方中空夹层钢管混凝土压弯构件滞回性能的有限元分析.pdf

2 0 1 0年第 7期 铁道建筑 Rai l wa y En g i ne e r i n g 5 7 文章 编号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 7 - 0 0 5 7 - 0 5 方 中空夹层钢 管混凝土压弯构件滞 回性 能的有 限元分析 黄宏 ， 黄诚 ， 陈梦成 ( 华东交通大学 土木建筑学院 ， 南昌3 3 0 0 1 3 ) 摘 要 ： 研 究 方 中空 夹层钢 管 混凝 土压 弯 构件 的滞 回 性 能 是进 行 该 类 结 构 弹 塑性 动 力反 应 分析 的基 础 。 本文利用有限元软件 A B A Q U S建模 ， 模型 中合理地考虑 了往复荷载作用下混凝土的损伤 以及 刚度和强 度退化， 同时考虑 了钢材的包兴格效应 ， 对往复荷载下方中空夹层钢管混凝土压 弯构件的荷载一位移全 过程进行 了计算 ， 计算结果与试验结果符合较好。在此基础上， 结合钢管和混凝土的纵向应 力分布云图 对构件 的荷 载一 位移 全过 程进行 了分析 ， 这对 深入研 究该 类构件 的 工作 机 理有 重要 意义 。 关键词 ： 方 中空夹层钢管混凝土 压弯构件 滞回性能有限元 中图分 类 号 ： T U 3 9 2 ． 3 文献 标识 码 ： A 中空夹层钢管混凝土由钢管混凝土发展而来 ， 是 一 种在 两个 同心放 置 的钢管 之间灌 注混 凝 土而形 成 的 构件 ， 除具有钢 管混凝 土的基本 优点外 ， 还 有截面开 展 、 抗弯刚度大 、 自重轻等特点 。当受压构件长细 比较 大时， 构件的承载力将 由其刚度控制 ， 钢管混凝土构件 截面的强度承载力就不能得到充 分发挥 ， 而采用 中空 夹层钢管混凝土就具有很好的效果 ， 因此将 中空夹层 钢管混凝土应用于高架桥桥墩、 海洋平 台结构 的支架 柱和高耸构筑物中具有较大的优势。 中空夹层钢管混凝土的内、 外钢管可采用圆形、 方 形 、 矩形或其它截面形状钢管 的两两组合 ， 因此该类构 件有较多的截面形式。由于方形钢管作为外管有利于 梁柱节点的连接， 而圆形钢管作为 内管有利于防止 内 管 发生局 部屈 曲 ， 因此 ， 本 文拟对 图 1所示 截 面形式 的 方中空夹层钢管混凝土构件进行研究 。 混凝 图 1 构件截 面示 意 收稿 日期： 2 0 1 0 -0 3 - 0 2 ； 修 回日期 ： 2 0 1 0 - 0 4 - 2 6 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 9 6 8 0 0 6 ) ； 江 西省 自然科学基 金资助项 目( 2 0 0 9 G Z C 0 0 2 3 ) 。 作者简介： 黄宏 ( 1 9 7 7 一) ， 女 ， 江西樟树人 ， 副教授 ， 博 士。 研究 方 中空夹 层钢 管混 凝土构 件 的滞 回性能是 进 行该类结构弹塑性动力反应分析的基础， 目前国内外 对该类构件的滞 回性能研究很少 ， 作者所在课题组 J 进行了 1 2个方中空夹层钢管混凝土压弯构件 的滞 回 试验研究 ， 并采用纤维模型法对荷载一位移滞 回曲线 进行了计算。纤维模型法计算简便快捷 ， 但不能准确 地分析钢管和混凝土单元的三向应力 以及在受力过程 中钢管和混凝土之间的相互作用， 因此不 能对其工作 机 理进行 分析 ， 而 有 限元 法 可 以全 面地 了解 构件 在 受 力过程中的应力和应变分布、 内外钢管与混凝土的相 互作用和破坏形态 ， 从而能较深入地认识其工作机理 ； 张耀春等 采用 A B A Q U S对带肋薄壁方钢管混凝土 柱的滞回性能进行 了模拟计算 ， 计算结果与试验结果 符 合较 好 。 本文拟采用有 限元软件 A B A Q U S建模对往 复加 载下方 中空夹层钢管混凝土的荷载一位移关系全过程 进行计算 ， 在有限元计算模 型可靠性得 到试验验证的 基础上 ， 结合钢管和混凝土 的纵向应力分布云图对该 类构件的荷载一位移全过程进行分析。 1 有 限元模型 的建 立 利用有限元软件 A B A Q U S进行建模 ， 对往复荷载 下方中空夹层钢管混凝土的荷载一位移关系进行全过 程计算。 1 ． 1材料 的本构 关 系模型 钢材采用双线性随动强化模 型， 分为弹性段和强 化段 ， 考虑了包兴格效应 ， 在 弹性 阶段 的弹性模量 E 和泊松 比 分别取 2 0 6 G P a和 0 ． 3 ， 取 强化模 量为 0 ． O1 E E 3 ] 。 5 8 铁道建筑 混凝土采用塑性损伤模型 ， 该模型是基于拉 、 压各 向同性塑性的连续线性损伤模型 ， 可较好地模拟混凝 土在单轴、 双轴等复杂状态下 的工作性能。同时将损 伤指标引入混凝土模型 ， 对混凝 土的弹性刚度矩阵加 以折减 ， 以模拟混凝 土的卸载刚度随损伤增加而降低 行为 ， 同时将非关联硬化引入混凝 土弹塑性本构模 型 中， 以更好地模拟混凝土的受压弹塑性行 为。塑性损 伤模型认 为混凝 土的破 坏可分为拉裂和压碎两种情 况， 其屈服面和破坏面 由等效拉 、 压非弹性应 变控制 ， 因此 ， 该模型需要分别采用受拉 和受压的应力一非弹 性应变关系来定义材料的性能。对于往复荷载下的受 拉混凝土， 综合考虑计算的效率以及收敛性和准确性 ， 本文采用混凝土开裂应力一开裂位移来考虑混凝土的 受拉软化性能。核心混凝土的单轴受压应力一应变关 系采用刘 威 改进 的钢 管 混凝 土 中核 心混 凝 土 模 型 ， 该模型考虑了核心混凝土受钢管被动约束 的特点 ， 更 适 合 有 限元 软 件 A B A Q U S对 核 心 混 凝 土 受 压 应 力一 应变关系的分析。在往复荷载作用下 ， 当荷载方 向改 变时 ， 混凝土 的弹性 刚度 会有一 些恢复 ， 在 A B A Q U S 中， 这个特性是通过 与往复荷载下受拉和受压 刚度恢 复相关的权系数( 和 ) 来实现的， 对钢管混凝土结 构 ， 取 =0 ． 2 ， =0 。往复荷载作用下混凝土受 拉 、 受压损伤可 以分别用受拉损伤 因子 d 和受压损伤 因子 d 来描述， 根据上面确定 的混凝土非弹性阶段的 应力一应 变 ( 位移 ) 关 系 ， 通 过 d =1一 E 。 ／ [ 8 ‰ ( 1 ／ b ) ～ 1 ) + o r ) E 。 ] 可求得损伤因子的数 值 ， 其 中取 b =0 ． 1 ， b =0 ． 7 。混凝 土的泊松 比 取 0 ． 2， 弹性模量按 E = 4 7 3 0 MP a 计算 ， 其 中f c 为混凝 土 圆柱体 抗压 强度 。通过 将混 凝土 的黏性 系数 修正为0 ． 0 0 0 5 ， 增加结构 的刚度 ， 提高软化 阶段 的收 敛效率 。 1 ． 2单元 类型 的选取 与划分 内外钢管均采用 四节点缩减积分 格式的壳单元 ( S 4 R) ， 为了满足一定的计算精度 ， 在壳单元厚度方向 采用 9个积分点的 S i m p s o n积分。盖板 和核心混凝土 采用八节点减缩积分格式的三维实体单元( C 3 D 8 R) ， 该类单元可用于模拟产生较大 的网格扭 曲， 适合进行 大应变分析。采用结构化 网格划分技术 ， 在模 型的长 度方 向上进行均匀的网格划分 。 1 ． 3 钢管与混凝土的界面模型 钢管与混凝土的界面模型由法向的接触和切向的 黏结滑移组成 ， 选择“ 硬” 接触作为钢管与核心混凝土 的法向接触行为 ， 即垂直 于接触面的压力 可以完全地 在界面中传递。采用库仑摩擦模型来模拟钢管与核心 混凝土界面切向力的传递 ： 界面可以传递剪应力， 直到 剪应力达到临界值 ， 界面之间产生相对滑动， 摩擦系数 取 0 ． 2 5 。 1 ． 4边界条 件 试验中试件两端铰接 ， 通过跨 中的刚性夹具对试 件施加荷载 。根据试件 的实际受力情况 ， 建立模型的 边界条件。由于结构 和受力 的对称性 ， 因此取半结 构 模型进行计算 ， 跨 中截面沿 X O Y平面对称， 底部盖板 中心线 约束 、 y两方 向位 移 ， 如 图 2所示 。采 用 多个 分析步进行模拟 ， 在第一个分析步 中对构件底部盖板 施加轴 向面荷载 ， 后面的多个分析步中均保持轴力 恒 定 ， 将每个循环中的正 向、 反向加载各 自定义成一个分 析步 ， 依次对跨中刚性夹具 的位移加载线进行位移加 载 。 图 2边 界 条 件 2 有 限元计算与试验 结果比较 为了验证 以上所建 有限元模 型计算 结果的正确 性 ， 本文对 9个方中空夹层钢管混凝土压弯构件 的滞 回试验 进行了模 拟。图 3中， B 。 、 t 。 和 。 分别为外 钢管的边长、 厚度及钢材屈 服强度 ； D 、 t 和 分别为 内钢 管 的外 径 、 厚 度 和 钢 材 屈 服 强 度 ， n为 设 计 轴 压 比 ， 为施 加 的轴 向压 力设计 值 。 图 3表明 ， 有限元计算结果 与试验结果总体吻合 较好 ， 计算结果略微偏于安全。 3受力全过程分析 为了更好地 了解往复荷载作用下方中空夹层钢管 混凝土压弯构件的工作机理 ， 这里以典型构件为例 ， 对 其荷载一位移全过程进行分析。所选典型算例的基本 参数为： B 。 = 4 0 0 mm， t 。 =9 ． 3 1 mm， D i =1 9 0 ． 7 m m， t ‘ = 3 ． 1 8 m m 。 = = 3 4 5 MP a ， = 6 0 MP a ， 混 凝 土 圆 柱体 抗 压强度 f c = 5 1 MP a ， N o = 5 2 4 k N， n= 0 ． 0 7 。 图4为按上述参数计算的典型构件荷载一位移滞 回关系曲线 ， 为了便于论述 ， 在 曲线 上取七个特征点 是 ： ①O点为恒定轴力加载后 ， 横 向力加载前的点 ； ②A 点为图 2中横 向力作用 面的外钢管 ( 以下简 称外钢 管) 压 区纵 向应力达到屈服的点 ； ③B点为第一次开始 2 0 1 0年第 7期 方中空夹层钢管混凝土压弯构件滞 回性能 的有 限元分析 5 9 ( a ) ￡=1 2 0mmx 3mm x l 5 0 0 mm Dl t= 3 2 mmx 3 mm = 2 7 5 9 MPa ， ： ． = 4 2 2 3 MP a ； = 5 8 ． 1 MP a ； Ⅳ n = O； = 0 —8 O - 4 O 0 4 0 8 0 d／ mm ( d )B o t o L= 1 2 0mm3 mm x1 5 0 0mm 0 ~ = 5 8 m mx 3 mm； 厂 瑚 = 2 7 5 9M P a =3 7 4 5MPa ； = 5 8 1 MPa ； No = 0 ， 0 ( g ) L=1 2 0mmx 3mm 1 5 0 0 mm D = 8 8 mm 3 mm ； = 2 7 5 9 MPa ； =3 7 0 ．2MPa ； = 5 8 1 MPa ； ：O ； n - - O ( b ) ％ L= 1 2 0 m mx 3 mm1 5 0 0 m m Dl = 3 2 mmx 3 mm； = 2 7 5 9 MPa ； ，： 4 2 2 ．3 MP a ； = 5 8 ． 1 MPa ； No =1 7 2 k N ： 月 = o -2 0 ( e )Bo t o L=1 2 0mm~3 mm x1 5 0 0mi ll D ~ = 5 8 mm 3 m m 厂 瑚 = 2 7 5 ．9MP a ； ‘ = 3 7 4 ．5 M P a ； = 5 8 1 M P a ； Ⅳn =1 6 7 k N； n = O ．2 0 ( h )B 。 L=1 2 0mmx 3 mm x1 5 0 0mm； D L = 8 8 m mx 3 m m； 厶= 2 7 5 ．9 M P a ； ， = 3 7 0 ．2 M P a ； ， 二 = 5 8 1 M P a ； Ⅳ n = 1 4 9 k N； n = 0 ． 2 0 图 3 荷 载( P ) 一 位移( A) 关系 曲线 图 4 典型构件荷载一位移滞 回关系 曲线 卸载的点； ④c点为卸载至荷载 P接近零的点 ； ⑤D点 为反向加载后外钢管压区纵 向应力达到屈服 的点 ； ⑥ E点为反向加载后开始 卸载的点 ； ⑦F点为第二次正 向加载至开始卸载的点。图 5为各特征点处核心混凝 土的纵向应力分布云图； 图 6为外钢管的纵向应力分 布云图； 图 7为横向力作用面一侧对应 的内钢管 ( 以 4／ mm ( c ) ￡=1 2 0mm3 mm 1 5 0 0mm =3 2 mm x 3 mm； ； 2 7 5 ． 9 MP a ‘ = 4 2 2 3 M P a ； = 5 8 ． 1 M P a ； =3 4 4 k N ； n = 0 ． 3 9 ．3 O 0 3 0 6 O ／ m a n ( f )Bo t o L=1 2 0ram~3mm 1 5 0 0mm D~= 5 8minx 3 mm； = 2 7 5 9Ⅳ衅a ， = 3 7 4 ．5 M P a ； 毛= 5 8 1 M P a ； N o =3 3 4k N；n = 0 ．3 9 ( i ) L= 1 2 0minx 3mm 1 5 0 0 mm ： D~= 8 8mm 3mm； ： 2 7 5 9 MPa ； ， = 3 7 0 ． 2 MP a ； 毛= 5 8 1 M P a ； =2 9 8 k N ； n =0 ．4 0 下简称内钢管) 的纵 向应力分布云图， 下面结合图 5～ 图 7对荷载一变形全过程曲线的六个阶段进行描述 ： 1 ) O A段。0点处 ， 只施加 了轴 向力 ， 核心混凝土 全 截面 处 于 受压 状 态 ， 如 图 5 ( a ) 所 示 ， 核 心混 凝 土纵 向应力分布较均匀 ， 为 9 M P a左右 ， 未超过 ( =5 1 MP a ) ， 核 心混凝 土 与 内外 钢 管 已经产 生 了 相互 作 用 。 此后 ， 开始施加横向力 ， 横向力作用一侧 的混凝土压应 力不断增大 ， 另一侧受压区开始卸载 ， 在 A点处 ， 如图 5 ( b ) 所示 ， 核心混凝土出现拉 、 压两个 区域 ， 最大压应 力为 3 6 ． 8 MP a ， 未达 到 ， 受拉区混凝土最大应力为 3 ． 4 6 M P a ， 未达到混凝土极限抗拉强度 。如图 6 ( a ) 所 示 ， 在 A点处 ， 外钢管跨 中处纵向应力 为 3 4 3 MP a ， 即 将进入屈服， 钢管 的纵 向应力由跨中至端部， 压应力逐 渐减小 ， 钢管端部 出现拉应力 ， 这是由于构件端部焊有 — 鬲 蚤 、 铁道建筑 图 5 跨中截面核心混凝土各特征点处的纵向应力 分布云图 ( b )B点 ( C ) C 点 ( d)D点 图 6 各特征点处横 向力作用面外钢管的纵向应力分布云图 盖板， 对钢管有一定 的约束作用。由图 7 ( a ) 可知 ， 在 A点 处 ， 内钢 管 处 于 受 压 状 态 ， 最 大 压 应 力 为 1 9 6 ． 8 MP a ， 未达到屈服。在此阶段 ， 荷载一位移基本呈直线 关系 ， 内外钢管与混凝土均处于弹性阶段。 2 ) A B段。在此 阶段 ， 外钢管受压区首先进 入屈 服， 应力不断增大 ， 内钢管压 区也逐渐进入屈服， 如图 7 ( a ) 所 示 。 由图 5 ( c ) 可 知 ， 受 压 区混凝 土应 力不 断增 大 ， B点 处 混 凝 土 应 力 为 5 5 MP a ， 超 过 了 ( ． =51 M P a ) ， 这说明由于内外钢管对混凝土的约束作用 ， 使 得混凝土的强度有所提高。受拉区混凝土应力下降至 1 ． 3 9 MP a ， 说明该区域的混凝土 已经被拉裂。在此阶 段 ， 截面总体处于弹塑性状态， 随荷载的增加， 受压 区 和受拉区钢材的屈服面积不断增加 ， 刚度不断下降， 荷 载一位移呈曲线关系。 3 ) B C段 。从 点 开始 卸 载 ， 荷 载一 位 移 基 本 呈 直线关系 ， 卸载刚度与 O A段 刚度基本相同。在 C点 2 0 1 0年第 7期 方中空夹层钢管混凝土压弯构件滞 回性能的有限元分析 6 1 ( a)A点 ( b) B点 ( c)C点 (d)D点 图 7 各特征点处横 向力作用面对应 内钢管的纵 向应力分布云图 截 面卸载 到横 向力 为零 附近 ， 由于恒 定轴 向力 存在 ， 核 心 混凝 土全截 面处 于受压 状态 ， 如 图 5 ( d ) 所 示 。 由于 钢管和混凝土都发生 了塑性变形导致 c点截面上有 残余的变形产生 ， 所以混凝土 的应力分布变得不太均 匀 。 由图 6 ( C ) 和 图 7 ( C ) 可知 ， 内外 钢管 由于卸 载 ， 跨 中受压区的应力不断减小 ， 外钢管跨 中应力减至 0后 出现受拉 ， 这是因为 A B A Q U S计算步不能精确定位于 截面卸载到横向力为零的点 ， 此时的 c点实际已经进 入 了反 向加 载 。 4 ) C D段。构件开始反向加载， 由图 6 ( d ) 和图 7 ( d ) 可知， 内外钢管均处于弹性状态 ， 外钢管跨 中由受 压 开 始 变 为 受 拉 ， D 点 处 受 拉 区 最 大 拉 应 力 达 到 3 5 1 ． 8 M P a ， 开始 进入 屈 服 阶段 ； 内钢 管 跨 中顶 部 出 现 拉应力 ， 但两侧还处于受压状态 ， 这是因为内钢管是圆 形 的 ， 顶 部沿 两侧 至 内钢 管截 面 中和轴 ， 承受 的弯 曲 正 应力逐步减小 ， 反向加载在 内钢管截 面中和轴附近产 生 的拉应 力还 未完 全抵 消之前 的压 应力 。核 心混 凝土 最大拉应力未达到极 限抗拉强度 ， 此阶段荷载一位移 仍基 本呈 直线关 系 。 5 ) D E段。外钢 管受拉 区首先进入屈服 ， 应力不 断增 大 ， 内钢管 受 拉 区也 逐 渐 进入 屈 服 ， 如 图 6 ( e ) 所 示 ， 在 E点处 外 钢 管 端 部 受 压 区 出现 局 部 拉 应 力 ， 这 是 因为外钢 管 端部 已发 生 局 部 向外 鼓 屈 。如 图 5 ( f ) 所示 ， 混凝土受压强度缓慢增加 ， 受拉部分应力降低 ， 说 明此 区域 混凝 土 已经开裂 。混 凝土 受压 区应力 分 布 凌乱 ， 这是因为构件正 向加载 至 曰点时 ， 该 区域的混 凝土已经开裂， 反向加 载后 ， 该 区域转为受压区， 混凝 土裂缝闭合 ， 继续承担压应力 ， 但此时该 区域 的混凝土 已经损 伤 ， 故 混凝 土 的 纵 向应 力 分 布 变 得不 均 匀 。此 阶段截面处于弹塑性阶段 ， 随着 内外钢管屈服面积的 不断增加 ， 截面刚度逐渐降低 。 6 ) E F段 。工作情况类似 B E段。 4 结论 在 本文研 究 的基 础上 ， 可 以得 到如 下结论 ： 1 ) 利用有 限元软件 A B A Q U S建模计算得到的往 复荷载下方中空夹层钢管混凝土压弯构件荷载一位移 滞 回关系曲线与试验结果总体符合较好 ， 计算结果略 微偏 于安 全 。 2 ) 结 合 内外钢 管 和混 凝 土 的纵 向应 力 分 布 云 图 ， 对往复荷载下方中空夹层钢管混凝土压弯构件荷载一 位移 滞 回关 系全过 程 曲线 进 行 了 分析 ， 这 对 深 入研 究 该类构件的工作机理有重要意义。 参 考 文 献 [ 1 ] 黄宏 ， 韩林海 ， 陶忠． 方 中空 夹层钢管 混凝土柱 滞 回性 能研 究[ J ] ． 建筑结构学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 2 ) ： 6 4 - 7 4 ． [ 2 ] 张耀春 ， 徐超 ， 卢 孝哲． 带肋 薄壁 方钢管 混凝土柱 的滞 回性 能[ J ] ． 东南大学学报 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 1 ) ： 1 0 0 — 1 0 6 ． [ 3 ] 韩林 海． 钢 管混凝 土结 构一 理论 与实践 ( 第 二版 ) [ M] ． 北 京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 刘 威． 钢管混凝土局 部受压 时 的工 作机 理研究 [ D] ． 福州 ： 福州 大学 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ] 徐超． 方 形设 肋 薄壁 钢 管混 凝 土 柱抗 震 和抗 火性 能 研究 [ D] ． 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 7 ． [ 6] BI R T EL V． MARK P． P a r a me t e r i s e d f i n i t e e l e me n t mo d e l l i n g o f R C b e a m s h e a r f a i l u r e [ M] ． 2 0 0 6 A B A Q U S U s e r s ’C o n f e r e n c e ， 2 0 06：9 5— 1 0 8． [ 7 ] 雷拓， 钱江， 刘成清． 混凝土损伤塑性模型应用研究[ J ] ． 结 构工程师 ， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 2 ) ： 2 2 — 2 7 ． ( 责任审编 白敏华)