件 的轴 向压力 一柱 长 度 中点 挠 度 曲线 均 由弹性 、 弹塑性 和下 降破 坏 3个 阶段 组 成 。 弹性 极 限荷 载 为最大 荷载 的 0 6 0 7倍 。 ( 2 ) 随着 偏 心 率 的增 加 ， 试 件 的 极 限 承 载 力 减 小 ， 但其 变形 能力 有所 提高 。小 偏心 率时 ， 偏心 距 的 影响较大； 反之亦然。大偏心率时 ， 相 同偏心距混凝 土强度 等级 低 的柱 承 载力 下 降 幅 度 小 ， 混凝 土强 度 等级高的下降幅度大。 2 2核 心 混凝 土强度 的影 响 根据 3组偏 心率相同的试件的有限元计算结 果 ， 分别给出偏心率相 同而混凝 土强度不同的试件 的轴 向压力 一柱 长度 中点 挠度 曲线 ， 见 图 5 。 55 0 5 0 0 4 5 0 4 0 0 3 5 O 堇3 0 0 窆 2 5 0 20 0 1 5 0 1 0 O 5 0 0 3 5 0 翟 0 图 5相 同偏心距不 同混凝土强度对试件横 向挠度 的影 响 根据 图 5嗌线 变化规 律 可 以知道 ： ( 1 ) 组 合柱 受力 初期 轴 向压 力 一柱 长度 中点挠 2 3 度 曲线几乎重合 ， 随着混凝土强度的提高， 柱弹性阶 段 也 随之增 长 。 ( 2 ) 随着混凝土强度 的提高 ， 组合柱极限承载 力也 随之增 加 。随 着偏 心 率 的增 大 ， 混凝 土强 度 等 级 对柱 极 限承载 力 的影 响 随之 减小 。 2 3 钢 管厚 度 的影 响 根据 3组偏心距分别相同， 但方钢管厚度不 同 试件 的有 限元计 算 结果 ， 分 别 绘 出轴 向压 力 一柱 长 度 中点挠度 曲线 ， 见 图 6 。 重 A mm 图 6 相同偏心距不 同方钢管厚度对试件横向挠度的影响 根据图 6曲线的变化规律可 以得 出以下结论 ： 当荷 载较小 时 ， 钢管对 混凝 土 的环箍作 用有 限 ， 钢管厚度对组合柱性能影 响较小 ， 故轴向压力 一柱 长度 中点挠度曲线几乎重合 ； 随着荷载不断增大， 钢 管对 混凝 土 的环 箍 作 用力 随之 增 大 ， 若 钢 管厚 度 越 大 ， 则 曲线 斜率 越 大 ， 说 明组 合 柱 刚 度增 大 ， 柱 的极 Z j Z薹 2 4 浙江建筑 2 0 1 2年第 2 9卷 限承 载力也 越大 。 2 4长 细比 的影响 根据 3组 偏 心 距相 同 ， 但 柱 长 细 比不 同 的试 件 的有 限元计 算结 果 ， 绘 制 出轴 向压 力 一柱 长度 中点 挠度 曲线 ， 见 图 7 。 Z 主 mm ram 图 7 相 同偏心距不 同方钢管长度对试件横 向挠度的影响 由图 7可以得出以下结论 ： ( 1 ) 随着 长细 比的增 加 ， 挠 度 曲线 由陡 变缓 ， 弹 性 阶段 缩短 ， 而 弹塑 性 阶 段延 长 ， 达到 极 限 荷 载后 ， 下 降趋 于平 缓 。 ( 2 ) 偏心 率相 同时 ， 随着 长 细 比的增 加 ， 组 合 柱 偏心受压柱 的承载力随之下降， 但其变形能力提高。 长 细 比较小 时 ， 长细 比 的影 响 较大 ； 反之 亦然 。当长 细 比较小 时 ， 随着偏 心距 增大 ， 长 细 比对 柱 的极 限 承 载力影 响 随之减 小 ， 且 对 偏 心 距 较 小 的试 件 影 响较 大 。当长 细 比较 大 时 ， 随着偏 心距 增大 ， 长 细 比对 柱 的极 限承 载力 影响 也 随 之 增 大 ， 且 对 偏 心距 较 大 的 试 件 影响较 大 。 3 结 语 本文运用 A N S Y S有限元程序建模 ， 分析 了冷弯 薄 壁方钢 管混 凝 土组 合 柱 受 偏 压作 用 的受 力 性 能 ， 经 过多个 影 响参数 的分 析 ， 可 以得 出以下 结论 ： ( 1 ) 冷弯 薄壁方 钢 管 与混 凝 土 能 很好 地 协 同工 作 ， 组合 柱在 偏心 压 力 作 用下 具 有 良好 的承 载 力 和 延 性 。 ( 2 ) 随着 偏 心 率 的增 加 ， 冷 弯 薄 壁 方 钢 管 组 合 柱的极限承载力减小 ， 但延性有所提高。偏心率越 小 。 偏 心距对 组 合柱 的极 限承 载力影 响越 大 ； 反 之亦 然 。大偏心 率 时 ， 相 同偏 心 距 混凝 土 强度 等 级 低 的 柱承载力下降幅度小 ， 混凝土强度等级高的下 降幅 度大 。 ( 3 ) 随着混凝 土强度提高 ， 组 合柱极限承载力 也 随之 增 加 ； 但 方 钢 管 对 核 心 混 凝 土 的 套 箍 效 应 减小 。 ( 4 ) 钢管 厚 度 越 大 ， 则 荷 载 挠 度 曲线 初 始 斜 率 越 大 ， 柱 刚度 提高 ， 极 限承载 力也 越大 。 ( 5 ) 偏心率相 同时， 随着长细 比的增加 ， 组合柱 偏心受压柱的承载力降低不多， 但其延性 提高。长 细比较 小时 ， 长细 比对 组合 柱 的影 响较 大 ； 反 之 亦然 。 参 考 文 献 1 弓晓芸 ， 严虹 浅谈 轻钢结 构低层住宅 J 钢结构 ， 2 0 0 1 ( 6) ： 2 7 2 9 2 韩林海 钢管混凝土结构 M 北京 ： 科 学 出版社 ， 2 0 0 0： 1 0 7 1 R 乏