薄壁型钢管混凝土组合柱轴压受力性能分析

资料大小：320KB
资料类型：.PDF
资料等级：
发布时间：2021-09-06

资料介绍

薄壁型钢管混凝土组合柱轴压受力性能分析
Axial compression performance analysis of thin-walled
Concrete-Filled composite Tubular Steel Columns
赵滇生，帅耀锋，陆长春
ZHAO Dian—sheng，SHUAI Yao-feng，LU Chang—chun
(浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州310014)
摘要：采用ANSYS有限元程序模拟分析薄壁型钢管混凝土核心柱极限承载力，将结果与文献[1]的试验结果进行比较，两
者吻合较好。通过对3个系列共45个组合柱试件的非线性有限元分析，探讨了核心混凝土强度等级、薄壁型钢厚度和外围混凝土
配箍率对核心承载力的影响机理，最后对比分析了不同长细比核心柱的截面稳定系数妒，并提出合理取值。
关键词：薄壁型钢管；组合柱；非线性有限元分析；极限承载力
中图分类号：TU375．3 文献标识码：A 文章编号：1008—3707(2010)08—0021—04
钢管混凝土构件具有受压承载力高，塑性和韧
性好，节省材料，方便施工等优点。当荷载不大时，
可用薄壁型钢管代替厚壁钢管，节省用钢。但钢管
混凝土柱的钢管直接暴露在外，需要进行防锈、防腐
及防火处理。薄壁钢管混凝土核心柱在薄壁钢管混
凝土外包一层普通钢筋混凝土，既利用了钢管混凝
土良好的受力性能，又克服了薄壁型钢管直接暴露
在其工作环境中的缺点，具有良好的经济价值和工
程应用前景。
钢管混凝土和型钢混凝土研究比较全面，已有相
应的设计或施工规范规程，而国内外研究薄壁型钢外
包钢筋混凝土组合柱的相关资料较少，缺乏设计依
据。在收集了国内外同类型构件试验数据的基础上，
采用ANSYS有限元软件，通过和试验数据的对比，验
证了利用有限元软件模拟试验的可行性，并在此基础
上综合分析薄壁型钢管混凝土组合柱的受力性能及
其影响因素，以及在不同长细比下截面稳定系数。
1 有限元模型的建立
1．1 试件设计．
为了验证有限元分析模拟的可行性，有限元模
型的参数和文献[1]中试件
的参数相同。试件截面尺
寸均为220 mm X 220 mm，高
度660 mm，纵筋采用12 mm
变形钢筋，屈服强度391 MPa；
箍筋采用8 mm光圆钢筋，
屈服强度293 MPa，箍筋间
距为50 mm，截面见图1，试
件参数见表1。
图1 模型截面
表1 组合柱试件参数
注：d一钢管直径，一钢管厚度一混凝土轴心受压强度。
1．2 建立有限元分析模型
(1)薄壁型钢管内核心混凝土和管外混凝土都
选用solid65单元，该单元适用于含钢筋或不含钢筋
的三维实体模型，可模拟混凝土的开裂(三个正交
收稿日期：2010—03—25
作者简介：赵滇生(1957一)，男，浙江义乌人，副教授，研究方向为钢结构、空间结构。
22 浙江建筑 2010年第27卷
方向)，压碎，塑性变形及徐变，具有材料非线性处
理功能，本构关系采用多线性随动强化模型MISO。
核心混凝土由于受到钢管的约束，处于三向轴压状
态，而在模型的计算中核心混凝土的泊松比始终取
0．2，钢管的环箍效应很难模拟出来，所以核心混凝
土本构关系选用文献[2]中推导的本构关系，模拟
钢管对核心混凝土的环箍效应。
当时，一 ( )-]
当s> 0时，or=or0(1一g)+oroqf旦1
、8o／
( >0．92)
式中： 0= 1
)南 0．92)
300 + 14．9 k，
1 400+soo( ，
= 1 300 + 14．3 k，
A = 2．0 一K，B = 1．0 一K，
-o·1G0"745 q ，
JB=(z 36×10．5)o．25+f,~-o．s)75．0× k) 1．0×10_4
一混凝土标准强度；
一约束特征系数(= )；
一钢管混凝土屈服极限；
一构件截面含钢率(=A ／A )；
A 和A 一钢管及其核心混凝土的截面面积。
管外混凝土和普通钢筋混凝土本构关系一致，
采用文献[3]推荐的混凝土单轴受压的or一关系。
当 ≤1时， = +(3—2 ) +( 一2)
当 >l时， = 了8 — 8一 o
式中：Ot 、一单轴受压应力-应变上升段、下降段
的参数值；
一混凝土的单轴抗压强度；
一与相应的混凝土峰值应变，参数按表
2取值。
表2 混凝土单轴受压O'-E曲线参数值
注：为应力一应变曲线下降段上应力等于0．时的混凝土压应变。
(2)薄壁型钢采用
shelll81单元，该单元适用
于薄到中等厚度的壳结
构，具有应力刚化及大变
形、非线性功能。本构关
系采用双线性随动强化模
型BKIN，泊松比取0．3。
纵筋和箍筋采用link8单
图2 钢管、钢筋
网格划分图
元，该单元是杆轴方向的拉压单元，只承受单轴的拉
压，不承受弯矩，符合纵筋和箍筋的受力特点，本构关
系采用双线性随动强化模型BKIN。单元划分见图2。
(3)模型采用分离式建模，由于核心混凝土在
受力过程中挤压钢管，接触紧密，外包混凝土受箍筋
作用与钢管