矩形钢管混凝土构件基本剪切性能研究.pdf

铁道建筑
2010年第3期
Railway Engineering
109
文章编号:1003-1995(2010)030109-03
矩形钢管混凝士构件基本剪切性能硏究
史艳莉,陈宇超,王文达
(1.兰州理工大学土木工程学院,兰州730050;2.辽东学院域市建设学院,辽宇丹东118001)
摘要:基于 ABAQUS软件,建立了圆形及矩形钢管混凝土构件纯剪时的数值模型,并经圆形及方形构件
纯剪试验结果对理论模型进行了验证,对矩形截面钢管混凝土构件纯剪受力下的力学性能进行了参数
分析,建议了矩形钢管混凝土构件纯剪受力下极限抗剪承载力的计算公式。
关键词:矩形钢管混凝土纯剪力学性能数值模拟参数分析
中图分类号:TU398文献标识码:A
日前,对矩形钢管混凝土构件轴压、压弯、纯弯等中其弹性模量可定义为102MPa,泊松比为0.0001
荷载作用下的力学性能和设计方法的研究较多,对1.2单元模型、接触模型及网格划分
其在横向受剪情况下的设计方法很少见报道,对钢管
混凝土、钢管、川载板三者均采用8节点缩减积分
混凝土剪切性能的研究主要集中在圆形截面和方形截格式的C3D8三维实体单元。钢管和核心混凝土之间
面构件方面,如文献[4]进行了圆形钢管混凝土构件的接触考虑法向接触,采用大刚度接触单元来模拟,切
的剪切试验研究,文献[5]进行了18个圆钢管混凝上向接触采用库伦摩擦来模拟?。钢管及混凝上与加
试件和11个方钢混凝士试件的剪切试验研究
载板均釆用绑定约束,保证加载板和混凝士在接触面
本文基于 ABAQUS软件分别建立了圆形、方形及上位移一致。网格划分采用网格试验的方法来确定合
矩形钢管混凝土构件横向受剪时的三维有限元数值分理的网格密度。典型的矩形钢管混凝土构件横向受力
析模型,并基于此理论模型,进行了108个矩形钢管混分析的有限元模型见图1。
凝土构件纯剪受力时的参数分析,得到了各主要参数
横向位移
对其荷载一变形曲线的影响规律
1有限元模型的建立
1.1材料模型
定边
建立矩形钢管混凝土构件在横向剪切时有限元模
型时,合理的材料模型是数值模拟成功与否的关键。
图1矩形钢管混凝士构件纯剪有限元网格及边界条件
本文在建立其 ABAQUS有限元模型时,钢管采用弹塑
性材料模型,其中低碳软钢的应力ー应变关系采用
1.3荷載施加及边界条件
次塑流模型,高强钢材则采用线性强化模型,具体表达
矩形钢管混凝土构件纯剪模型试件通过施加横向
式见文献[1:。核心混凝上采用 ABAQUS中的混凝士位移进行求解,位移荷截施加分为强轴和弱轴两个方
塑性损伤模型,浬凝土单轴受压等效应力ー应变关系向,横向位移施加于加载板顶端,底端采用固定约束。
采用文献[1中表达式,混凝土受拉时的软化性能采典型的构件荷载及边界条件施加模式见图1
用 ABAQUS中提供的应力一断裂能表达式”。构件2模型验证
两端的加载板是为避免加载过程中产生应力集中而设
的,加载板定义为不可变形的弹性材料,在有限元模型
由于未搜集到矩形钢管混凝土构件纯剪试验数
据,图2和图3中仪给出了部分圆形和方形钢管混
收稿日期;200907-30;修回日期:2009-12-12
凝土纯剪构件试验结果的的荷载一变形(P-4)全过
基金项目:甘肅省高等学校研究生导师科研项目计刘(0703B-05);
程曲线对比。其中,P为剪力,A为试件变形。可见,
兰州理工大学博士基金(SBO4200801)
理论计算与试验结果总体上吻合较好,部分存在一定
作者简介:史艳莉(1977),女,河北源州人,讲师,硕士。
差异,主要原因是钢管混凝土构件纯剪受力试验的实
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铁道建筑
25(0
2O0
---试验
1500
DXt=160mmX5,51im:m-0.14
Xt=l60 mmx.5 mm: m=d.
DX=16lmm×6.5mm:=05
500”-3 7 Mpa: fu.44N
=445 Mpa,/,,30 Mpa
(a)S-C2-2试件
(b)Sl-C3-2试件
(c)S43-C4-l试作
注:D为圆形试件截面直径,为钢管壁厚为钢材屈服强度,为混凝土强度,m为剪跨比
图2圆形钢管混凝土构件横向受剪时理论与试验PーA关系曲线比较
计算
400
BXM=120 mm 2 mm; m=0.075
「=338MPc31.386
38MPB/-31.86MPa
f38MP.-57.41MPa
Mmm
b)S2-1a试件
e)S3-1a试件
注:B为方钢管构件截面边长。
?3方形钢管混凝土构件横向受剪时理论与试验Pー4关系曲线比较
际边界条件与理论模型的边界条件之间有一定的差献[1]对圆形及方形钢管混凝土受剪分析表明,剪跨
异,使试验测试得到的试件刚度小于理论计算结果。
比m≤0.2(剪跨比定义为m=L/D或LB,其中,L为
试件长度,D为圆试件截面直径,B为方试件截面边
3典型破坏模态分析
长)时,构件为剪切破坏;0.2≤m≤0.4时,构件为弯剪
由图4(a)可见,矩形钢管混凝土强轴方向受剪时破坏;m>0.4时,构件为弯曲破坏。所以,本文分析时
角点的主应力分布较其它位置集中,非受剪面比直接试件的剪跨比均取m=0.2。图5给出了各主要参数
受剪面主应力大,构件屈服时非受剪面向外翘起。图对矩形钢管混凝土构件绕强轴纯剪受力时的ーγ关
4(b)为弱轴方向受剪情沉,同样可以看到角点处主应系全曲线的部分影响规律?。
力较为集中,弱轴方向受剪时非受剪面主应力大于受
各主要参数的影响规律归纳如下
剪面主应力,屈服时非受剪面向外翘起,且非受剪面翘
1)钢材强度(,)。图5(a)给出了钢材强度f,对
起比绕强轴受剪时更明显,弱轴方向非受剪面的对应
关系的影响。可见,随着,提高,构件抗剪承载
的应力小于强轴方向非受剪面对应的应力。
力提高,初始刚度无明显变化;总体上,钢材强度f,主
要影响曲线的数值,而对曲线的形状影响不显著。
2)混凝土强度()。图5(b)给出了混凝土强度
f对rーγ关系的影响。可见,随着。提高,构件抗剪
a)强轴方向
b)弱轴方向
承载力提高,初始刚度无明显变化;总体上,混凝土强
图4矩形钢管混凝土纯扭构件达到
度对极限抗剪承载力有一定影响,对曲线后期形状
极限承载力时刻的应力分布图
影响不明显。
参数分析
3)含钢率(a)。图5(c)给出了含钢率a对r~y
为进一步了解较大参数范围内矩形钢管混凝士构关系的影响规律。可见,随着α提高,构件抗剪承载
力有明显提高,初始刚度变化不明显,但曲线后期强化
件横向受剪时的力学性能,基于以上有限元数值分析
刚度增加。
模型,选取典型算例进行参数分析。典型算例的基本
4)截面高宽比(B)。图5(d)给出了截面高宽比B
条件为:截面高宽比B=1.5(定义8=D/B,其中,D为对rーy关系的影响。可见,随着β的提高,构件的抗
矩形构件截面长边尺寸,B为其短边尺寸,B=400剪承载力降低,初始刚度变化不大;总体上,截面高宽
mm),含钢率a=0.1,钢材屈服