椭圆形钢管混凝土构件纯弯力学性能分析.pdf

总第 1 6 1 期 2 0 1 6年 第3期 山 西 冶 金 S HANXI ME T AL L URGY T o t a l 1 6 l No 3， 2 0 1 6 卿 酆 D O I ：1 0 1 6 5 2 5 c n k ic n l 4 - 1 1 6 7 tf 2 0 1 6 0 3 1 6 椭 圆形钢管混凝土构件纯弯力学性能分析 乔栋 ， 郭 鹏 ( 山西大 同大学 ， 山西大 同0 3 7 0 0 9 ) 摘要： 通过极限平衡理论和有限元模型的建立， 对椭圆形钢管混凝土结构的轴压力学性能、 纯弯力学 生能进行分 析， 得 出与其相适应的简化计算公式， 推导出与实际的城市建设所使用的建筑结构和材料相符合的力学计算公式。 关键词： 椭圆形钢管混凝土纯弯构件 力学模型分析承载力有限元 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 1 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 2 1 1 5 2 ( 2 0 1 6) 0 3 0 0 4 5 0 3 目 前 ，国内椭圆形钢管混凝土结构应用前景越 来越广， 城市建设脚步逐步加快， 国外研究已经步人 成熟 阶段( 如北美、 欧洲 、 英 国等区域 ) 并且有丰厚 的 经验可以借鉴和引进I 。基于“ 统一理论” 的极限思 想基础和数值分析法、 有限元模型建立分析等方法， 对椭圆形钢管混凝土的结构中所具有的纯弯构件进 行力学分析，还需要结合椭圆形的几何优势及其适 用在钢管混凝土中的环境， 探讨与其相关的绕短轴、 长轴的极限抗弯的承载力公式， 还能依据实际生产、 施工参数简化出纯弯构件的计算公式。 同时， 通过建 立起方钢管和椭圆钢管的混凝土结构的纯弯构件抗 弯等承载力的关系模型， 分析其中的优劣， 研究出更 适合社会发展的工程、 建筑结构。 1 椭圆形钢管混凝土结构分析 1 1 椭圆形钢管混凝土的内部结构 随着理论研究、 设计和实践的推进 ， 椭圆形钢管 的混凝土结构正朝着多元化的方 向发展。实用性较 强 、 工程造价较低的结构主要包括 ： 椭圆套椭圆中空 夹层结构( 内外都是椭 圆形的 中空夹 层混凝土结 构) 、 椭圆套椭圆复式结构( 内外钢管都是椭圆套椭 圆的复式混凝土 ) 、 椭圆实心 ( 实心椭 圆的钢 管混凝 土结构) 、 椭圆套方的中空夹层结构( 内为方形钢管、 外为椭圆钢管的中空夹层混凝土结构 ) 等 瞳 。与实心 的钢柱混凝土结构的抗弯力学性能相 比，椭 圆套方 形的中空夹层混凝土结构的性能与其相似 ，椭圆套 椭圆中空夹层结构的性能较弱，而复式椭圆形钢管 混凝土结构 的力学性能最优。内部结构不 同的椭 圆 收稿 日期 ： 2 0 1 6 0 6 - 1 6 第一作者简介： 乔栋( 1 9 8 1 一) ， 男， 硕士研究生， 工程力学专 业， 现在大同大学任教。 形钢管混凝土结构的截面抗弯效果不同，其力学计 算的模型和公式也有所差别 。 1 2 椭圆形钢管混凝土结构的抗弯性能影响因素 通 过有限元模型 的建 立和统一 的极 限理论 指 导 ， 结合模型和实际结合受力 的点 、 面和过程分析 ， 影响椭圆形钢管混凝土的力学性能 的因素主要包括 短轴长度 、 长轴长度 、 钢管屈服强度 、 钢管壁厚度 、 混 凝土强度等 ， 具体表现在剪跨比、 混凝土强度、 钢管 强度和韧性等方面 。同时， 不同的加载方式、 力度 对椭圆形钢管混凝土的影响程度也各有不同，例如 纯弯和压弯的力学性能会随着加载力度和承受截面 的大小而变化 。 2 椭圆形钢管混凝土力学性能分析 2 1 建立纯弯构件有限元模型 有限元模型分析方法在工程力学上有着广 阔的 前景 ， 本文采用 AB A Q U S的有限元软件对椭 圆形钢 管的承载力及其应用关系进行分析 ，并建立模 型 4 ( 见下页 图 1 一 图 3 ) ，图 1中 。 、 、 分别表示 0 3 凡、 凡、 0 5 对应的应变 。 其 中， 有 限元模型利用六面 体线性缩减积分单元 ，把钢管混凝土的整个单元朝 着钢管的厚度方 向分为 3层网格 ，偏心受压的构件 为有 限元模拟的元素 ，再观察模拟 出来的效果和试 验结果之间的差别。混凝土的应力和应变的关 系用 数学关系表示为 ： O c - O 0 E A ( ) ( E E 0 ) n n o( 1 - q ) + t r o E e 叫 9 1 1 2， E 。 E o t 0 E o) 启 ( 一 l 1 qe o E 。 启 ( 一 1 ) + ( 生 ) 。 E o E o 山西 冶 金 E ma i l ： s x v i b i b 1 2 6 c o rn 第 3 9卷 o r 0 = f k 1 1 9 4 + ( 1 3) 0 ,4 5 ( 一 0 0 7 4 5 2 + 0 5 7 8 9 ) ； E ： 1 3 0 0 + 】 1 4 9 3 f k ； E O = E c c +E 1 4 0 0 + 8 0 0( ) ； q = K ( 0 2 + 0 1 ) ， = ( 2 3 61 0 - 5 ) n 2 5 _ n k 2 ( 5 01 0 - 4 ) ； 4 = 2 一 k ， B - l K (K = 0 1“ ) ；套 箍 系 = = 咯( 0= )。 式中 ： 表示混凝土的标准强度 ； 表示钢材的屈服 强度 ； 4 分别表示核心的高强混凝土横截面积和 钢管 的横截面积 。 因此， 当构件弯曲到极限时 ， 可依据静力平衡 的 条件来定位中和轴位置，将相关的理论计算公式结 果与有限元模 型效果相 比较发现 ：方差为 0 0 0 0 8 ， 平均值为 1 0 0 4 。 同时在图 3中的曲线表示下 ，基于静力平衡公 式( ， v = + = + 。 ) ， 推导出椭圆形钢管的计算 公式 ： ： 一： 牛 ： ( O (O s l+ 0 c ) 。 得出 其 纵 u 一 _ 一 _ 厂一 丽 。 寸 山 向的应力为 ： o r l = o r ( 1 + ) 呵 。 b t 0 O 0 F Sc S 应 变 ， s 图 1 椭 圆形钢管混凝土受压的应力与应变 的关 系 图 2 椭 圆形 钢管混凝土有限元模型 2 2 椭圆形钢管混凝土的抗弯承载力计算公式 2 2 1 绕长轴、 短轴的抗弯承载力计算公式 在上述有限元模 型构建和理论公式计算的基础 和效果上，将其纳入能够适应极限平衡分析法的范 围 ，根据实用性较强的实际工程和经验推导出有限 元条件下的可行性高的绕长轴抗弯承载力 的公式和 短轴计算公式嘲： M = y W 图 3钢材的应 力与应变之间的关 系 y m - 一 0 4 8 3 2 k + 1 9 2 6 4 ( k 0 5 式中： 为组合的截面模量； 为截面的塑性发展系 数 ； k 为套箍的调整系数 ； 表示截面的抗弯压力。 当 = ( ) 叫 z 时( 其 中 表示椭 圆形钢管 混凝土的绕长轴与短轴之间的承载力比值) ，模拟结 果和公式计算量的方差为0 0 0 4 ，平均值为 1 0 1 7 ； 当 =( M 慨) n 6 时( 表示椭圆形钢管混凝土 的短轴 与长轴之间的承载力比值) ，计算公式所计算出来的 量和有限元模型效果的方差为 0 0 0 6 ， 平均值为 0 9 9 3 。 2 2 2 椭圆形钢管纯弯构件的偏心承载力计算公式 椭 圆形钢管的混凝土结构在不 同的截面大小 、 形状下 ，其纯弯构件 的偏心承载力荷载的工作机理 也不 同。例如， 绕短轴的偏心受压构件 ： 结合施工过 程中的安全因素 ，利用有限元模拟分析的方法得到 一 之间的关系图( 如图 4 所示 ) ； 结合曲线 分析和修正系数的引进，得到其绕短轴的偏心承载 力实用公式 。 M Mo 一 纯弯压力 ； 肘d _ 一纯弯压力的初始量 ； 向承载力； 一承载力的初始量 图4 椭圆形钢管混凝土的绕短轴偏心承载力曲线 当构件中截面和短轴 、 长轴的轴心相重叠时 ， 椭 圆形钢材和混凝土处于弹性 阶段 ，极 易造成拉区混 凝土的开裂 ； 当内部荷载的力度不断增强时 ， 钢管处 于弹塑性阶段 ，这时截面的中和轴必将朝着受压 区 移动 ，导致拉区和压区之 间的钢管引力超过极 限而 变形 ；当钢管置身于强化 阶段 ，即外在的荷载加强 2 0 1 6 年第 3 期 乔栋， 等： 椭圆形钢管混凝土构件纯弯力学性能分析 4 7 时， 截面的弹塑范围向内扩展 ， 其 内力发生重新分布 排列现象。 3 结论 1 ) 在极 限平衡理论 ( 即“ 统一理论” ) 的指 导下 ， 结合有限元 的模型和分析方法 ，通过分析有限单元 内部无 限单元和因素构成的不同区域 、阶段的椭 圆 形钢管混凝土的结构，导出与其相关的数值化分析 结果 、 计算公式等内容。 2 )将形象的模拟效果和模型效果相比较发现， 二者之间的差距比例不大， 其受力面、 线和承载力的 方 向、 大小等因素严重影响着内外部 的纯弯构件 。 3 ) 由于椭 圆形 的几何 图形特征 ， 在实 际工程 的 研究 、 设计 、 施 工过程 中， 采用此种类型的结构和截 面形状， 不仅可以提高其抗弯的承载性能， 还能保证 整个活动过程 的安全性能 ，进 而促进工程力学及椭 圆形钢管混凝土在工程建设 、 城市建设 中的应用 。 参考 文献 1 沈聚敏， 王传志， 江见鲸 钢筋混凝土有限元与板壳极限分析 M 北京 ： 清华大学 出版社 ， 1 9 9 3： 6 7 2 钟善桐 钢管混凝土统一理论研究与应用 M 北京： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 6 ： 7 0 3 刘 习超 椭 圆形钢管混凝土 基本性 能的研究 D 哈尔滨 ： 哈尔 滨 工业大学 ， 2 0 1 0 ： 3 5 4 屠 永清 ， 严敏杰 ， 刘林林 多室式钢管混凝 土 T形构件纯弯 力学 性能研究 J 工 程力学 ， 2 0 1 2， 2 9 ( 9) ： 1 8 5 1 9 2 ( 5 任庆新 ， 方 达 ， 赵雄 ， 等 椭 圆形钢管 混凝 土构件纯 弯力学性 能 分析 J 工业建 筑， 2 0 1 4， 4 4 ( 4 ) ： 5 6 ( 编辑 ： 贺焱) An a l y s i s o n Fl e x u r a l M e c h a n i c a l Pr o p e r t y o f t h e El l i p t i c a l S t e e l Tu b e Co n c r e t e M e mb e r s QI A O D o n g ， GU O P e n g ( Da t o n g Un i v e r s i t y ， Da t o n g S h a n x i 0 3 7 0 0 9 ) Ab s t r a c t ：By u s i n g t h e t h e o r y o f l i mi t e q u i l i b r i u m a n d fi n i t e e l e me n t mo d e l e s t a b l i s h me n t ，t h i s p a p e r a n a l y z e s me c h a n i c al p r o p e y o f t h e a x l e l o a d a n d fl e x u r a l me mb e r s o f t h e e l l i p t i c al s t e e l t u b e c o n c r e t e ，t h e n g e t s s i mp fi fi e d c alc u l a t i o n f o r mu l a ， d e d u c e s t h e me c h a n i c s f o r mu l a a c c o r d i n g wi th the b u i l d i n g s t r u c t u r e a n d ma t e r i als wh i c h u s e d i n c i t y c o ns t r u c t i o n Ke y wo r d s ：e l l i p t i c al s t e e l t u b e c o n c r e t e ，i l e x u r al me mb e r ， me c h a n i c al mo d e l a n a l y s i s b e a r i n g c a p a c i t y ， fi n i t e e l e me n t ( 上接 第 3 6页) 辊 型设计方 法 J 西安交 通大学 学报， 2 0 1 5， 4 9 ( 7) ： 7 2 8 1 4 张将， 马立东 ， 朱琳， 等大直径棒材二辊矫直机辊形研究 J 太 原科技 大学 学报 ， 2 0 1 4， 3 5 ( 5 ) ： 3 6 4 3 6 8 5 刘 志亮 ， 张 文志 ， 王英杰 二辊矫 直机精度及 实验研究 J 燕 山 大学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 2 ) ： 1 3 6 刘志亮 二辊矫直机辊形参数设计 J 机械设计与制造 ， 2 0 0 5 ( 6) ： 2 5 2 7 7 刘志亮， 丁志勇， 高承彬 二辊矫直机矫直辊形及矫直精度研究 J 物理测试 ， 2 0 0 8 ， 2 6 ( 6 ) ： 3 9 4 2 8 高云峰博 壁管矫直过程仿真及矫直辊辊形曲线的设计 D 秦 皇岛 ： 燕 山大学 ， 2 0 1 2 9 阳辉- 车 L 钢厂设计原理 M 北京 ： 冶金 工业 出版社 ， 2 0 1 1 1 O A M马斯基列逊 管材矫 直机 t M 西安重 型机械 研究所 一室 ， 译北京： 机械工业出版 社， 1 9 7 8 ( 编辑 ： 贺焱) Pr o c e s s De s i g n o f 41 5 0 mm Two Ro l l e r S t r a i g h t e n i n g Ba r CAO Yi b i n g ( T a i y u a n He a v y I n d u s t r y Gr o u p C o ， L t d ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 0 3 ) Ab s t r a c t ：T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e v e l o p me n t s t a t u s a b o u t b a r fi n i s h i n g l i n e a n d the a d v a n t a g e s o f t w o r o ll e r s t r a i g h t e n i n g b ar p r o d u c t i o n l i n e T h e 1 5 0 mm b ar t wo h i g h c o l d s t r a i g h t e n i n g p r o c e s s a n d s t r a i g h t e n e r r o l l s h a p e are d e s i g n e d Wh i l e u s i n g A B A Q U S fi n i t e e l e m e n t me t h o d ， t h e b a r s t r a i g h t e n i n g p r o c e s s i s s i mu l a t e d a n d a n a l y z e d I t i s f o u n d t h a t s t r e s s i s l a r g e r a n d t h e p l a s t i c d e f o r ma t i o n i s l a r g e r a t t h e c o n t a c t a r e a b e t we e n b ar a n d s t r a i g h t e n i n g mi l e r T h e r e s i d u a l s t r e s s d i ff e r e n c e i s b i g g e r b e t we e n r o d s u r f a c e a n d c o r e Af t e r s t r a i g h t e n i n g ，t h e s u r f a c e r e s i d u a l s t r e s s d i s t ilb u fi o n a t t h e ta i l o f b ar i s s ma l l | Ke y wo r ds ： s t r a i g h t e n i n g p r o c e s s ， r o ll s h a p e ， s t r e s s d i s t ri b u t i o n