豎向均布荷載作用下四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱力學(xué)性能分析

章 彥，劉 忠，王群雄

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

參 考 文 獻(xiàn)

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豎向均布荷載作用下四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱力學(xué)性能分析

章 彥，劉 忠，王群雄

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

針對豎向均布荷載作用下四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的力學(xué)性能，進(jìn)行了非線性數(shù)值模擬，利用該模型，分析了四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的破壞形態(tài)及核心混凝土強(qiáng)度等級、鋼材等級、鋼管壁厚、長徑比等因素對構(gòu)件受力性能的影響，分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，為工程設(shè)計提供參考依據(jù).

鋼管混凝土格構(gòu)柱；豎向均布荷載；有限元法；非線性分析

0 引 言

鋼管混凝土格構(gòu)柱是指以鋼管混凝土為柱肢，以空鋼管、型鋼或鋼板為綴件連接而成的格構(gòu)式構(gòu)件.能將鋼管和混凝土有效地組合，充分發(fā)揮二者的材料性能，使之具有承載力高、塑性和韌性好、造價經(jīng)濟(jì)合理等等優(yōu)點(diǎn).格構(gòu)柱具有以較小直徑的柱肢取得較大截面抗彎剛度的特性，且柱肢以受軸向壓力為主，充分發(fā)揮了鋼管混凝土受壓強(qiáng)度大的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于鋼管混凝土拱橋、工業(yè)廠房的柱子等建筑結(jié)構(gòu)中.

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對鋼管混凝土格構(gòu)柱的力學(xué)性能做了一系列的研究工作，并取得了一定的成果.文獻(xiàn)[1-6]研究了在軸壓和偏壓下的鋼管混凝土格構(gòu)柱的極限承載力，文獻(xiàn)[7]運(yùn)用極限平衡法求解了鋼管混凝土格構(gòu)柱在同時受軸力和彎矩作用下的極限承載力，文獻(xiàn)[8]在鋼管混凝土統(tǒng)一理論的基礎(chǔ)上得到了驗算構(gòu)件整體穩(wěn)定性的設(shè)計公式.

本文針對在豎向均布荷載作用下的四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱，建立了三維有限元分析模型，對其破壞過程進(jìn)行了非線性數(shù)值模擬，并針對主要參數(shù)對其受力性能的影響展開了討論，為日后的設(shè)計工作提供一定的參考依據(jù).

1 四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱三維有限元分析模型

1.1 試驗概述

清華大學(xué)的聶建國[9]等人針對在豎向均布荷載下的鋼管混凝土格構(gòu)柱進(jìn)行了一系列的試驗研究.本文選取其中的一個試件LC4A-4作為研究對象，其構(gòu)造及相關(guān)參數(shù)分別如圖1、表1所示.

圖1 四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱構(gòu)造圖

表1 四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱參數(shù)一覽表

1.2 三維有限元模型

根據(jù)參考的試驗過程，運(yùn)用ANSYS軟件，建立了如圖2所示的以柱底截面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的三維有限元模型.

圖2 四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱有限元模型圖

為了在保證計算結(jié)果精確度的同時提高計算速度，本文在計算時，對網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，在重要塑性區(qū)域網(wǎng)格劃分的密度大些，在節(jié)點(diǎn)域及其附近，由于應(yīng)力梯度較大，故適當(dāng)加密網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)域部分則采用較為稀疏的網(wǎng)格.劃分網(wǎng)格時，除接觸單元外，所有的單元都是采用正六面體形式來劃分，各相鄰的網(wǎng)格頂點(diǎn)必須重合.所有混凝土和綴管單元均采用映射劃分；對于主管，在主管和綴管相交處周圍區(qū)域采用自由化分，其他主管區(qū)域采用映射劃分；對于加載墊板，在加載墊板和主管相交處周圍區(qū)域采用自由化分，其他區(qū)域采用映射劃分.

為了模擬試驗中傳遞均布力的加載板，模型中格構(gòu)柱的兩端設(shè)置了彈性模量較大的端板.邊界條件施加在端板上下部垂直于x軸的中線上(即試驗的輥軸位置).施加約束時，底部鋼板約束節(jié)點(diǎn)的所有自由度，頂部鋼板約束節(jié)點(diǎn)的水平方向自由度，同時為了使數(shù)值模擬和真實的模型實驗更為接近，耦合了柱子頂部鋼板所有節(jié)點(diǎn)的豎向自由度.

2 四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的有限元數(shù)值分析

利用上述的三維有限元數(shù)值分析模型，對豎向均布荷載作用下四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱受力全過程進(jìn)行了非線性數(shù)值模擬，得到了格構(gòu)柱荷載-柱頂軸向位移曲線和極限承載力Pu，計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)分析分別如圖3、表2所示.比較結(jié)果表明，有限元計算結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好，說明本文所建立的四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱有限元模型是合理的.

圖3 鋼管混凝土格構(gòu)柱荷載-柱頂軸向位移曲線

表2 極限承載力對比分析

在不同受力階段格構(gòu)柱的軸向位移沿柱長的分布如圖4所示，在豎向均布荷載作用下格構(gòu)柱頂端的豎向位移最大，為44.68 mm.變形發(fā)展過程可以分為三個階段，即：彈性變形階段(Pu≤0.6Pu)、非線性變形階段( 0.6Pu≤P≤0.8Pu)、塑性變形階段(P>0.9Pu).此現(xiàn)象與試驗變形-破壞過程相符，進(jìn)一步證明了本文所建立的有限元模型的準(zhǔn)確性.

圖4 格構(gòu)柱隨距柱底位置變化的荷載-軸向位移曲線圖

圖5 沿x方向的側(cè)向位移曲線圖

圖6 沿y方向的側(cè)向位移曲線圖

由圖5和圖6可知，在豎向均布荷載作用下格構(gòu)柱沿x方向撓度變形曲線為基本對稱的半波形，其最大值出現(xiàn)在距離柱底918 mm處；沿y方向撓度變形曲線為反對稱的S形曲線，其最大值出現(xiàn)在距離柱底1836 mm處.且當(dāng)荷載為0～0.95Pu時，沿x和y方向撓度較小，而從0.98Pu到達(dá)1.0Pu時，沿x和y方向撓度顯著增加，直至構(gòu)件破壞.

3 參數(shù)分析

本文以試件LC4A-4為參照，分別討論了核心混凝土強(qiáng)度等級、鋼材等級、鋼管壁厚、長徑比等因素，對豎向均布荷載作用下四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱受力性能的影響，得到了格構(gòu)柱柱頂P-δ曲線隨各參數(shù)的變化情況，如圖7～圖10所示.

圖7 核心混凝土強(qiáng)度等級對荷載-軸向位移曲線的影響

如圖7所示，隨著核心混凝土強(qiáng)度等級的提高，格構(gòu)柱的承載力提高了29.8%，且承載力的提高程度會隨著核心混凝土強(qiáng)度等級的提高而逐漸降低.格構(gòu)柱的柱頂軸向位移開始隨核心混凝土強(qiáng)度等級的提高而顯著增大，而后增大幅度變緩，最后當(dāng)核心混凝土等級再度提高時，格構(gòu)柱的柱頂軸向位移反而減小.

圖8 鋼材等級對荷載-軸向位移曲線的影響

隨著鋼材等級的提高，如圖8所示，格構(gòu)柱的承載力僅提高了12.6%，且承載力的提高程度隨著鋼材等級的提高而基本保持不變.

圖9 鋼管壁厚對荷載-軸向位移曲線的影響

當(dāng)鋼管壁厚由3 mm 增大至6 mm 時，如圖9所示，格構(gòu)柱的承載力提高了35.4%，且承載力的提高程度隨著鋼管壁厚的增加首先較大，而后變緩，之后又增大.

圖10 長徑比對荷載-軸向位移曲線的影響

如圖10所示，當(dāng)格構(gòu)柱長徑比由1.5增大到6時，格構(gòu)柱的承載力降低了20.9%，且承載力的降低程度隨著長徑比的增大而基本保持不變.格構(gòu)柱的柱頂軸向位移隨長徑比的增大而顯著增大.

4 結(jié) 論

本文利用ANSYS軟件對豎向均布荷載作用下四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的受力性能進(jìn)行了數(shù)值分析，討論了相關(guān)參數(shù)對其受力性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)本文建立的豎向均布荷載作用下四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱有限元分析模型，其計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，證明該模型是合理的.

(2)提高核心混凝土強(qiáng)度等級可以增大格構(gòu)柱的承載力及延性，但混凝土等級過高時延性反而降低，因此，在工程設(shè)計時，為了同時兼顧承載力及延性的要求，本文建議選用C40～C60強(qiáng)度混凝土.

(3)提高鋼材等級對格構(gòu)柱的承載能力影響比較小，所以，建議在設(shè)計時滿足構(gòu)造要求即可.

(4)增大鋼管壁厚，能有效的提高格構(gòu)柱的承載力.

(5)增大長徑比將降低格構(gòu)柱的承載力，但將增大延性，因此，在工程設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮以上因素來選取長徑比.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陳寶春，歐智菁.鋼管混凝土偏壓格構(gòu)柱長細(xì)比影響試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2006,27(4)：73-89.

[2] 歐智菁，陳寶春.鋼管混凝土格構(gòu)柱偏心受壓面內(nèi)極限承載力研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2006,27(4)：80-83.

[3] OuZhijing, Chen Baochun, Experimental Research on Concrete Filled Steel Tubular Laced Columns Comp Ressed Eccentrically[C].Composite and Hybrid Structures. Harbin: Proceeding of the 8th ASCCS International Conference, 2006 .

[4] Chen Baochun, OuZhijing. Analyses on Critical Load of concrete Filled Steel Tubular Laced Columns comp Ressed Eccentrically[C]. Composite and Hybrid Structures. Harbin: Proceeding of the 8th ASCCS International Conference, 2006.

[5] 陳寶春，歐智菁.四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱極限承載力試驗研究[J].土木工程學(xué)報，2007,40(6)：32-41.

[6] 歐智菁，陳寶春.鋼管混凝土格構(gòu)柱極限承載力計算方法研究[J].土木工程學(xué)報，2008,41(1)：55-63.

[7] 蔡紹懷.鋼管混凝土格構(gòu)柱的強(qiáng)度計算[J].建筑科學(xué)，1989(6)：15-20.

[8] 鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(第3版)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[9] 聶建國，廖彥波.四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱軸壓受力試驗[J].清華大學(xué)學(xué)報，2008.

Mechanical Property Analysis on Four-tube CFST Laced Columns Under Uniformly Distributed Axial Compression

ZHANG Yan，LIU Zhong，WANG Qun-xiong

(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105,China)

The nonlinear numerical simulation analysis is conducted to investigate the mechanical behaviors of four-tube CFST laced columns under uniformly distributed axial compression. The failure mode of four-tube CFST laced columns is analyzed by using the model. Furthermore, mechanical behavior is studied according to different parameters such as core-concrete strength grade, the steel grade, wall thickness of steel tube,and length to diameter ratio.The calculated results are in line with the experimental ones. And the results provide some useful references for engineering design.

CFST laced columns; uniformly distributed axial compression; finite element method; nonlinear analysis

2015-03-10

章 彥 (1990-)，男，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程.

TU392.3

A

1671-119X(2015)03-0079-04