矩形钢管混凝土构件压扭和弯扭受力下的力学性能.pdf

【建筑与规划】:./.矩形钢管混凝土构件压扭和弯扭受力下的力学性能陈宇超(辽东学院 土木工程学院 辽宁 丹东)摘 要:为研究矩形截面钢管混凝土构件压扭和弯扭的力学性能 使用 有限元分析软件建立构件力学模型 计算 个圆形和方形截面的钢管混凝土构件压扭和弯扭的数据 并将其与实验结果进行比较 利用典型算例分析材料参数、几何参数和加载参数对矩形钢管混凝土构件压扭、弯扭力学性能的影响 结果表明:在材料参数和几何参数条件相同的情况下轴压比和弯矩比的增加都会使构件极限承载力降低在几何参数和加载参数条件相同的情况下钢材强度和截面含钢率的提高可以增加压扭与弯扭构件的极限承载力在材料参数和加载参数条件相同的情况下长细比影响压扭构件稳定性对细长构件极限承载力影响较大 最后依据相关分析给出矩形钢管混凝土构件压扭和弯扭极限承载力的简化计算公式关键词:矩形钢管混凝土 压扭 弯扭 有限元分析中图分类号:文献标志码:文章编号:()钢管混凝土构件中的核心混凝土受到外钢管的约束 处于三向围压状态 延缓了混凝土开裂 有效提高了混凝土抗压承载力和抵抗变形能力 核心混凝土使得钢管的屈曲得到有效延缓 因此 钢管与混凝土的有效结合可弥补其各自在构件受力中力学性能的不足 使得组合构件的力学性能远大于单一材料构件 同时 由于钢管外包裹着混凝土 使构件韧性得到增强 施工中构件的连接更为方便 目前 钢管混凝土构件在轴压、纯弯及压弯性能方面的研究较多 而在压扭和弯扭受力下的力学性能研究多集中在圆形截面钢管混凝土构件方面 缺乏矩形截面钢管混凝土构件的压扭和弯扭力学性能的研究 矩形截面应从应力分布和钢管对核心混凝土的约束效果等方面进行分析 虽然矩形截面形式的分布和约束效果不如圆形截面形式 但在建筑平面和空间布局中矩形截面形式更适合建筑设计的使用 建筑物中的梁柱形成了结构框架 而框架梁柱超静定的结构形式可以有效缓解矩形截面强轴与弱轴在力学性能上的差异 同时 个侧面的相互垂直有利于结构的连接和施工 目前矩形钢管混凝土构件已广泛应用于大型高层建筑、大跨度厂房和重载结构中作为主要受力传递构件 这些构件在使用过程中受力情况复杂 研究它们的力学性能并给出合理的计算方法具有重要意义本研究采用 软件建立钢管混凝土构件数值分析模型 通过模型计算圆形和方形钢管混凝土构件压扭和弯扭的实验数据 将数值计算结果与实验结果进行比较完成模型校验 基于典型算例对校验后的模型进行矩形钢管混凝土构件压扭、弯扭力学性能分析并得出结论 有限元计算模型.材料模型材料模型分为钢材、混凝土和加载板材料形状的几何构建采用 内设部件()实体均质模型 材料模型在 属性模块()中进行定义:钢材材料模型使用二次塑流模型混凝土材料模型使用塑性损伤模型加载板可近似为刚体使用弹性模型 材料模型的行为定义见表 第 卷第 期 辽东学院学报(自然科学版).年 月 ().收稿日期:作者简介:陈宇超()男 辽宁丹东人 硕士 讲师 研究方向:结构工程、工程管理表 材料模型的行为定义材料模型阶段材料行为参数混凝土弹性弹性模量、泊松比塑性膨胀角、偏心率、/、塑性受压行为、基于能量破坏准则的 塑性受拉行为 钢材弹性弹性模量、泊松比塑性塑性行为下的应力应变曲线加载板弹性弹性模量、泊松比 注:材料行为参数数值根据材料强度等级计算得到 混凝土和钢材泊松比取.和.加载板弹性模量设置为 泊松比取.接触与约束模型模型约束与加载是在构件一端通过边界条件()的类别力学()模块加载完全固定约束()另一端通过荷载()功能模块编辑外荷载 钢管与核心混凝土之间接触面的相互作用是用库仑摩擦()模 型 定 义 切 向 接 触 用 硬 接 触()模型定义法向接触 模型加载约束方式及网格划分情况如图 所示 为保证构件受力分析时结构变形协调一致 加载板与钢管采用焊接()绑定 核心混凝土与加载板考虑法向接触 模型设计暂不考虑混凝土长期荷载下的徐变、钢管加工和施工时的初应力影响 为满足模型计算精度 降低剪切自锁现象 节点模型结构单元采用六面体进行扫掠 类型为 使用网格()功能划分构件网格为使加载板、钢管和混凝土的接触处受力均匀 切分加载板以保证单元网格、钢管和混凝土接触面对应 通过指定种子数量的方式完成网格布种 模型校验与典型算例.压扭、弯扭构件计算模型校验设计的力学模型在使用前需要对其适用性和可靠性进行检验 通过实验测试 得到 个圆形和方形截面的钢管混凝土构件压扭和弯扭的实验结果 同时使用设计的力学模型进行数值计算得到数值计算结果模型实验基本数据见表和表 表 圆形和方形截面压扭构件实验基本数据编号截面类型构件名称、/圆形.方形 .第 期 陈宇超:矩形钢管混凝土构件压扭和弯扭受力下的力学性能表 圆形截面弯扭构件实验基本数据编号构件名称/.表 和表 中 是圆形截面钢管混凝土钢管外直径 是方形截面钢管混凝土钢管外边尺寸 是钢管壁厚度 是实验构件长度 是钢材屈服强度 是混凝土立方体抗压强度 是压扭构件实验轴压比 是弯扭构件实验弯矩比在进行实验模型压扭构件数值计算时 先施加轴心压力 然后在保持轴心压力大小和方向不变的情况下 再施加扭矩 在进行实验模型弯扭构件数值计算时 先施加弯矩 然后在保持弯矩不变的情况下 再施加扭矩 钢管混凝土压扭和弯扭构件 关系实验测试结果与数值计算结果对比如图 和图 所示辽东学院学报(自然科学版)第 卷 由图、可知上述 个实验模型测试结果与材料模型和接触约束模型的数值计算结果的 关系曲线线型和趋势吻合良好 表明使用 软件设计的力学模型可以用来进行矩形钢管混凝土构件压扭和弯扭的力学性能分析.典型算例与参数设置通过设置多个参数对构件力学性能进行数值分析研究各参数对构件极限承载力的影响基于典型算例分析矩形钢管混凝土压扭和弯扭构件受力的全过程 在工程结构中构件常用截面尺寸的变化范围内分析混凝土、钢材及含钢率等影响因素 设计模型的典型算例基本条件:截面高宽比 .(/)钢材强度 混凝土强度 截面含钢率 .实验构件长度 图 和图 为典型算例下的矩形钢管混凝土压扭与弯扭构件特征有限元计算分析应力云图 第 期 陈宇超:矩形钢管混凝土构件压扭和弯扭受力下的力学性能 基于典型算例 设计相关参数对构件极限承载力影响的实验方案 具体参数设置见表 表 实验方案参数设置参数类别参数名称取值范围材料参数钢材强度/、混凝土强度/、截面含钢率.、.、.、.几何参数截面高宽比.、.、.截面长细比、加载参数轴压比/.、.、.、.弯矩比/.、.、.、.注:为钢管混凝土构件轴心受压极限承载力 为钢管混凝土构件抗弯承载力 各参数对压扭和弯扭构件力学性能的影响.各参数对压扭构件 关系的影响材料参数、几何参数和加载参数对压扭构件力学性能的影响见图.钢材强度对压扭构件 关系的影响钢 材强度对压扭构件 关系的影响如图 ()所示辽东学院学报(自然科学版)第 卷 在一定轴压比条件下 压扭构件弹塑性阶段钢材强度对压扭构件 关系的影响情况见表 表 钢材强度对压扭构件 关系的影响/()/()影响比率/./影响比率.由图 ()和表 的 关系变化可知钢材强度 由 增加到 压扭构件承载力随着钢材强度的提高而增加当轴压比/.时压扭构件承载力增加了.达到最大值随着轴压比的增大钢材强度的提高会降低压扭构件承载力的增加幅度相同钢材强度条件下压扭构件承载力会随着轴压比的增大而降低但随着钢材强度的提高压扭构件承载力下降幅度减小当钢材强度 、轴压比/.时 压扭构件承载力下降了.达到最小值.混凝土强度对压扭构件 关系的影响当混凝土强度 、轴压比/.、.时 压扭构件 关系会过早进入屈服阶段而导致承载力明显降低 此时的承载力无法和同条件下其他轴压比值的承载力进行对比 因而选择 .对压扭构件弹塑性阶段承载力进行对比分析 表 为混凝土强度对压扭构件 关系的影响情况 第 期 陈宇超:矩形钢管混凝土构件压扭和弯扭受力下的力学性能表 混凝土强度对压扭构件 关系的影响/()/()影响比率/./影响比率.由图 ()、()和表 的 关系变化可知 混凝土强度 由 增加到 混凝土强度的增加可以提高压扭构件的刚度 但提高的幅度不大 当轴压比/.时 压扭构件承载力增加了.达到最大值 在材料参数不变的情况下压扭构件承载力会随着轴压比增大而降低 但降低比率与混凝土强度关系并不显著.截面含钢率对压扭构件 关系的影响由图 ()的 关系变化可知 截面含钢率 由.增加到.当轴压比/.、.时 关系塑性强化阶段承载力增长趋势明显 当轴压比为.和.时 关系塑性阶段会出现承载力下降现象当轴压比/.、.时 压扭构件 关系会过早进入塑性阶段而导致承载力明显降低 此时的承载力无法和同条件下其他轴压比值的承载力进行对比 因而当轴压比/.时选择 .进行压扭构件塑性阶段承载力的对比分析 表 为截面含钢率对压扭构件 关系的影响情况表 截面含钢率对压扭构件 关系的影响/./()/()影响比率/./影响比率.由表 可知截 面 含 钢 率 由.增 加 到.当轴压比/.时 压扭构件承载力增加了 主要是由于截面含钢率高可以更好地约束核心混凝土进而提高混凝土的承载力 轴压比增加会降低压扭构件的承载力 当截面含钢率.、轴压比/.时 弯扭构件承载力降低了.达到最小值.几何参数对压扭构件 关系的影响表 为截面长细比对压扭构件 关系的影响情况表 截面长细比对压扭构件 关系的影响/()/()影响比率/./影响比率.由图 ()、()和表 的 关系变化可知 压扭构件截面长细比 由 增加到 当轴压比为.和.时 承载力影响比率分别下降了.和.当 、轴压比由.增长到.时 压扭构件屈服后承载力出现明显下降 由图 ()可知 承载力下降的主要原因是当施加辽东学院学报(自然科学版)第 卷的轴力接近构件轴压极限承载力时钢管与混凝土受到扭矩作用后会降低钢管对混凝土的约束效应压扭构件屈服后二者分离并无法协同承受荷载当 时压扭构件不仅刚度下降而且当轴压比增大时承载力很低且屈服不明显表明压扭构件出现失稳破坏此时材料仍然处于弹性或弹塑性状态在对压扭构件进行结构设计时 需保证截面高宽比变化时压扭构件截面面积及其他参数不变 且高宽比不大于.本文设定压扭构件截面高宽比 由.增加到.当轴压比/.、.时 压扭构件 关系会过早进入塑性阶段而导致承载力明显降低 此时的承载力无法和同条件下其他轴压比值的承载力进行对比 因而当轴压比/.时选择 .进行压扭构件塑性阶段承载力的对比分析 表 为截面高宽比对压扭构件 关系的影响情况表 截面高宽比对压扭构件 关系的影响/./()/()影响比率/./影响比率.由图()、图()和表 的 关系变化可知截面高宽比例关系会对压扭构件承载力的 关系的变化产生影响主要因为构件截面尺寸的变化会影响抗扭截面模量但截面尺寸比例的变化对构件承载力的变化影响不大 当截面高宽比 .、轴压比/.时弯扭构件承载力下降了.各参数对弯扭构件 关系的影响材料参数、几何参数和加载参数对弯扭构件力学性能的影响见图.钢材强度对弯扭构件 关系的影响钢材强度对弯扭构件 关系的影响如图()所示 在一定弯矩比条件下 弯扭构件弹塑性阶段钢材强度对弯扭构件 关系的影响情况见表 第 期 陈宇超:矩形钢管混凝土构件压扭和弯扭受力下的力学性能表 钢材强度对弯扭构件 关系的影响/()/()影响比率/./影响比率.由图 ()和表 的 关系变化可知 钢材强度 由 增加到 弯扭构件承载力随着钢材强度的提高而增加且提升幅度较大 当弯矩比/.时 弯扭构件承载力增加了.达到最大值主要原因是弯扭构件截面受力以拉应力为主而钢管为抵抗拉力作用的主要材料特别是当初始弯矩较大时更是如此.混凝土强度对弯扭构件 关系的影响由图()和()弯扭构件弹塑性阶段的 关系变化可知当混凝土强度较低时弯矩比/的变化对弯扭构件承载力影响不大表 为混凝土强度对弯扭构件 关系的影响情况表 混凝土强度对弯扭构件 关系的影响/()/()影响比率/./影响比率.由表 可知混凝土强度 由 增加到、弯矩比/.时 弯扭构件承载力增加了.但随着混凝土强度的提高弯扭构件承载 力降低当混凝土强度 、弯矩比/.时 弯扭构件承载力下降了.当/从.增加到.时分别为 和 时构件承载力分别下降.和.说明当采用高强度混凝土时 弯扭构件承载力降低较为明显 主要原因是弯矩比过大时 构件在受扭时钢管和混凝土离散 导致钢管不能和强混凝土协同工作 钢管发生较大变形 使得钢管无法有效约束核心混凝土.截面含钢率对弯扭构件 关系的影响由图 ()的 关系变化可知 当弯矩比/取值较大而截面含钢率 取值较小时弯扭构件承载能力显著降低 通过提高弯扭构件截面含钢率可有效提高承载力表 为截面含钢率对弯扭构件 关系的影响情况表 截面含钢率对弯扭构件 关系的影响/./()/()影响比率/./影响比率.辽东学院学报(自然科学版)第 卷 由表 可知 当构件截面的含钢率 由.增加到.、弯矩比/.时 弯扭构件承载力增加了 达到最大值 当截面含钢率.、弯矩比/.时 弯扭构件承载力下降了.达到最小值 主要原因是当低含钢率的钢管混凝土弯扭构件受力时 钢管在截面内受弯后已经不能有效提供受扭荷载下对混凝土的约束效应 压扭、弯扭构件承载力简化方程通过有限元数值计算方法得到各参数对矩形钢管混凝土压扭、弯扭构件的 关系 经过分析掌握了各参数变化对构件承载力的影响规律 由此可知 使用有限元法可精确计算各参数变量下构件的承载力 但计算过程繁琐复杂 不便于实际应用 因此 本文根据各参数分析结果和影响规律通过回归方法得到矩形钢管混凝土压扭、弯扭构件极限承载力简化方程.压扭构件承载力简化方程通过材料参数、几何参数中长细比、轴压比/对构件承载力影响的分析 忽略对构件承载力影响不明显的几何参数高宽比 将影响压扭构件承载力变化的各因素整合为轴压比/和扭矩比/的对应关系 简化计算结果如图 所示 由图 可知 轴压比/和扭矩比/的简化计算结果与对应数值计算坐标点趋势线一致回归得到矩形钢管混凝土压扭构件压扭极限承载力简化计算方程 计算如式():.()式中:为压扭构件数值模拟中各参数影响下的屈服扭矩极限值 为矩形截面钢管混凝土压扭构件纯扭极限承载力 为钢管混凝土轴压强度的极限承载力 为当考虑构件长细比 影响时钢管混凝土的轴压稳定系数 不考虑长细比影响时取 根据公式()计算矩形钢管混凝土压扭构件/关系并与数值分析结果进行对比结果表明线形趋势吻合较好且具有一定的安全储备.弯扭构件承载力简化方程通过钢材强度、混凝土立方抗压强度和截面含钢率对构件承载力影响的分析 总结相关规律 将影响弯扭构件承载力变化的各材料强度因素整合为弯矩比/和扭矩比/的对应关系 简化计算结果如图 所示 第 期 陈宇超:矩形钢管混凝土构件压扭和弯扭受力下的力学性能 由图 可知 弯矩比/和扭矩比/简化计算结果与对应数值计算结果坐标点趋势线一致 回归得到矩形钢管混凝土弯扭构件压扭极限承载力简化计算方程:.()式中:为弯扭构件数值模拟中各参数影响下的屈服扭矩极限值 为矩形截面钢管混凝土构件抗弯承载力根据公式()计算矩形钢管混凝土构件弯扭/与/关系 并与数值分析进行结果对比发现二者的线形趋势吻合较好且具有一定的安全储备 结论)以典型算例为基础 在研究参数范围内得到了矩形钢管混凝土构件压扭承载力 关系变化规律 通过规律分析发现:钢材强度变化和截面含钢率变化对构件承载力影响较大 相同/条件下 研究参数范围内承载力增加 钢材强度最大影响比率为.截面含钢率最大影响比率为 表明钢材的强度和截面含钢率对构件承载力设计很重要 混凝土立方抗压强度的提高对构件承载力的提高幅度没有钢材强度和构件截面含钢率明显 研究参数范围内最大影响比率为.通过压扭构件的几何参数分析可以得到 构件长细比 在一定/范围内对构件极限承载力影响不大 但是长细比 不能忽略 在设计计算时需要考虑构件的轴压稳定性 分析是否发生失稳破坏构件的截面参数高宽比 变化范围不宜超过.在其他条件不变的情况下对构件承载力变化影响不大 研究参数范围内最大影响比率为.)通过对矩形钢管混凝土弯扭构件在材料参数变化下的力学性能分析发现提高钢材强度、截面含钢率可以有效增加弯扭构件抵抗屈服破坏的能力特别是弯矩比/.时在参数研究范围内钢材强度和截面含钢率的提高对构件承载力最大影响比率分别为.和.结果表明在构件设计时合理选用钢材强度和设置构件截面钢材比率可以有效提高构件承载力和延缓变形)以轴压比 扭矩比和弯矩比 扭矩比为简化核心 将各参数的影响规律进行整合 回归得到构件极限承载力简化计算方程参考文献:韩林海.钢管混凝土结构:理论与实践.北京:科学出版社.():.马立成 史庆轩 王秋维.方钢管混凝土短柱的轴压承载力简化计算方法研究.建筑结构 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