圓鋼管混凝土不等端彎矩偏壓柱工作機理的研究

2011-01-15 09:55:36黃宏楊超張安哥

鐵道建筑 2011年2期

關鍵詞：承載力有限元混凝土

黃宏，楊超，張安哥

(華東交通大學土木建筑學院，南昌 330013)

圓鋼管混凝土不等端彎矩偏壓柱工作機理的研究

黃宏，楊超，張安哥

(華東交通大學土木建筑學院，南昌 330013)

利用有限元軟件ABAQUS建模，計算了圓鋼管混凝土受不等端彎矩偏壓時的荷載—變形全過程關系曲線，計算結果與試驗結果符合良好。在驗證了有限元軟件對此類構件模擬的正確性基礎上，對此類構件的工作機理進行了分析，并考察了端彎矩比、偏心距、長細比、名義含鋼率、鋼材和混凝土強度對圓鋼管混凝土不等端彎矩偏壓柱力學性能的影響規律。研究表明，端彎矩比對構件受力性能有顯著影響;偏心距、長細比、名義含鋼率、鋼材和混凝土強度對構件的影響與其對等端彎矩偏壓柱的影響類似。

圓鋼管混凝土不等端彎矩有限元承載力機理

圓鋼管混凝土具有承載力高、延性好等優越的力學性能，還具備施工方便及造價經濟合理等工程優點，近年來在高層建筑和橋梁中得到廣泛應用。實際結構工程中，一般鋼管混凝土構件均為偏心受壓狀態，因此，對鋼管混凝土偏壓構件進行研究具有實際工程意義。對于鋼管混凝土偏壓柱，根據頂端和底端彎矩的異同，可分為等端彎矩偏壓柱和不等端彎矩偏壓柱。本文擬對圓鋼管混凝土不等端彎矩偏壓柱進行研究。

以往針對圓鋼管混凝土等端彎矩偏壓力學性能的研究較多［1］，而對其不等端彎矩偏壓力學性能的研究則相對較少［2-5］。其中，劉殿忠［2］進行了27個圓鋼管混凝土柱的不等偏壓試驗研究;蔡紹懷和顧維平［3］進行了27個兩端彎矩不相等的無側移鋼管混凝土框架柱的試驗研究;Kilpatrick和Rangan［4］進行了25個高強圓鋼管混凝土柱的不等偏壓試驗研究。另外，丁發興［5］利用模型柱法對此類構件的承載力進行了計算。

盡管以往研究者在圓鋼管混凝土不等端彎矩偏壓柱力學性能試驗研究方面取得了一些進展，但對其工作機理的理論研究尚少見報道。本文擬采用有限元軟件ABAQUS對圓鋼管混凝土不等端彎矩偏壓柱的荷載—變形關系全過程進行計算，并與其他研究者的大量試驗結果進行對比，用以驗證有限元軟件ABAQUS模擬圓鋼管混凝土不等端彎矩偏壓柱受力的正確性和可行性，在此基礎上，通過典型算例從構件的荷載—變形全過程曲線和對其受力性能的影響因素等方面對此類構件進行分析，以期從理論方面深入認識圓鋼管混凝土不等端彎矩偏壓柱的工作機理。

1 有限元模型計算

根據圓鋼管混凝土不等端彎矩偏壓構件的幾何與荷載邊界條件的不對稱性，取全結構模型進行計算。其有限元計算模型，包括材料模型、單元類型和界面接觸等參見文獻［6-7］。為驗證有限元法計算的合理性與可行性，對文獻［2-4］中的79個圓鋼管混凝土不等端彎矩偏壓柱的試驗進行了模擬，圖1給出有限元對文獻［4］中部分算例荷載—跨中撓度曲線的計算結果。可見計算曲線的斜率比試驗結果略偏小，承載力和下降段曲線與試驗結果符合較好。圖2給出了承載力計算結果(Nc)與試驗結果(Ne)的比較情況，其比值(Nc/Ne)的平均值為0.928，均方差為0.053。可見，有限元計算結果與試驗結果整體符合較好，在本文計算端彎矩比在(－1，1)范圍內，采用有限元法對圓鋼管混凝土不等端彎矩偏壓柱的計算是可行的。

圖1 N—um試驗曲線與計算曲線的比較

圖2 承載力試驗與計算結果的比較

圖3 典型構件荷載(N)—縱向應變(ε)全過程曲線

圖4 典型構件沿柱高(H)各特征點處撓度(u)曲線

2 荷載—變形全過程分析

為了更好地了解圓鋼管混凝土不等端彎矩偏壓柱受壓工作機理，這里以典型構件為例對其進行分析。所選典型算例的基本參數為:D=400 mm，t=10 mm，L =4 000 mm;采用C60混凝土(fcu=60 MPa)和Q345鋼材(fy=345 MPa);端彎矩比β=－1(β=M2/M1，其中M1和M2為構件兩端彎矩，需滿足|M1|≥|M2|);偏心率e1/r=0.5(e1為M1對應的偏心距，e1=100 mm，r=D/2)。

圖3為典型構件荷載—縱向應變全過程曲線，為便于論述，曲線上取了三個特征點，分別是:A點為鋼管即將進入屈服階段的點;B點為構件達到極限承載力的點;C點為縱向應變達到10 000微應變的點。圖4為典型構件沿柱高各特征點處對應撓度曲線。圖5為各特征點處跨中截面混凝土縱向應力分布情況，應力S33代表縱向應力，圖5中，fc為混凝土圓柱體抗壓強度。圖6為各特征點處鋼管的縱向應力分布云圖，應力S22代表鋼管管壁縱向應力。下面結合圖3～圖6對荷載—變形全過程曲線的三個階段進行描述:

圖5 跨中截面核心混凝土各特征點處的縱向應力等值線分布(單位:MPa)

1)OA段:如圖3和圖4所示，在此低荷載階段，構件荷載—縱向應變曲線基本呈直線關系，鋼管與混凝土均處于彈性階段。加載過程中，跨中截面核心混凝土全截面處于受壓狀態，如圖5(a)所示，核心混凝土縱向應力分布較均勻，為20 MPa左右。如圖6(a)所示，在A點處，鋼管僅在頂端出現很小范圍的拉應力區，其余部分受壓，縱向拉應力僅為32 MPa，鋼管底端縱向壓應力為344.5 MPa，即將進入屈服。

2)AB段:在此階段，構件各點撓度曲線呈反對稱波形，反彎點位于柱的半高或其附近，如圖4所示。混凝土縱向應力繼續增長，但未達到圓柱體抗壓強度fc(fc=51 MPa)，應力等值線大幅轉動，如圖5(b)所示。此時，鋼管拉應力、壓應力區都已進入塑性階段，鋼管縱向拉應力、壓應力同時增大，壓應力區域逐漸減小，拉應力區域逐漸擴展，擴展到縱向截面的1/2，如圖6 (b)所示。

3)BC段:在B點之后，隨著荷載的增大，撓曲線的反對稱性消失，反彎點向加載方向漂移。隨著荷載的逐漸增大，更進一步導致沿柱長剛度分布的不對稱性加劇，從而反彎點的漂移也隨之進一步加劇，如圖4所示。在此階段，隨著反彎點的變化，跨中截面混凝土出現一部分縱向應力值增大，而另一部分縱向應力值有減小趨勢，鋼管縱向應變增長緩慢，構件變形加劇，如圖5(c)和圖6(c)所示。

圖6 各特征點處橫向力作用面鋼管的縱向應力(S22)分布云圖(單位:MPa)

3 影響因素分析

3.1 端彎矩比的影響

研究表明，端彎矩比對構件受力性能有顯著影響，對于端彎矩比從－1到1變化時，構件承載力逐漸減小，延性降低，如圖7所示。圖8給出了構件達到極限承載力后，承載力下降了25%后的各點沿柱高的撓度曲線。結果表明，在其它條件相同時，所有構件均朝同一側彎曲，隨著端彎矩比從－1到1變化，構件各點的最大撓度逐漸增大，最大撓度點由靠近最大偏心距的一端逐漸向中點移動;對于端彎矩比為1的構件，即為等端彎矩偏壓構件時，構件沿跨中截面對稱，撓曲線呈明顯的正弦半波。產生這一現象的原因是:隨著端彎矩比從－1到1變化，構件承受的最大彎矩由柱端向跨中移動，構件撓度增大，因此，二階效應對構件承載力的影響越來越顯著，導致構件承載力下降。