圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱

力學(xué)性能分析與承載力計算

圖2鋼管混凝土柱圖1常見的中空夾層鋼管混凝土橫截面形式1.研究背景

中空夾層鋼管混凝土（ConcreteFilledDoubleSkinSteelTubes）簡寫是CFDST，就是一種組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，是在同心放置的內(nèi)、外兩層鋼管之間灌填混凝土而形成的鋼管－混凝土組合構(gòu)件。組合結(jié)構(gòu)的特點在于如何優(yōu)化地組合不同結(jié)構(gòu)材料，通過組成材料之間的相互作用、共同工作的優(yōu)勢，充分發(fā)揮各材料的優(yōu)點，盡可能避免或減弱材料本身屬性所帶來的不利效應(yīng)。圓中空夾層鋼管混凝土柱，是一種新型的鋼管混凝土豎向受壓結(jié)構(gòu)形式，是典型的組合構(gòu)件，是對傳統(tǒng)實心截面的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展。為了盡可能的節(jié)約材料，并充分發(fā)揮各種建筑材料的力學(xué)性能，組合結(jié)構(gòu)也就應(yīng)運而生；可以說，組合結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代工程科學(xué)技術(shù)進步和施工技術(shù)向工業(yè)化生產(chǎn)發(fā)展的必然產(chǎn)物。

圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算圖3

本文所研究的組合柱截面形式第1頁圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算2.

研究內(nèi)容CFDST試驗研究數(shù)值模擬理論計算軸心受壓柱偏心受壓柱承載力計算纖維模型法有限元模擬有限元模擬軸心受壓短柱軸心受壓長柱偏心受壓柱第2頁2.1基于纖維模型法圓中空夾層鋼管混凝土軸心受壓柱力學(xué)分析圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算2.1.1纖維模型法基本假定：內(nèi)、外鋼管和混凝土之間無相對滑移；相比具有相同外鋼管的實心鋼管混凝土，中空夾層鋼管混凝土中，核心混凝土受到內(nèi)鋼管的支撐作用，二者核心混凝土受到的約束作用基本相同；不考慮內(nèi)鋼管局部屈曲的影響；只考慮縱向平衡和變形協(xié)調(diào)條件?；痉匠蹋簝?nèi)外力平衡條件 變形協(xié)調(diào)條件 第3頁圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算2.1.2材料的本構(gòu)關(guān)系鋼材：混凝土：

圖2.2

理想彈塑性模型圖2.1五階段模型圖2.3韓林海模型圖2.4劉威模型第4頁圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算2.1.3典型構(gòu)件計算本構(gòu)關(guān)系組合類型：典型試件主要參數(shù)：

第5頁圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算（b）CC2B的

關(guān)系曲線（a）CC2A的關(guān)系曲線（c）CC3A的關(guān)系曲線（d）CC3B的關(guān)系曲線圖2.5圓中空夾層鋼管混凝土軸心受壓試件關(guān)系曲線第6頁圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算第7頁極限承載力對比分析2.2圓中空夾層鋼管混凝土軸心受壓柱受力性能數(shù)值分析圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算2.2.1模型建立幾何模型的建立單元類型材料的本構(gòu)關(guān)系邊界條件及加載模型求解第8頁典型試件基本參數(shù)：圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算圖2.6圓中空夾層鋼管混凝土軸心受壓試件關(guān)系曲線第9頁2.2.2模型驗證圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算圖2.7圓中空夾層鋼管混凝土軸心受壓試件關(guān)系曲線第10頁2.2.3荷載變形曲線分析圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算第11頁2.2.4受力全過程分析試件CC3A主應(yīng)力云圖試件CC3A主應(yīng)變云圖在受荷初期，截面處于彈性工作階段，由于鋼材的泊松比大于混凝土的泊松比，因此鋼材的橫向變形大于混凝土，外鋼管和核心混凝土有相互分離的趨勢，而內(nèi)鋼管和核心混凝土之間產(chǎn)生了相互作用力，此時，該相互作用力相對較小，可以考慮忽略，即內(nèi)、外鋼管和核心混凝土按剛度比承受外荷載，截面的承載力可以認為是內(nèi)、外鋼管和核心混凝土單獨受力的簡單疊加。當(dāng)荷載繼續(xù)增大時，截面進入彈塑性階段，混凝土泊松比增大并超過鋼材，核心混凝土的橫向膨脹變形將大于外鋼管的直徑擴張變形，由于變形協(xié)調(diào)，兩者產(chǎn)生相互作用力（即緊箍力和鼓脹力）。緊箍力不僅對核心混凝土有約束作用，使核心混凝土的承載力得到大幅度的提高，而且延緩了內(nèi)鋼管的屈曲，對外鋼管有環(huán)向張拉作用。

進入塑性階段后，混凝土的彈性模量時刻都在發(fā)生變化，隨荷載進一步增大，外鋼管處于主要承受環(huán)向受拉、縱向受壓的不利受力狀態(tài)，隨外鋼管的環(huán)向拉應(yīng)力不斷增大，當(dāng)環(huán)向拉應(yīng)力達到屈服極限時，外鋼管對混凝土的約束控制力失效，構(gòu)件截面承載力達到極限狀態(tài)，進而破壞。圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算名義含鋼率變化對荷載－軸向應(yīng)變曲線的影響外管徑厚比變化對荷載－軸向應(yīng)變曲線的影響空心率變化對荷載－軸向應(yīng)變曲線的影響長細比變化對荷載－軸向應(yīng)變曲線的影響第12頁2.2.5參數(shù)分析2.3圓中空夾層鋼管混凝土偏心受壓柱受力性能數(shù)值分析圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算2.3.1模型建立幾何模型的建立單元類型材料的本構(gòu)關(guān)系邊界條件及荷載施加模型求解試驗加載裝置示意圖典型試件基本參數(shù)：第13頁圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算2.3.2模型驗證極限承載力對比分析PCC1-2A柱中截面荷載－撓度關(guān)系曲線PCC1-2B柱中截面荷載－撓度關(guān)系曲線第14頁圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算第15頁2.3.3受力全過程分析本文以試件PCC1-2B為例，說明圓中空夾層鋼管混凝土偏心受壓柱的受力機理。柱中截面處縱向應(yīng)變沿截面X軸高度分布PCC1-2B在各級荷載作用下的側(cè)向撓度圖圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算第16頁柱中截面控制點示意圖圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算外鋼管壁厚變化對荷載－撓度曲線的影響核心混凝土強度等級變化對荷載－撓度曲線的影響長細比變化對荷載－撓度曲線的影響偏心率變化對荷載－撓度曲線的影響第17頁2.3.4參數(shù)分析2.4圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱承載力計算圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算第18頁2.4.1統(tǒng)一強度理論【俞茂宏】2.4.2基本假定截面平均應(yīng)變滿足平截面假定；不考慮接觸滑移，鋼管和混凝土之間變形協(xié)調(diào)；鋼管不發(fā)生局部屈曲，構(gòu)件屈服后截面形狀不變；構(gòu)件的屈服由鋼管和核心混凝土的縱向應(yīng)變引起；只考慮變形協(xié)調(diào)條件和縱向平衡，即內(nèi)外力平衡條件。圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算第19頁2.4.3軸心受壓短柱承載力計算[趙均海、郭紅香]圓中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件受力簡圖短柱的軸心受壓承載力由三部分組成：內(nèi)、外鋼管以及核心混凝土的承載力，即：圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算第20頁2.4.4軸心受壓長柱承載力計算[趙均海、魏雪英]2.4.5偏心受壓柱承載力計算[zhao]圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算第21頁2.4.6計算結(jié)果的對比分析軸心受壓試件承載力對比分析偏心受壓試件承載力對比分析注：為承載力試驗值；為纖維模型法計算值；為有限元計算值；為基于統(tǒng)一強度理論所推公式計算值。圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算3.

結(jié)論基于纖維模型法，對圓中空夾層鋼管混凝土軸心受壓柱的荷載－變形全過程關(guān)系曲線進行計算。結(jié)果表明：采用II號本構(gòu)關(guān)系組合（內(nèi)、外鋼管：理想彈塑性模型；核心混凝土：韓林海模型）進行纖維模型法計算時，計算結(jié)果最優(yōu)，能夠很好模擬軸心受壓柱的荷載－變形關(guān)系；由計算曲線可知，軸心受壓柱的荷載－變形全過程可用彈性段、彈塑性段、塑性段和下降段四個階段來描述；利用ANSYS軟件，建立了軸心受壓柱的有限元分析模型，模擬其受力全過程。得到的荷載－軸向應(yīng)變曲線與試驗曲線吻合較好，表明本文建立模型是合理正確的。利用該模型，對比纖維模型法計算所得荷載－變形關(guān)系曲線，分析了軸心受壓柱破壞過程和受力特性。在此基礎(chǔ)上，討論了外管徑厚比、名義含鋼率、空心率、長細比等因素對構(gòu)件受力性能的影響。結(jié)果表明：在本文討論的參數(shù)變化范圍內(nèi)，隨外管徑厚比的增大，試件承載力提高，延性增強；名義含鋼率的增加使承載力增加；隨空心率的增加，試件的承載力提高；由于有限元模型未考慮初始缺陷，長細比的變化對構(gòu)件受力性能的影響很小，基本沒有影響；第22頁圓中空夾層鋼管混凝土受壓柱力學(xué)性能分析與承載力計算采用與軸心受壓柱相同的建模方法，建立了偏心受壓柱的分析模型，對其受力全過程進行了模擬。計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，利用該模型，分析了圓中空夾層鋼管混凝土偏心受壓柱的破壞形態(tài)。結(jié)果表明：整個試件的破壞可分為三個階段：彈性階段、彈塑性階段和屈服后的強化階段。當(dāng)荷載達到極限荷載約63%時，受壓側(cè)外鋼管開始屈服。當(dāng)荷載達到極限荷載的86%左右時，受壓側(cè)內(nèi)鋼管也達到屈服。當(dāng)荷載達到極限荷載時，混凝土應(yīng)變達到抗壓強度，受拉側(cè)外鋼管也達到屈服。在此基礎(chǔ)上，進行了參數(shù)分析。結(jié)果表明：偏心受壓柱承載力隨核心混凝土強度等級的提高而增大，而后增大幅度變緩，當(dāng)核心混凝土等級由C65再度提高時，偏心受壓柱的承載力與荷載－撓度曲線基本不發(fā)生變化；增加外鋼管的壁厚能有效地提高偏心受壓柱的承載力和延性；試件的承載力隨著長細比的增加而減小；偏心率的增加使承載力減小，延性下降，大偏心作用下采用圓中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件是不可取的；對圓中空夾層鋼管混凝土柱，參考統(tǒng)一強度理論，分別得到了其軸心受壓短柱、軸心受壓長柱以及偏心受壓柱的承載力計算公式，并進行了典型試件理論計算；結(jié)果表明，