薄壁型钢管混凝土组合柱轴压受力性能分析.pdf

浙江建筑,第27卷,第8期,2010年8月
Zhejiang Construction, Vol 27, No8, Aug 2010
薄壁型钢管混凝士组合柱轴压受力性能分析
Axial compression performance analysis of thin-walled
Concrete-filled composite Tubular Steel Columns
赵滇生,帅耀锋,陆长春
ZHAO Dian-sheng, SHUAI Yao-feng, LU Chang-chun
(浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310014
摘要:;采用 ANSYS有限元程序模拟分析薄壁型钢管混凝土核心柱极限承载力,将结果与文献[1]的试验结果进行比较,两
者吻合较好。通过对3个系列共45个组合柱试件的非线性有限元分析,探讨了核心混凝土强度等级、薄壁型钢厚度和外围混凝土
配箍率对核心承载力的影响机理,最后对比分析了不同长细比核心柱的截面稳定系数φ,并提出合理取值。
关键词:薄壁型钢管;组合柱;非线性有限元分析;极限承载力
中图分类号:TU375.3
文献标识码:A
文章编号:1008-3707(2010)08-0021-04
钢管混凝土构件具有受压承载力高,塑性和初型的参数和文献[1]中试件
性好,节省材料,方便施工等优点。当荷载不大时,的参数相同。试件截面尺
可用薄壁型钢管代替厚壁钢管,节省用钢。但钢管寸均为220mmx220mm,高
混凝土柱的钢管直接暴露在外,需要进行防锈、防腐度60m,纵筋采用12mm
及防火处理。薄壁钢管混凝土核心柱在薄壁钢管混变形钢筋,屈服强度391MPa;
凝土外包一层普通钢筋混凝士,既利用了钢管混凝箍筋采用8mm光圆钢筋,
土良好的受力性能,又克服了薄壁型钢管直接暴露屈服强度293MPa,箍筋间
图1型面
在其工作环境中的缺点,具有良好的经济价值和工距为50mm,截面见图1,试
程应用前景。
件参数见表1
钢管混凝土和型钢混凝土研究比较全面,已有相
应的设计或施工规范规程,而国内外研究薄壁型钢外
表1组合柱试件参数
包将筒混凝土组合柱的相关资料较少,缺乏設依、"?の(的外+)nm的
J、MPa钢管屈服
CC-3
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采用 ANSYS有限元软件,通过和试验数据的对比,验
2.59
90.6/60.6
证了利用有限元软件模拟试验的可行性,并在此基础
90,6/39,1
CC-6
114
90.6/54.8
上综合分析薄壁型钢管混凝土组合柱的受力性能及注:dー钢管直径,ー钢管厚度バ一混凝士轴心受压强度。
其影响因素,以及在不同长细比下截面稳定系数。
1.2建立有限元分析模型
1有限元模型的建立
(1)薄壁型钢管内核心混凝土和管外混凝土都
1.1试件设计
选用 solid65单元,该单元适用于含钢筋或不含钢筋
为了验证有限元分析模拟的可行性,有限元模的三维实体模型,可模拟混凝土的开裂(三个正交
收稿日期:2010-03-25
作者简介:赵滇生(1957一),男,渐江义乌人,副教授,研究方向为钢结构、空间结构。
浙江建筑
2010年第27卷
方向),压碎,塑性变形及徐变,具有材料非线性处
2)薄壁型钢采用
理功能,本构关系采用多线性随动强化模型MISO。 shell8I单元,该单元适用
核心混凝土由于受到钢管的约東,处于三向轴压状于薄到中等厚度的壳结
态,而在模型的计算中核心混凝土的泊松比始终取构,具有应力刚化及大变
0.2,钢管的环箍效应很难模拟出来,所以核心混凝形、非线性功能。本构关
土本构关系选用文献[2]中推导的本构关系,模拟系采用双线性随动强化模
图2钢管、钢筋
钢管对核心混凝土的环箍效应。
型BKIN,泊松比取0.3。
两格划分图
当s≤so时
纵筋和箍筋采用link8单
元,该单元是杆轴方向的拉压单元,只承受单轴的拉
当e>e。时,o=o(1-g)+のo?/e
压,不承受弯矩,符合纵筋和箍筋的受力特点,本构关
系采用双线性随动强化模型BKIN。单元划分见图2。
(5>0.92)
(3)模型采用分离式建模,由于核心混凝土在
<0.92
受力过程中挤压钢管,接触紧密,外包混凝土受箍筋
+/s
作用与钢管之间也不易产生滑移,不易发生粘结滑
8
式中:0=1300+14.93f6k,
移破坏,所以核心混凝土、钢管和外部混凝土采用共
400+800?k~20
用节点建模,不考虑粘结滑移效应
20
组合柱采用一端自由,一端固结的方式加
5。=1300+14.39
载,为了避免应力集中,在组合柱的顶端增加刚性垫
A=2.0-K,B=1.0-K,
板,定义其刚度、强度足够大。
(5)分析中,分两个荷载步加载,第一荷载步取
K=0.1s°
(0.2+0.15)
100个子步,第二荷载步取200个子步。此外,为了
B=(2.36x10°)3(s35,0x(a)1.0x10加速收敛,打开线性搜索和预测器。加载时采用位
一混凝土标准强度
移加载,采用残余力的二范数控制收敛。
店一约東特征系数(=cf,/a);
计算结果及分析
f.一钢管混凝土屈服极限;
a一构件截面含钢率(=A,/A,);
试件破坏时的变形见
A,和A.一钢管及其核心混凝土的截面面积。图3,由图可知,此类试件
管外混凝土和普通钢筋混凝土本构关系一致,的破坏形态主要是由于外
采用文献[3]推荐的混凝土单轴受压的o-关系。围混凝土压溃导致试件破
当≤1时,び=a。+(3-2a,)2+(a,-2)6
坏,箍筋和纵筋向外鼓起,
当>1时,
核心混凝土由于薄壁钢管
图3组合柱破坏形态
的约束,具有较好的延性。
式中:a。、a单轴受压应力?应变上升段、下降段
试件N-e曲线见图4,由图可得,试件加载受力
的参数值;
分三个阶段,线弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段,柱
。一混凝土的单轴抗压强度;
子有明显的下降段和破坏后水平阶段,主要是由于
6。-与f。”相应的混凝土峰值应变,参数按表核心混凝土受到薄壁钢管约東后的残余强度。极限
2取值。
承载力有限元计算结果和文献[1]试验结果对比见
表3
表2混凝土单轴受压e曲线参数值
分析表3极限承载力可知:有限元计算所得的
f”/(N/mn
10-0)
。cdc。极限承载力与试验值误差都不超过5%,可见
ANSYSI的分析结果和试验结果吻合较好,说明采用
2030
3.0
这类模型分析薄壁型钢混凝土组合柱的极限承载力
注:为应力?应变曲线下降段上应力等于0.5。?时的混凝士压应变。具有足够的精确度。