圆钢管活性粉末混凝土长柱轴心受压承载力分析.pdf

1 36 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 0c t o be r， 2 01 3 文章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 1 3 6 0 4 圆钢管活性粉末混凝土长柱轴心受压承载力分析 杨 骏 ， 闫志刚， 罗 华 ( 北京交通大学 土木建筑工程学 院 ， 北京 1 0 0 0 4 4 ) 摘要： 应用 A B A Q U S建立了圆钢管活性粉末混凝 土( r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e ， 简称 R P C) 长柱有 限元模 型 ， 计 算得到 1 6个试 件 的荷载一 变形 曲线和极 限承 载 力 ， 极 限承 载 力 计 算结 果 与 已有 试验 结 果 吻合 较 好 。研 究 长细 比和套箍 系数 对 圆钢 管 R P C长柱 轴心 受压极 限承 载 力的影 响 ， 并 对长 柱和 短 柱 的受 力性 能进行 了比较 。研 究结果表 明 ： 不 同长细 比试件 的荷 载一 变形 曲线在 弹性 阶段 均 吻合 良好 ， 在 弹 塑性阶 段 出现破坏以后 ， 曲线均有不同程度的偏差 ； 不同套箍 系数试件弹性阶段的荷载一 变形曲线及极限承载 力均区别不大， 套箍 系数较大的圆钢管 R P C长柱后期强度提 高较大， 且延性较好 ； 圆钢管 R P C短柱的 弹性 阶段 比长 柱有所 延 长 ， 极 限承载 力 亦显著增加 ； 短 柱破 坏表现 为核 心混 凝 土破 坏 、 钢管屈服 ， 长柱破 坏表 现 为整体 失稳 。 关键词： 圆钢管 活性粉末混凝土 轴心受压有限元分析极限承载力 中 图分类 号 ： T U 5 2 8 5 9文 献标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 1 0 4 3 钢管 混凝 土与普 通混凝 土 相 比在 力学 性能 和施工 上具 有 明显优 点 ， 在 我 国 已经 应 用 了 4 0多 年 ， 并 发 展 出多种 形式 ， 如方 钢管混 凝 土 、 圆钢 管混 凝土 等 。钢 管 中 的 混 凝 土 也 由 普 通 混 凝 土 发 展 到 高 强 混 凝 土 ， 而超 高 性 能 混 凝 土 活 性 粉 末 混 凝 土 的 出 现 ， 显著提 高 了钢管 混凝 土 的承载 能力 。 目前 对 于钢管 活性粉 末混 凝土 短柱 的轴心 受压 性 能 研究 较 多 ， 但 是 对 于 长 柱 性 能 的 研 究 还 比较 缺 乏 。本文应用有限元法研究不 同长细 比、 不 同套箍系 数 对 圆钢管 活性粉 末 混 凝 土长 柱 承 载力 的影 响 ， 为 工 程 应用 提供 参考 。 1 有限元模 型的建立及 分析 1 1 钢 管 的材料 模型 钢管的材料力学性能试验数据见表 1 ， 其 中数据 分 为 3组 ： 第 1 组 对应 钢管 R P C试件 R 1R 4 6 3 ( 见 表 1中 G一 1 、 G 一 2 ) ； 第 2组 对应 钢管 R P C试 件 R 一 5 R一 8 ( 见表 1中 G- 3 ) ； 第 3组 对应 钢管 R P C试 件 S R 1 、 S R 一 2及 R 一 9R - 1 4 ( 见表 1中 G 4 、 G - 5 ) 。其 中钢 材 的应力 应 变 曲线 见 图 1 。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 2 0 4 ； 修 回日期 ： 2 0 1 3 0 7 1 9 基金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 1 0 0 8 0 1 4 ) ； 北 京交通大学基本 科研业务费资助项 目( 2 0 1 1 J B M2 5 9 ) 作者简介 ： 杨骏( 1 9 8 8 一 )， 男， 四川汶川人 ， 硕士研究生。 表 1 钢管材料力学性能 8 0 0 70 0 60 0 蛊 5 o o 400 3 0 o 2 0 0 1 O O 0 图 1 试 件抗 拉应 力一应变 曲线 1 2约束 混凝 土本构 关 系模 型 约束混凝土模型采用韩林海的约束混凝土本构关 系 模 型 。 。 。 和 S u s a n t h a的 约 束 混 凝 土 本 构 关 系 模 型 。在韩林海的模型中， 将套箍系数 作为主要参 数来分析钢管与混凝土的相互作用。同时， 也会用到 文献 1 O 中的核心混凝土等效应力一应变关 系模型。 S u s a n t h a约束混 凝土 本构关 系模 型 主要 根 据 钢 管径 厚 比限值进行定义。图2为约束混凝土应力一应变关系 曲线 。 2 0 1 3年第 1 0期 杨骏等 ： 圆钢管活性粉末混 凝土长柱轴心受压承载力分析 l 3 7 应变 图 2 约束混 凝土应力一应变 曲线 1 3钢与 混凝 土之 间 的接触 面模 型 接触面模型对于有 限元分析的结果将产生很大的 影 响 ， 在 A B A Q U S建模 中 ， 接 触 面 由两 方 面构 成 ： 一是 界 面法线 方 向 的接 触 ， 二 是 切 线方 向 的黏 结 滑 移 。界 面 法线方 向的接 触又 分两 种 ： 运 动 学 列式 ( 硬 接 触 ) 和 罚 函数 列式 ( 软 接触 ) 。“ 硬 接 触 ” 含 义 为 ： 接触 压 力 的 大小在接触面之间的传递不受 限制 ， 当接触压力变为 0或 负值 时 ， 两 个 接触 面分 离 ， 并且 去 掉 相应 节 点 上 的 接触约束。“ 软接触” 局部 弹性 响应 可以在接 触物之 间发 生 。 在本 文 的分析 中 ， 为 了更 好 地模 拟实 际情 况 ， 采 用 “ 硬接 触 ” 作 为钢 材 和 混凝 土界 面之 间 的接 触 。 由于 钢管 混凝 土在 受 压 的过 程 中会 产 生变 形 ， 而且 钢 管 和 混凝 土 的变形 并 不一致 ， 故 切 向作 用也需 要 考虑 ， 对 于 界面切向的粘结滑移本文采用库仑摩擦模型。 1 4 网格 的划分 及加 载 方案 网格 的划分 需要 视模 型 的具 体情况 而定 。根 据模 型的尺寸、 形状 、 类型， 通过边上种子的设置 、 网格参数 的控制、 单元类型的选择来划分网格 ， 而这些直接决定 模 型 的计算 量 。本 文模 型 中 ， 钢 管 活性 粉 末 混 凝 土 构 件 由 3部分组成 ， 分别是钢管 、 钢 管与混凝土 的接触 面 、 核 心 受约束 的混凝 土 。 由于 在受 荷过 程 中 ， 试件 发 生变 形 ， 所 以钢管 与混凝 土 之 间势必 发生 滑移 ， 尤其 是 在受 到极 限荷 载 以后 ， 滑 移 显 著 。对 于 混凝 土 与钢 管 均采 用 三维八 节 点 六 面 体 ( C 3 D 8 ) 单 元 。本 文模 型 单 元的划 分选 取 精 度合 适并 且 计算 效 率较 高 的种 子 分 布 。 钢管混凝土柱的加载形式分为 3种 ： A式加载， 荷 载 只施 加 于混凝 土上 ， 钢 管不 受荷 载作 用 ， 见 图 3 ( a ) ； B式 加 载 ， 荷 载 同 时 施 加 在 钢 管 与 混 凝 土 上 ， 见 图 3 ( b ) ； C式加载 ， 开始荷载只施加于钢管上 ， 当钢管变 形达到一定程度 ( 弹性范 围内) 与混凝土面齐平后 ， 钢 管与混凝土共同承受荷载， 见图 3 ( c ) 。本文中采用 B 式 加载 方式 。 在 模 型 的柱顶 端 施加 轴 向荷 载 ， 在 柱 底 端 施 加 固 定约束 。由于结果输出的需要 ， 将一个耦合约束建立 ( a ) A 式加 载 ( b ) B 式加载 ( c ) C 式 加载 图 3钢 管 混 凝 土 柱 的 3种 加 载 方 式 在柱底 ， 将一个约束控制点与柱 子底面 的运动耦合约 束在一起。其 中， 除了柱子顶端留轴向自由度外 ， 其余 柱顶 、 底 端 的所 有 自由 度 均 被 约 束 住 。 在 柱 顶 施 加 2 0 m m的位移荷 载 ， 由于 试 验 中长 柱 的 轴 心 受压 存 在 侧 向变形 过 大 的问题 ， 所 以在柱 顶施 加 1 k N m的弯矩 来模 拟钢 管 R P C试 验 中 的侧 向变 形 对 于 轴 心 受 压 的 影 响 。 1 5有 限 元模型 的验 证 钢管 R P C轴心受压所建模型基本参数及试验结 果 与 有 限 元 分 析 结 果 的 比 较 见 表 2 。从 表 2可 得 ， 的平 均值 为 0 9 6 5 ， 方 差 为 0 0 0 1 6， N 的平 均值为 0 8 7 9， 方差为0 0 0 1 2 。韩林海的约束混凝土 本 构关 系模 型 有 限元 计算 结 果 与 试 验 结果 吻合 较 好 ， 比较适用 ， 所以将韩林海 的约束混凝土本构关 系模型 应用 于 圆钢管 活性 粉末 混凝 土轴 心受压 性 能的研 究 。 2计算结果及分析 本 文采 用 了 l 6个模 型 ， 通过 对 比验证来 研究 钢 管 活 性粉 末混 凝土 长柱 在 不 同的 长细 比 、 套 箍 系 数 条 件 下 ， 其轴心受压承载力所受到的影响。 2 1长细 比的 影响 图 4为在不 同的长 细 比下 ， 钢管 R P C荷载一 变 形 曲线 。 由图 4可知 ， 在 弹性 阶段 ， 长 细 比变化对 于钢 管 R P C试 件 承 载 力 的影 响 不 大 ， 在 进 入 弹 塑 性 阶 段 以 后 ， 长细 比大的试件 ， 其承载力迅速降低。可见 ， 对于 钢管 R P C长柱， 随着 长细 比的增加 ， 其承载力显著 降 低。由于长细 比增大 ， 钢管 R P C试件受压存在失稳的 问题 ， 所以其极 限承载力会有一定的降低。而且试验 中 ， 由于加载 条件所 限 ， 所施 加 的压力 会存 在一定 的初 始偏心 ， 这也会造成 钢管 R P C试 件 的极 限承载力 降 低。所以， 钢管 R P C长柱的破坏是 由侧 向挠度过大整 体失稳所致。 2 2套 箍 系数 的影响 不 同套箍 系数 钢 管 R P C长 柱 荷 载一变 形 曲线 见 图 5 。 1 3 8 铁道建筑 O c t o b e r 2 0 1 3 2 l 囊 y mm y mm ( a ) 试件R 一 1 和试件R 一 3 ( b ) 试件R 5 R 8 图 4不 同长细 比圆钢管 R P C长柱 荷载一变形 曲线 n m ( C ) 试件R - 9 R - 1 1 y mm y l mm y mm ( a ) 试件R - 1 和试件R 一 2 ( b ) 试件R 1 0 和试件R 一 1 3 ( c ) 试件R 一 1 I 和试件R I 4 图 5 不 同套箍系数圆钢管 R P C长柱荷载一变形 曲线 由图5可得 ， 套箍系数的提高对于钢管 R P C的极 限承载力的提高影响有限 ， 但是对 于后期强度有较大 的提高。由于钢管对核心混凝土的套箍作用加强 ， 核 心 混凝 土在 三 向受 压 的 状 态下 ， 其 强 度 得 到 了更 好 的 利用 ， 所以在后期， 套箍系数较大的构件其下降段更为 缓和 ， 表现出了较好 的延性 。所以， 对 于钢管 R P C长 柱构件 ， 其破坏还是 以侧向挠度过大导致 的失稳破 坏 为主， 套箍系数对其破坏影响不大。 2 3 长柱 与短 柱 的受力性 能 比较 长 柱与短 柱 的受 力性 能 比较 见 图 6 。 由图 6可见 ， 圆钢管 R P C短柱 ( L D4) 与钢管 R P C长柱 ( L D4 ) 相 比， 弹性阶段延长、 极限承载力 2 0 1 3年第 1 O期 杨 骏等 ： 圆钢管活性粉末混凝土长柱轴 心受压承载力分析 1 3 9 y mm ( a ) 试件s R l 、试件R 一 9 R l 1 y mm ( b ) 试件S R - 2 、试 件R l 2 R 一 1 4 图 6 圆钢管 R P C长柱 与短柱的荷载一变形 曲线对 比 显 著增 加 。 由于短 柱 的长度 较短 ， 所 以在加 载 过程 中 ， 其不会 发 生过 大 的 侧 向挠 度 进 而 对 圆钢 管 R P C短 柱 的极限强度造成太大 的影响。在破坏过程中 ， 圆钢管 R P C短柱破坏形态表现为钢管壁发生鼓 曲、 试件横截 面被镦粗。所 以短柱与长柱的受力性能的区别在于控 制破坏的因素不同 ， 圆钢管 R P C短柱的破坏表现为核 心混凝土被压坏和钢管屈服 ， 而长柱的破坏则 为整体 丧失 稳定 。 3 结论 本文通过有 限元模 拟来分析 圆钢管 R P C长柱轴 心受 压 承载 力 ， 得 到 以下结 论 ： 1 ) 建立合理 的钢管 活性粉末混凝土有 限元分 析 模型， 通过对两种约束混凝 土模 型计算结果的对 比发 现 ， 采用韩林海的约束混凝土模 型计算结果与试验结 果吻合较好 ， 可用于计算长钢管 R P C长柱 的轴心受压 承 载 力。 2 ) 在圆钢管 R P C长柱荷载一变形曲线 中， 不同的 长细比条件下 ， 其弹性 阶段均吻合 良好 ， 在弹塑性阶段 出现破坏以后 ， 曲线均有不同程度的偏差 ； 不同的套箍 系数 ， 其弹性 阶段的曲线 以及极 限承载力均区别不大 ， 主要区别在于套箍系数较大 的其后期 强度提高较大 ， 且 延性 较好 。 3 ) 将 圆钢管 R P C短 柱 与 长 柱 的 有 限元 计 算 结 果 进 行 了对 比， 短 柱 的弹性 阶段 比长 柱有所 延 长 ， 短 柱 的 极 限承载 力亦 显著 增加 。短 柱与 长柱 的受 力性能 的 区 别在于破坏的控制 因素不 同， 圆钢管 R P C短柱的破坏 表现 为核 心混 凝土 破 坏 和 钢管 屈 服 ， 而 长 柱 的破 坏 为 整体 失稳 。 参 考 文 献 1 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构 ( 修订 版 ) M 北 京 ： 人 民交 通 出版社 ， 2 0 0 7 2 许开成 ， 马腾 ， 袁方 方钢 管混凝 土界 面黏结强 度试验研 究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 1 5 9 - 1 6 2 3 刘夏平 ， 唐述 ， 唐春会 ， 等 脱空钢管混凝 土偏 心受压 力学性 能试验研究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 1 1 7 1 1 9 4 钟 善桐 钢 管 混 凝 土结 构 M 北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ， 2 00 3 5 吴炎海 ， 林震宇 钢管 活性 粉末混凝 土轴 压短柱受 力性能试 验研究 J 中国公路学 报 ， 2 0 0 5 ， 1 8 ( 1 ) ： 5 7 6 2 6 曾建仙 圆钢管 R P C偏压长柱的受力性能研究 D 福州： 福 州大学 ， 2 0 0 5 7 杨吴生 钢管活性 粉末混凝 土力 学性能及 其极限承 载力研 究 D 长沙 ： 湖南大学 ， 2 0 0 3 8 姚 良云 圆钢 管 R P C短 柱偏 压及 长 柱轴 压 受力 性能 研究 D 福州 ： 福州大学 ， 2 0 0 4 9 吴文平 ， 黄炳生 ， 樊建 慧 3种 不 同钢 管混凝 土本构关 系模 型研究 J 四川 1 建筑科学研究 ， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 6 ) ： 1 9 2 3 1 0 韩林海 钢管混凝土结构理论与实践 M 北京 ： 科学 出版 社 ， 2 0 0 4 1 1 J M A N E R J B， P R I E S T L Y J N， P A R K R T h e o r e t i c a l s t r e s s s t r a i n mo d e l f o r c o n f i n e d c o n c r e t eJ 1 J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 8 8 ， 1 1 4 ( 8 ) ： 1 8 0 4 1 8 2 6 ( 责任审编李付军)