L形钢管混凝土轴压柱力学性能研究
钢管混凝土中长柱轴压力学性能试验研究
钢管混凝土中长柱轴压力学性能试验研究发布时间：2022-07-14T07:19:30.747Z 来源：《城镇建设》2022年5卷第3月第5期作者：纪建军[导读] 本文对一组钢管混凝土(CFST)中长柱的轴压力学性能开展试验研究，得到试件的加载过程、破坏形态纪建军广州大学土木工程学院，广东省广州市 510006摘要：本文对一组钢管混凝土(CFST)中长柱的轴压力学性能开展试验研究，得到试件的加载过程、破坏形态、应变发展过程和轴力-柱中纵向应变曲线。
研究结果表明：钢管混凝土中长柱在轴压荷载作用下发生整体弯曲破坏，试件中部出现明显的受压区和受拉区，且由于钢材和核心混凝土的相互作用，钢材和混凝土的力学性能得到充分发挥。
关键词：钢管混凝土；中长柱；轴压性能；试验研究 Abstract: This paper presented an experimental study of medium-long concrete-filled steel tube (CFST) columns under axial compressive loading. The loading process, failure mode, strain development process and axial force-longitudinal strain curve in the middle height of column were obtained and analyzed. The results show that the CFST column presents global bending failure. A compression zone and a tension zone are observed at the middle of the specimen. Due to the interaction between steel and core concrete, the mechanical properties of steel and concrete are fully utilized. Key words: Concrete-filled steel tube; Medium long column; Axial compressive performance; Experimental study 钢管混凝土(Concrete-Filled Steel Tubular CFST)柱因具有良好的抗震性能、抗火性能和方便施工等特点，已被广泛应用于高层建筑和大跨桥梁结构中。
钢管混凝土轴压中长柱承载力研究
文章编号:1004-9762(2006)003-0284-04钢管混凝土轴压中长柱承载力研究Ξ闻 洋1,李 斌1,李素娟2(11内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头 014010;21包头市城建技校 内蒙古 包头 014010)关键词:钢管混凝土;长细比;承载力中图分类号:T U312 文献标识码:A摘 要:经过对14根钢管混凝土中长柱承载力的试验研究,发现钢管混凝土中长柱的极限承载能力与其长细比无一定的对应关系,亦即在试验的长细比范围内钢管混凝土柱的承载能力对长细比并不敏感,经分析计算给出了一种新的承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合较好,可用于指导工程实际1Research on the bear ing capacity of concr ete f illed steel tubular moderatelong columns w ith axial compressionWEN Y ang1,LI Bi n1,LI Su2j uan2(11A rchitecture and Civil Eng ineerin g S cho ol,Inner M on golia Univers ity of Science and T echnology,Baot ou014010,China;21Baotou Urban Constrnction Sch ool,Baotou014030,China)K ey w or ds:concrete2filled steel tubes;s lenderness ratio;bearing capacityAbstract:E xperimen tal research es on fourteen concrete2filled tubes with five kinds of slenderness ratio were carried ou t.It is found that the bearing capacity o f concrete2filled steel tubular colummns has no corres ponding relation to s lenderness ratio,meaning it is n ot actively res pon2 sive to the s lenderness ratio.T he formula for the calcu lati on of the limit bearing capacity o f concrete2filled s teel tubular lon g columns with ax ial com press ion were presented,and the calculated results tally well with that o f th e ex periments,which may provide f undamental guidance for the related eng ineering practice. 钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用,即钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态之下,从而使混凝土的强度得以提高,塑性和韧性性能大为改善1总之,通过钢管和混凝土组合而成为钢管混凝土,不仅可以弥补两种材料各自的缺点,而且能够充分发挥二者的优点,这也正是钢管混凝土组合结构的优势所在1近年来,钢管混凝土在建筑结构中应用非常广泛,建造了大量的建筑物1国内外学者在钢管混凝土方面进行了大量的研究[1],并各自给出了计算公式,这些公式为工程设计提供了重要依据1但这些公式在理论方面没有得到较好的解释,且计算公式和方法都比较复杂1本文采用了统一材料的理论对钢管混凝土中长柱的承载力公式进行推导,并通过轴心受压试验验证了理论公式的正确性,为钢管混凝土中长柱承载力分析提出了较合理的理论解释1 1 钢管混凝土轴压柱的理论分析随着钢管混凝土构件长细比的增大,必须考虑轴心受压构件的纵向失稳1对在弹性工作阶段失稳的长柱,可直接引用欧拉临界应力公式:σcr=π2E scλ2,(1)E sc=αE s+(1-α)E c,(2)式中,E sc为钢管混凝土构件的综合弹性模量;α为含钢率1但对在弹塑性工作阶段失稳的中长柱,应采用切线模量理论求其临界应力:σcr=π2E sctλ2,(2)式中,为钢管混凝土构件受压综合切线变形模2006年9月第25卷第3期包头钢铁学院学报Journal o f Baotou Univers ity of Iron and Steel T echnol og ySpetember,2006V ol.25,N o.3Ξ收稿日期66作者简介闻 洋(6),男,内蒙古包头人,内蒙古科技大学讲师,硕士1E sct:200-0-11 :197-量;λ为钢管混凝土构件的长细比1根据对文献[2,3]中各种试件的实测应力应变曲线求解,由不同含钢率试验得到应力应变曲线,由数值回归分析可得下列经验公式表达应力应变关系:σsc σb sc =1.62εscεbsc-0.62εsc εb sc 2,(3)切线模量为:E sct=d σsc d εsc =σb sc 1.62εb sc -1.24εsc (εb sc )2,(4)式中,σsc ,εsc 为钢管混凝土构件轴心受压时的平均纵向应力和应变;σb sc ,εbsc 为钢管混凝土构件轴心受压时的计算极限纵向平均应力和应变1极限纵向平均应力σb sc 值可由下列公式求出[4]:σbsc =αaf y +(1-α)(f c k +2αbf y ),(5)其中,a =0.25+12.8tD2,b =0.54-30.25+12.8tD2-0.25+12.8tD1引入边界条件,当σsc =0时,εsc =0,则E sct =E sc ,也就是说,在坐标原点,钢管混凝土构件的切线模量和弹性模量相同1由式(3),(4),(5)经过换算化简后可得到钢管混凝土构件的计算极限纵向应变:εbsc =1.62αaf y +(1-α)f ck +2αbf y(1-α)E c +αE s,(6)在已知构件的几何尺寸及材料特性后,则可以推导出钢管混凝土中长柱的临界应力:σcr =2π2σbscλ2εbsc1+π4λ4(εb sc )2-π2λ2εb sc,(7)中长柱极限承载力的计算公式为:N u =σcr (A c +A s )1(8)公式中将钢管混凝土视为一种新的组合材料,通过深入了解钢管混凝土的本构关系,从而采用综合的变形模量计算钢管混凝土长柱和中长柱的临界承载力,计算过程简单明了,计算中采用数值回归分析推出的临界承载力公式属于半经验半理论公式,可应用于钢管混凝土长柱和中长柱的临界力计算12 试验概况为了了解钢管混凝土轴心受压中长柱的力学性能和承载力,本文进行了5组共计14个钢管混凝土中长柱试件的试验研究(表1)1表1 钢管混凝土试件与试验结果一览表T a b le 1 Concr ete filled steel tubular columns an d the exper iment r esult试件D ×t ×L/mm f y /MPa f ck /MPa 长细比λN 0u /k N N b u /k N N b u /N 0uG Z S J121219×7×9902724115183300327601993G Z S J122219×7×9902724115183350327601978G Z S J123219×7×9902724115183450327601950G Z S J221219×7×12002754011223350320301956G Z S J222219×7×12002754011223270320301980G Z S J223219×7×12002754011223380320301948G Z S J321219×7×14202724113263230312701968G Z S J322219×7×14202724113263420312701914G Z S J323219×7×14202724113263250312701962G Z S J421219×7×16402744212303200305201954G Z S J422219×7×16402744212303250305201939G Z S J423219×7×16402744212303350305201911G Z S J521219×7×20002744016363160292101924G Z S 52××163631 注D ,,L 分别为钢管的外径、壁厚和长度;f y ,f 分别为钢管的屈服强度和混凝土强度抗压标准值;N 为试件实测极限荷载;N 为试件用式(8)计算的极限荷载1582闻 洋等:钢管混凝土轴压中长柱承载力研究J 2219720002744021029210910:t ck 0u bu 试件所用钢材是外直径为219mm,壁厚为7m m 的无缝钢管1试件分为5组:第一组长细比为18,型号(D×t×L)为219mm×7mm×990mm;第二组长细比为22,型号(D×t×L)为219mm×7mm×1200m m;第三组长细比26,型号(D×t×L)为219mm×7mm×1420mm;第四组长细比为30,型号(D×t×L)为219mm×7mm×1640mm;第五组长细比为36,型号(D×t×L)为219mm×7mm×2000m m1试件加工时应注意保证钢管两端的截面平整,以避免试件在受力过程中的受力不均匀1从技术经济及构件的延性性能方面考虑,在钢管混凝土构件中,核心混凝土的强度等级不低于C30[5]1本试验采用C60混凝土1本试验所用的试件,核心混凝土的强度不变,钢管的壁厚不变,只有试件的长细比在变化1试件的养护方法为在室内进行浇水自然养护13 试验结果与分析本次试验获得的荷载应变的关系曲线如图1所示1图1 荷载应变的关系Fig.1 Rela tion betw een lo a di ng and stra i n defor mation 从图1可以看出,在加载的初始阶段纵向应变图线和环向应变图线都呈线性变化,但纵向应变曲线的直线段斜率较小,而环向应变曲线的直线段斜率较大,即当加相同荷载时纵向应变大于环向应变1当荷载大约达到临界荷载的70%时,荷载与纵向应变的曲线逐渐偏离直线,这表明钢管在纵向已达到比例极限强度1但此时荷载与环向应变曲线仍就为直线,这说明钢管此时在环向并没有屈服1当钢管纵向应力达到屈服强度后钢管所承载的轴压力不再增加,但核心混凝土所承载的轴压力将继续增加1荷载继续增加,核心混凝土的承载力尚未充分发挥,试件已经发生弹塑性失稳破坏1由表1可知,钢管混凝土试件用式(8)计算的临界荷载较实测的临界承载力偏小,说明此计算方法较为安全1试验测定的临界荷载并没有随着长细比的增加有明显的减小,说明在此试验的长细比范围682包头钢铁学院学报2006年9月 第25卷第3期内极限荷载对长细比值并不敏感14 结论(1)钢管混凝土视为统一材料的变形模量选择较为合理,基本能真实反映钢管混凝土临界状态下的受力状况1(2)此次试验中钢管混凝土试件的破坏均属于非弹性失稳破坏1(3)试验测定的临界荷载并没有随着长细比的增加有明显的减小,说明本试验长细比范围内极限荷载对长细比值并不敏感1参考文献:[1] 钟善桐1钢管混凝土结构研究新动向[J ]1哈尔滨建筑工程学院学报,1990,(1):352471[2] Hajjar J F ,G ourley B C.A cy clic n on linear m odel for con 2crete 2filled tubes cross 2section s tren gth[J ]1Journal of Stuc 2tural Eng ineering ,ASCE ,1997,122(11):132721336.[3] S ch neider S P.A x ially loaded con crete 2filled s teel tu bes [J ]1Jou r 2nal o f S tructural E ng ineerin g ,A SCE,1998,124(10):1125211381[4] H ajjar J F ,G ou rley B C.A cy clic n on lin ear m od el for con crete 2filledtub es.II ,V eri ficati on[J ]1Jou ran al o f s tru ctu ral E n g in eerin g ,A S CE ,1997,123(6):7452754.[5] CECS28:90,钢管混凝土结构设计与施工规程[S]1知识窗不断优化工艺 提高产品质量(二)———大力发展新一代超细晶粒高强度棒材 二是该生产线采用控制轧制与控制冷却技术1轧制后的快速冷却使轧件能获得超细晶粒的显微组织,提高钢材的综合力学性能1为了控制轧制过程中的轧件温升,该生产线的轧机没有沿用传统连轧机布置形式,而是采取了粗轧6机架、中轧8机架、精轧4机架的形式,减少了精轧的变形道次1大规格钢筋采取部分中轧机架空过,将变形道次后移至精轧机架以后,经过设置在中轧和精轧间的控轧冷却段后进入精轧,保证钢筋的低温变形程度1三是该生产线采用切分轧制技术,减少了轧机机架数,减少了投资,提高了产品产量1直径12mm 、直径14mm 带肋钢筋采用3线切分轧制,直径16mm 、直径18mm 带肋钢筋采用2线切分轧制1该生产线的加热炉选用推钢蓄热式加热炉,其装配有先进的汽化冷却技术,燃料为高炉煤气,可以收到节约能源、降低污染的效果1此外,加热炉还采用计算机集散控制,保证钢坯的加热质量和开轧温度1四是该生产线由粗轧和精轧共18架轧机形成全连轧1粗中轧为平立二辊闭口式轧机呈平立交替布置,精轧的16机架、18机架平立可转短应力线轧机,可适应切分轧制的要求1五是该生产线轧机按低温轧制进行选型,可有效满足低温控轧的要求1轧机采用计算机二级控制,实现微张力和无张力全连续轧制1该控制系统从上料开始即对坯料进行全线自动跟踪,实现炉批号的自动化管理1该生产线在精轧机组前还设置了控轧冷却装置,控制中间轧件温度以实施控制轧制,改善奥氏体组织形态1该控轧冷却装置由2条水冷线和1条辊道安装在同一小车上组成,并配置了中间辊道,可以根据不同的中间坯规格采用不同规格的中间冷却器1六是该生产线精轧机组之后设置了轧后控冷装置1该装置由3条水冷线和1条辊道安装在同一小车上组成,辊道用于将不控冷产品送至冷床1其中,水冷线总长达18m ,钢筋的终极温度采用闭环控制,以冷却不同规格的产品1当生产控轧控冷超细晶粒HR B400级螺纹钢时,成品需要经过轧后快速冷却装置进行冷却1冷却器分三线,根据不同规格和是否切分选用不同规格和数量的冷却线1该生产线生产的HR B400和20MnS i 钢筋的延伸率全部高于1615%,其中9611%的钢筋延伸率大于等于1715%;Q235钢H RB335钢筋的延伸率全部大于等于17%1与常规热轧生产工艺相比,钢筋的延伸性能偏低,主要原因是钢筋的强度提高,但夹杂物仍然粗大1企业要改善高强度超细晶粒钢筋的组织和性能,还需要进一步优化控轧控冷生产工艺1摘录自《中国冶金报》66(8)782闻 洋等:钢管混凝土轴压中长柱承载力研究200-04-0。
大长经比钢管混凝土轴压柱的力学性能
载力 的计 算公 式进行 了探讨 ．
１ 试 验 概 况
共 设 计 了 ｌ 试 件． 管 是 直径 １ ８ｍｍ、 ６根 钢 ０ 壁 厚 ４ｍｍ 的 无 缝 钢管 ， 凝 土 为 Ｃ ０和 Ｃ ０ 钢 管 混 ３ ５ 混 凝 土 长 细 比 ＾＝４ ／ Ｌｏ和 Ｄ 分 别 为 构 件 Ｌ０ Ｄ，
Ｊ ｎ． ａ
２０ ０２
Ｖｌ ． ８． Ｎ ｏ ４ ０ １ １ ．
文章编号： ６ １ ２ ２ （０ ２ ０ —０ ０ ０ １７ — ０ １２ ０ ）１ ０ １ ４
大 长 细 比 钢管 混 凝 土 轴 压 柱 的 力 学 性 能
姜 绍 飞 ， 廖 云 张 昕 宇 韩 林 海 ， ．
维普资讯
２００２年 １月 第 培卷 第 Ｌ 期
沈 阳 建 筑 工 程 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ） Ｊｕ ￣ ｆ ｈ ｎａ ｇ ｃ ．ａ ｄｃｖ Ｅ ｇ ｏ ｍａ ｏ ｅｙ ｎ ｈ ｎ ｌ Ｓ Ａｒ ｎ ．Ｕｎ （ ａｕａ Ｓｉ ｃ） ｉ ｖ Ｎ ｔｒ ｃ ｎｅ ｌ ｅ
钢管混凝土具有承载力高、 性和韧性好． 塑 经 济 效 果 好 和 施 工 快 速 方 便 等 优 点 而 受 到工 程 界的
数据采用 自动采集 ； 通过对钢材 的抗拉试验，
测 得 其 屈 服 强 度 、 拉 强 度 及 弹 性 模 量 分 别 为 抗 ３ ８． ＭＰ 、５ ． ａ ２．１ ４ １ ａ ５ ７ ０ＭＰ 和 １ ７×１ ＭＰ ． 凝 ０ ａ混
截面 的回转半径． 件的 对 中 ， 试 件 两 端 设 置 了特 别 加 工 制 作 的 加 在
荷板 ． 在每个 试件 中间截 面每隔 ９ 纵 向及 环 Ｏ沿 向共贴八 片电阻应变 片， 同时 在试件弯 曲平面内 沿柱 高四分点处设了 ３ 电测位 移计 ， 定试件 个 测
钢管混凝土轴压柱受力力学性能研究
试验测量数据主要有 ： 管纵向应 变、 钢 荷载值等 。
由试验得 到的钢管和混凝土材料材性试验结果见表 ２表 ３ ， 。
表 ２ 钢 管 力 学 性 能
材料名称
钢 管
１ 试验概 况
本试验 的试验 因子数 为 １ ： 个 混凝 士 强度 等级 ， 钢管 等级 只 能通过理论 分析得 出。混凝土采用 ０ ０和 Ｃ ０ 混凝 土 ， ３ ５级 钢管采
类构件在 实际工程 中的应用提 出了合理的建议 。
关 键 词 ： 钢 管 混凝 土 ， 压 短 柱 ， 验 研 究 ， 响规 律 圆 轴 试 影
中图分类号 ： ３ ３ １ ＴＵ ２ ．
文献标识码 ： Ａ
０ 引 言
钢管混凝土利用 钢管 和混凝 土两种 材料在 受力 过程 中的相 互作用 ， 即钢管对混凝 土的约束作用使？ 凝 土处于复杂 的应 力状 昆 态 之下 ， 混凝土 的强度得 以提高。同时 ， 使 由于 混凝土 的存 在可 以避免或延缓钢管发生局部屈曲 ， 以保证 其材料性能 的充 分发 可 挥 。所 以钢管混凝土的极 限承载 力会大 于单个 的钢管 和混凝 土 极 限承载力之和 ， 本文主要对 圆钢管混凝 土柱 做受力分析和 试验 研究… 。主要研究对象为 钢管ｔ 昆凝土并 对 比素 ？ 土和钢管 受 昆凝
用 Ｑ３ ２ ５钢材 ， 外径为 １０ｎｎ， ６ １１长径 比分别 为 ４ ５ 和 ３ ９ 。根 据 ．９ ．６
以往的试验 ， 件的长径 比在 ４附近 的试验 效果 比较好 ， 构 长径 比
太小则端部效应 明显 ， 长径 比太大则构件容易失稳破 坏［ｌ ２。
带约束拉杆L形钢管混凝土短柱的偏压试验研究
Ａｂｔａ ｔ Ｅｇ ｔ — ａｅｃｎ ｒｔ ｆｌ ｔ ｌｕ ｕａ （ — Ｆ ）ｓ ｂｃ ｌｍｎ ｉ ｉ ｉ ａｓｓｂ ｓｒｃ ： ｉｈ ｓ ｐ ｏ ｃｅ — ｌ ｄｓ ｅ ｔｂ ｌ Ｌ Ｃ Ｆ ｔ ｏｕ ｓｗ ｔ ｂｎ ｎ ｂ ｒ ｕ — Ｌ ｈ ｅｉ ｅ ｅ ｒ ｕ ｈ ｄ ｇ
ｓｅ ｌｐ ａｅ ａ ｈ ｎ ｅ ｔ ｅ ｌｔ ｓｃ ｎ ｂｅ ｃ ａ ｇ ｄ；ｔ ｏ ａ ｕ ｋ ｉｇ ｏ ｈ ｔｅ ａ ｅ ａ ｅ ｄ ｌｙｅ ｎ ｈ ｅ ｒｎ ａ ｈｅ ｌｃ ｌｂ ｃ ｌ ｆｔ ｅ ｓｅ ｌｐｌｔｓ ｃ ｎ ｂ ｅａ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｂ ａ ｉ ｇ ｃ — ｎ
Ｍ ａ．２ ０ ｒ ０ｌ
ｄ ｉ１ ．９ ９ ｊ ｉ ｎ １０ ０ ０ ． ０ ０ ０ ．２ ｏ ：０ ３ ６ ／．ｓ ．０ １— ５ ５ ２ １ ．２ ０ ５ ｓ
带 约束 拉 杆 Ｌ形 钢 管 混凝 土 短柱 的偏 压 试 验研 究
左 志 亮 蔡 健 朱 昌宏
（ 华南理工大学 土木工程 系 ， ‘ 广州 ５ ０４ ） １６ １ （ 华南 理 工 大学 亚 热 带 建 筑 科 学 国家 重 点 实 验 室 ， 州 ５０ ４ ） 广 １６ １
钢骨混凝土L形截面柱在低周反复荷载作用下的试验研究的开题报告
钢骨混凝土L形截面柱在低周反复荷载作用下的试验研究
的开题报告
一、选题背景
随着城市化进程的加速，建筑结构的耐震性逐渐成为人们越来越关注的问题。
而在钢筋混凝土结构中，由于混凝土的脆性和钢材的延展性差异较大，容易在地震等强烈荷载下出现柱子的倒塌，对整个建筑结构的安全产生严重的威胁。
因此，在结构设计时需要考虑增强柱子的承载力和延展性，提高整个结构的抗震能力。
二、研究目的
本文旨在通过L形截面的设计来改善钢骨混凝土柱子的受力性能，进而提高整个建筑结构的抗震性能。
具体而言，通过低周反复荷载试验，研究L形截面柱在荷载作用下受力的变化规律，探讨其对柱子的承载力和延展性能的影响。
这不仅有助于改善现有的结构设计方案，同时也为今后结构设计提供了新思路。
三、研究方法
本次试验采用L形截面的钢骨混凝土柱作为研究对象，进行低周反复荷载试验。
试验分为不同的荷载级别，按照一定的循环次数和振幅来加荷。
采用LVDT位移传感器和负荷传感器来记录柱子的变形和负荷情况，通过数值分析和实验验证的方法来探究L形截面柱的受力变化规律。
四、研究意义
通过本次试验，可以明确L形截面柱在低周反复荷载的作用下受力的变化规律，探究其对柱子承载力和延展性的影响。
这不仅有助于改进现有结构设计方案，提高建筑的抗震性能，同时也能够为今后更好的结构设计提供新的思路和依据。
五、预期结果
本次试验预计可以探究出L形截面钢骨混凝土柱在低周反复荷载作用下的受力变化规律，明确其对承载力和延展性的影响。
试验结果的可靠性和科学性可以为工程实践提供更全面的参考，同时也为今后的结构设计提供新思路和创新性。
L形钢管混凝土柱轴压工作机理的研究
（７ ／ 。 中， 为等边 长 Ｄ钢管 混凝土 的约 束效 ７：Ｄ Ｂ） 其
应 系数 ； 为 等 边 长 曰钢 管 混 凝 土 的 约束 效应 系 数 ；
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为 不 等边 长 Ｄ ×Ｂ钢 管 混凝 土 的约 束效 应 系数 ； 叼
阶段 分别 为弹性 段 、 塑性 段 、 性 段 、 化 段 和一 次 弹 塑 强 塑流段 。核心 混凝 土 由于 受 到钢 管 的 约 束 ， 随 着受 且 力 状态 的改变 而处于 动态 变化 ， 即混凝 土 的塑性 变化 ，
键 。应力一 应变 关 系是 工 程 结 构材 料 的 物 理关 系 ， 是 结构 受力 过程 中材料 力 和 变形 关 系 的 概 括 ， 是其 内部
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格式 的三维 实体单元 （ ３ ８ ， 单 元可 用 于模 拟 较 Ｃ Ｄ Ｒ） 该
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力学性 能 和工作 机理 的研 究 ， 须 首 先 确定 钢 材 和 混 必 凝土 的应力一 应 变关系 模型 。 钢 材 的本 构关 系采 用 五 阶 段式 模 型 ， 量 形 式 的 增
应 力 一 应 变 关 系 ， 足 Ｖ ｎＭｉ ｓ屈 服 准 则 。 这 五 个 满 ｏ ｓ ｅ
１ ． ）× １ ｈ 叼 ＝１ ６＋１ ５ ｘ 。＝— ＝二 ２ ０＿ ； ． ，／ ； —— 三 ＝ ，
微观 机理 的宏观 行为 表 现 ， 结构 强 度 和 变形 计 算 中 是
T形_L形钢管混凝土柱抗震性能试验研究_王丹
文章编号:1000-6869(2005)04-0039-06T 形、L 形钢管混凝土柱抗震性能试验研究王 丹1,2,吕西林1(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083)摘要:本文对6根T 形、6根L 形钢管混凝土柱进行低周反复荷载试验研究,对试件破坏过程及结果进行了较为详细的描述,给出了荷载 位移曲线及骨架曲线。
在此基础上,考虑了轴压比、钢管壁厚、内填混凝土强度对T 形、L 形钢管混凝土柱承载力和延性的影响。
得出如下结论:随着轴压比增加,极限荷载提高不显著或下降,延性随着轴压比增加而下降;极限荷载和延性随着钢管壁厚加大而提高;混凝土强度提高对极限荷载增加很显著,但对延性影响不显著。
关键词:T 形柱;L 形柱;钢管混凝土;抗震;延性;承载力中图分类号:TU528 59 TU 311 3 TU317 1 文献标识码:AExperimental study on seismic behavior of concrete filledsteel T section and L section columnsW ANG Dan 1,2,LU Xilin 1(1.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing 100083,China)Abstract:This paper presents an experimental study on seismic behavior of six concrete filled steel T section columns and six L section columns under axial compression and cyclic lateral load.The failure procedures and results are described in detail.The load displacement curves and skeleton curves for each specimen are given.Based on these,the effect of axial compression ratio,thickness of steel tube and strength of filled in c oncrete on load resistant capacity and ductility are investigated.At last,the seismic behavior of T section columns are compared with that of L section c olumns.The following results have been obtained:with the inc rease of axial compression ratio,the load resistant capacity does not increase significantly or even reduces,and meanwhile ductility decreases;with the increase of the thickness of steel tube,the load resistant capacity and ductility are improved;strength of filled in concrete has a large effect on ultimate strength of specimens,but has no significant effect on ductility.Keywords:T section column;L section column;concrete filled steel tube column;seismic resistance;ductility;load resistant capacity作者简介:王丹(1974- ),女,辽宁沈阳人,工学博士。
钢管混凝土组合柱轴压承载力研究
１试 件 Ａ Ｂｃ Ｄ Ｅ Ｆ ） 、 、 、 、 、 为组合柱 ， 试件 Ｇ Ｈ为钢管混凝土柱。 、 ２ Ｎｕ为试验测得 的组合柱受压 承载力 。 ）
①
・
基金项 目： 辽宁省 自然科学基金项 目（ ０６ １７ ２ ０ ２４ ）
６・ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ＆ Ａｐ ｌ ａ ｉ ｎ ｏ ｉ ｉ ｇ Ｍ ａ ｅ ｉ ｌ ｓａ ｃ ｐ ｉ ｔｏ ｆＢｕ ｌ ｎ ｔ ｒａ ｓ ｃ ｄ
件尺 寸见 表 ｌ 。
１ ２ 试验 方法 ．
引言
钢一 混凝土组合柱 由于具有强度高、 刚度大 、 延
性好 和 良好 的抗 震耗 能 能力等 特点 而得到 了广泛 应
试件的强度试验在大连理工大学结构试验室
３００ｋ 压 力试 验 机 上 进 行 ， 用 分 级 加 载 。开 始 ０ Ｎ 采
表 ２ 混凝土 配合 比
混凝土材料
用 量 ／ ｋ ／ ３ （ｇｍ ）
水泥
４７ ７
水
１７ ６
砂
６９ ２
石子 高效减水剂
１１８ ６ ３ ８ ．２
混凝土 的约束作用不断增长 ， 箍筋 的约束作用充分 发挥。随着荷载 的继续增加 ， 受箍部分混凝土达到
混凝土 的应力仍处于上升状态。当核心混凝土接近 三轴抗压强度时 ， 其应力增长缓慢 ， 核心混凝土承载 力的增长部分不足 以补偿外包混凝土的下降部分 ， 而受箍部分外包混凝 土的应力急剧下降， 试件达到
关键词 ： 组合柱； 钢管混凝土 ； 轴压 中图分类号 ：Ｕ ５８ ５ Ｔ ２ ．９ 文献标识码 ： Ａ
轴压承载力的简化计算公式 ， 该计算公式与试验结 果符合较好 。
１ 试 验情况
１ １ 试件 制作 ．
钢管混凝土轴压中长柱的极限状态分析
（ ． ｒｈｔｃｕｅａｄＣ ｖ ｎ ｉｅ ｒ ｇＳ ｈ ｏ，ｎ ｅ ｎ ｏ ａＵ ｖ ｒｉ Ｓ ｉｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎｌｇ ， ａ ｔ １０ ０， ｈｎ ； ． ａｊ ｅ ａ ｙ １ Ａ ｃ ｉ ｔ ｎ ｉｉＥ ｇｎｅｉ ｏｌ Ｉｎ ｒＭｏ ｇ￣ ｎ ｅ ｔ ｏ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈｏｏ ｙ Ｂ ｏｏ ０ ４ １ Ｃ ｉａ ２ Ｋ ｉｅＣ ｍｐ ｎ ， ｅ ｒ ｌ ｎｃ ｉ ｓｙ ｆ ｕ ｉ
Ｊｎ ．Ｏｒ ｕｅ２０ ７ Ｖｏ ２ Ｎ ２ ｌ ６． ｏ
文 章 编 号 ：０ ４ ７ ２ ２ ０ ）２— １５ ３ １０ —９ ６ （ ０ ７ ０ ０ ７ —０
钢管混凝土 轴压 中长柱的极 限状态分析
闻 洋 李 ，
（． １ 内蒙 古科 技 大 学 建筑 与 土木 工 程 学 院 ， 内蒙 古 包 头
ｆｒ ｌ ａ ｓ ｄ ｔ ｕｄ ｒ ｃ ｃ ｏｍｕａ ｃ ｎ ｂ ｕ ｅ ｅ ｏｇ ｉｅ ｐ ａ ｔ ｅ． ｉ
钢管 混凝 土是利 用 钢管和 混凝 土两 种 材料 在受
维普资讯
２０ ０ ７年 ６月 第 ２ 卷 第 ２期 ６
内 蒙 古 科 技 大 学 学 报
Ｊ ｕｎ ｌ ｏ ｎ ｒＭｏ ｇ ｌ ｎ ｖ ｒｉ ｆＳ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ｒ ａ ｆＩ ｅ ｎ ｏ ａ Ｕ ｉｅｓｔ ｏ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｎ ｉ ｙ
ｉ ｅ ｔｅ ｕｂ ｔ ｆ ｅｋ ｎ ｓｏ ｓｅ ｄ ｒ ｓ ａ ｆ ｌｄ ｓｅ ｌｔ ｅ ｓｗｉ ｖ ｉ ｄ ｌｎ ｅ ｅ ｓｒｔｏ．ｔｉ ｏ ｎ ａ ｈ ａ ｉｇｃ ｐ ｃ ｔ ｏ ｃｅｅｆｌ ｄ ｓｅ ｌｔｂ ｌ ｏｕ ｓｄ ｓ ｔｐ ｅ ｅ ｔ ｌ ｈｉ ｆ ｎ ｉ Ｉ ｓｆｕ ｄ ｔ ｔｔｅ ｂ ｒｎ ａ ａ ｉ ｏ ｃ ｎ ｒｔ ｌ ｔｅ ｕ ｕａ ｃ ｌｍｎ ｅ ｎ’ ｒ ｓｎ ｈ ｅ ｙｆ ｉ ｅ ｒ
钢管混凝土柱
浅谈钢管混凝土柱摘要: 由于钢管混凝土具有承载力高,耐腐蚀,便于施工等一系列优点,它在实际工程中的应用越来越多。
从钢管混凝土柱工作原理、力学性能等方面,来显示钢管混凝土的优势。
关键词: 钢管混凝土柱; 钢筋混凝土柱;中国图书分类号tu74文献标识码： a文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02钢管混凝土即在薄壁圆形钢管内填充混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的结构。
它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程相互之间的组合作用，充分发挥这两种材料的优点，弥补彼此的缺点，因而具有良好地力学性能和经济性。
在桥梁，工业厂房，高层建筑中的应用越来越广泛。
1、钢管混凝土的工作机理钢管混凝土的基本原理：在钢管中填充混凝土，在力的作用下，混凝土对钢管有力的作用，但同时钢管约束了混凝土，使管内混凝土处于三向受压的应力状态，延缓其纵向微裂缝的发生和发展，从而提高其抗压强度和压缩变形能力。
借助内填混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳定性，避免发生稳定性破坏，从而提高其承载能力。
由于钢管和核心混凝土的相互作用，受力处于复杂状态，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。
2、钢管混凝土的特点2.1、承载力高混凝土的抗压强度高，抗弯能力很弱；钢材具有很好的抗弯性能和弹塑性变形能力。
钢管中填充混凝土，钢管对混凝土的约束，使得核心混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度。
钢管混凝土柱的承载力大于同等条件下的钢管柱的承载力和混凝土柱的承载力。
钢管混凝土柱相对于钢筋混凝土柱的承载力提高了很多。
某钢管混凝土结构中，有一钢管混凝土轴心受压短柱，柱长l=1200mm，钢管 600*8,q345钢，f s = 310。
混凝土强度等级为c40， fc = 19.1钢管面积as =(-) = 14871.04混凝土面积ac =*= 267728.96套箍指标 = as f s /(ac fc ) = 14871.04* 310 /(267728.96*19.1) =0.902则该短柱的极限承载力= ac fc (1++ )=267728.96*19.1(1++0.902 =14582.7 kn若为钢筋混凝土柱：=7540*2=15080=550*550-15080=287420= 0.9（fc a+ f y as）= 0.9*(19.1*287420+ 310*15080) = 9148.07kn钢管混凝土柱的承载力为普通混凝土柱的1.6倍，即钢管混凝土柱的承载力提高61%。
钢管混凝土柱子受压性能分析
钢管混凝土柱子受压性能分析随着钢管混凝土技术的发展和应用，研究钢管混凝土柱子的受压性能越来越重要，文章基于ANSYS有限元软件，模拟钢管混凝土柱子受压过程，实现了ANSYS模拟钢管混凝土柱子的受压分析，验证了钢管混凝土柱子受压性能优于钢筋混凝土的结论。
1、钢管混凝土概述钢管混凝土是钢管内填入混凝土的一种新型构件，具有承载力高，施工简便，塑性、韧性好，耐火、耐腐蚀等诸多优点，同时具有很好的经济效益，因此，在诸多工程中取得了良好的应用。
近几年来，钢管混凝土构件在建筑，矿山，道路，桥梁，工业厂房，地铁车站方面都取得了良好的应用效果。
钢管混凝土自身的优点吸引了大批学者从事钢管混凝土的研究，其工作原理是：钢管约束混凝土，提供模板和约束力的作用，混凝土提供抗压能力，防止钢管屈曲，两种材料共同合作，发挥了钢管的承载力高的优点并克服了混凝土抗拉能力低的缺点，相比钢筋混凝土和纯钢结构节约了大量的成本，研究钢管混凝土柱子的受压性能对钢管混凝土技术的发展具有重要意义。
2、ANSYS软件简介ANSYS已经被广泛应用于航空，航天，土木，建筑，电磁等领域中，经过几十年的发展，已经与很多软件建立了对接关系，比如PROE，CAD，UG等大型建模软件。
ANSYS软件在模拟钢管混凝土柱子中已经有了较多的应用，其中中国矿业大学，西安电子科技大学已经成功运用ANSYS模拟成功了钢管混凝土柱子的受力分析，在结构工程中取得了广泛的应用。
利用ANSYS软件对钢管混凝土柱子受压性能进行分析，可以有效地降低成本，降低设计费用，尤其对钢管混凝土这种复合材料，运用ANSYS软件进行受力分析更是加快了其在工程领域的发展，有效解决了试验时模拟钢管混凝土柱子受力分析的一些不足，在试验室中，很容易发生受压轴偏移，混凝土凝固后不均匀，含有空隙等问题，但在ANSYS中却不存在这个问题。
3、ANSYS模拟钢管混凝土理论基础3.1、钢管混凝土力学假设钢管混凝土柱子的力学分析模型受到ANSYS软件的制约，需要运用弹性力学的方法对其力学分析模型进行假设，在ANSYS分析钢管混凝土力学模型条件下，钢管与混凝土受力分析模型假设如下：（1）假设钢管和混凝土一样，都属于弹性材料；（2）假设钢管与混凝土的接触属于均匀接触，没有滑移和空隙，在受力过程中始终保持弹性接触；（3）钢管的强度符合莫尔库伦强度理论；（4）钢管沿厚度方向上的径向应力呈线性分布，周向应力成均匀分布。
带约束拉杆L形钢管混凝土轴压短柱的承载力计算
加建 筑 的使 用空 间 ，又能满 足建 筑平面 设计 美 观 的要
ｕｔ ｔ ｓｒｎ ｔ ｑ ａｉｎ ｆｒ Ｌ－ ｈ ｐ ｄ ｌｉ ｅ ｔｅ ｇｈ ｅ ｕ ｔｏ ｓ ｏ ｓ ａ ｅ ＣＦ ｓｕ ｃ ｌ ｍｎ ｔ ｂ ｎ ｉ ｇ ｂ ｒ ｒ ｒ ｐ ｓ ｄ ｎ ｔｅ ａａ ｔｒ ｍａ Ｔ ｔ ｂ ｏｕ ｓ ｗｉ ｈ ｉｄ ｎ ａｓ ａ ｅ ｐ ｏ ｏ ｅ ａ ｄ ｈ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ｏ ｈ ｑ ａｉｎ ａｅ ｃ ｎ ｒ ｄ ｔ ｒｕ ｈ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌ ａａ ｆ ｔｅ ｅ ｕ ｔｏ ｓ ｒ ｏ ｆ ｍｅ ｈ ｏ ｇ ｘ ｅｉ ｎ ａ ｄ ｔ．Ｆｉａｌ Ｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌ ｐ ｃｍｅ ｓ ａ ｅ ａｃ ｌｔｄ ｂ ｉ ｎ ｌｙ， ｈ ｘ ｅｉ ｎ ａ ｓ ｅ ｉ ｎ ｒ ｃ ｌ ｕａｅ ｙ
ｒｃａ ｇ ｌｒ ｅ ｔ ｎ ． Ｔ ｅ ｅ ｔｎ ｌ ｓｃ ｉｎ ｈ ｖ ｂｎ ｉ ｇ ａ ｓ ｅ ｔｎ ｕ ａ ｓ ｃｉ ｓ ｏ ｈ ｒ ｃａ ｇ ａ ｕ ｒ ｅ ｔ ｓ ａ ｅ ｉｄ ｎ ｂ ｒ ｗｈ ｌ ｔ ｅ ｑ ａ ｅ ｓ ｃｉｎ ａ ｎ ｏ ｅ Ｔ ｅ ｏ ｉ ｅ ｈ ｓ ｕ ｒ ｅ ｔ ｈ ｓ ｏ ｎ ． ｈ ｏ
第４ ｌ卷第 １ ２ １ 期 ０ ０年 １月
Ｖ０ ＿ １ ｏ １ Ｉ Ｎ ． ４ Ｊｎ ０ ０ ａ ．２ １
建
Ａｒ ｈ ｔｃ ｕ ｅ Ｔ ｃ ｎ ｌ ￣ ｃ ｉ ｔ ｒ ｅ ｈ ｏ ｏ ｘ ｅ
筑
技
术
・ ・ ３１
带约束拉杆 Ｌ 形钢管混凝 土轴压短柱 的承载力计算
孙 刚 ．蔡 健２
关 键词 ：形钢 管 混 凝 土短 柱 ； 束 拉杆 ； 束混 凝 土 ； 限 承 载 力 ； 部 屈 曲 Ｌ 约 约 极 局
带约束拉杆L形钢管混凝土短柱轴压性能的试验研究
（ ａｕａ ＳｉｎｅＥ ｉｏ ） Ｎ ｔｒｌ ｃ ｃ ｄｔ ｎ ｅ ｉ
Ｖ １ ４ ｏ１ ｏ． Ｎ ．１ ３
Ｎｏ ｅ ｅ ２ ｏ ｖ ｍｂ ｒ ｏ ６
文章编号： ００５５ （０６ １— ８—６ １ — Ｘ ２０ ）１ ０７０ ０ ６ ０
带约束拉杆 Ｌ形钢管混凝土短柱 轴压性能 的试验研究 术
中图分类号 ： Ｕ ９ Ｔ ３８
文献标识码 ： Ａ
钢管混凝土结构 由于具有承载力高 、 延性好 、 抗 震性能佳等特点， 近年来在土木工程 中应用越 来越 广泛． 前 ， 内外对钢管混凝 土的试验和理论研 目 国 究 ¨ 主要集 中在 圆彤 和 方形 钢 管 混 凝 土 ， 有一 曲， 也 些针对矩形钢管混凝土的研究， Ｌ形等其他 异形 对 钢管混凝土的研究还很少． 在高层住宅 电梯问和角
拉杆的材料性质 ， 按标准试验方法实测而得．
本 文 中所 指 的轴 心 受 压 是 指 加 载 中 心 为 Ｌ形
能的有效截面加强措 施． 已有 的试验研究和理论分 析结果表明， 方形和矩形钢管混凝土短柱在设 置了 约束拉杆后 ， 能有效改善横截面周边 中部钢管对核 心混凝土的约束作用 ， 延迟或避免钢管在应力达到 屈服强度前发生失稳性的局部屈 曲而导致构件的过
压 力机 自带 的压力 传 感 器 直接 读 取 ， 个 加 载 过程 整
都在微机控制下 自动完成． 在试件的柱头和柱脚问
设 置百 分表 ， 分别 测定 图 ３所 示 的 两个 阳角 边 和两 个 阴 角边 柱头 和柱 脚 间的 相对 位 移 ， 两 个 阳角边 取 和两个 阴 角 的百 分 表 读 数 的平 均值 为 试 件 阳角 边 和阴 角边 的轴 向变 形 值 ， 四个 百分 表 读数 的平均 取
高温后型钢混凝土L形柱力学性能的试验研究
高温后型钢混凝土L形柱力学性能的试验研究型钢混凝土异形柱是在异形截面中以配置型钢为主,辅以适量钢筋的新型结构形式,不仅美观适用、布置灵活,还具有良好的承载力和抗震性能,拥有广阔的市场发展空间。
目前对常温下型钢混凝土异形柱已有不少研究,但对其抗火性能的研究相对较少。
由于较高的含钢率和较大的受火面积,相同火灾下异形柱的损伤更为严重,因此有必要对型钢混凝土异形柱的抗火性能进行深入研究。
本文设计并浇筑了8根型钢混凝土L形柱,首先,利用电加热试验炉进行无压力作用下的四面受火试验,然后,对高温后试件进行静力加载试验,研究恒温时长、偏心距和加载角对高温后L形柱力学性能的影响,分析试验现象,研究破坏机理,整理试验数据,得到结论如下:(1)600℃高温作用后,异形柱表面普遍呈浅红色,并出现细微的网状温度裂纹。
各试件相同测点处的升温趋势基本一致,同一截面上,不同深度处各测点的升温趋势相似,升温速率稍有不同,越靠近试件表面升温速率越快。
四面受火条件下,距L形柱表面相同深度处,阳角处的温度要明显高于阴角处。
混凝土温度达到100℃时,升温曲线出现明显的升温平台,越靠近试件核心区平台越明显,该阶段产生的水蒸气也明显增多。
600℃下恒温60min、120min 和180min后,试件自由膨胀率分别为0.55%、0.68%和0.77%,各试件的自由膨胀量随恒温时间的延长近似线性增加。
(2)高温后L形柱轴心加载时的破坏形式与常温下对比试件基本一致,肢端混凝土保护层开裂,破坏处混凝土外鼓。
高温后的偏心加载试件在破坏形态上与轴压试件略有不同,初裂荷载明显提前,靠近加载点一侧柱肢混凝土压溃脱落,型钢局部屈曲,远离加载点一侧混凝土出现横向裂缝,型钢未屈服。
(3)高温后试件的轴向刚度明显小于常温试件,且试件在600℃下恒温时间越长,轴向刚度退化越明显。
轴心加载时,试件高温后的极限承载力大幅降低,600℃下恒温60min、120min和180min,降幅可达36%、38%和40%。
钢筋混凝土L形受压柱力学性能分析
2 钢筋混凝土L形受压柱三维有限元模型
2.3 三维有限元模拟分析
P /kN P / kN
P / kN
2500
试验值 2500
试验值 1600
模拟值
模拟值
试验值
模拟值
2000
2000
1200
1500
1500
800
1000
1000
500
400 500
0 0.000
0.001
0.002
0.003 0.004
钢筋混凝土L形受压柱 力学性能分析
研究背景 及意义
整体思路
轴心受压柱 有限元分析
三维有限元 分析模型
偏心受压柱 有限元分析
应力分析 应变分析 参数分析
大、小偏 心受压情 况的判定 应变分析
参数分析
总结
1 研究背景及意义
图3 钢筋混凝土L形柱截面示意图 图2 异形柱框架结构示意图 图1 矩形柱框架结构示意图
-40
荷载加载角度的变化的影响
0
50
100
150
200
250
X /mm
-50 0
50
100
150
200
250
X /mm
图26 配筋率的影响
图27 体积配箍率的影响
图28 长细比的影响
16
5 总结
1. 本文在钢筋混凝土L形轴心受压柱的试验研究基础上，采用有限元分析技术，建立 了钢筋混凝土L形受压柱的三维有限元分析模型，计算结果与试验结果吻合较好， 证明了本文所建立的分析模型的合理性。
-10 -20 -30 -40 -50
0
1500 1000
1000
带约束拉杆L形方钢管混凝土组合柱轴压性能
带约束拉杆L形方钢管混凝土组合柱轴压性能杨秀荣;姜谙男【摘要】为了研究带约束拉杆L形方钢管混凝土组合长柱的轴压性能,采用有限元软件ANSYS数值模拟和试验对比方法分析了带约束拉杆L形组合长柱的轴压性能,通过分析带约束拉杆L形组合长柱整体构件的屈曲模态、变形图以及各个部件的应力云图,验证了构件具有较高的受压承载力.结果表明,在钢管内部添加约束拉杆增强了钢管对混凝土的约束效应,提高了混凝土的轴心抗压强度与构件的整体承载力,为构件的工程应用提供了依据.【期刊名称】《沈阳工业大学学报》【年(卷),期】2019(041)005【总页数】7页(P594-600)【关键词】约束拉杆;组合柱;轴压性能;屈曲模态;有限元;非线性分析;约束效应;承载力【作者】杨秀荣;姜谙男【作者单位】大连海事大学道路与桥梁工程研究所,辽宁大连116026;大连海事大学道路与桥梁工程研究所,辽宁大连116026【正文语种】中文【中图分类】TU398.9钢管混凝土结构[1]在实际工程中使用广泛，方形钢管混凝土结构具有制作、施工方便，节点型式灵活，易满足建筑要求，截面相对展开，惯性矩大，稳定性好，适合做压弯构件等优势[2]，但由于建筑专业需求，具有灵活截面形式的异形柱[3-4]越来越引起工程技术界的重视.由于在初期设计中方形或矩形柱本身凸出墙面，必定占用建筑的使用空间，而通过采用异形柱(如角柱采用L形截面，边柱采用T形截面，中柱采用十字形截面)可以解决以上问题，从而增加了建筑空间[5-6].以L形、T形和十字形截面为代表的组合柱具有灵活的截面形式，可避免室内柱楞外露，便于家具摆放，并有利于提高建筑空间的利用率，但在单肢柱中钢管对核心混凝土的约束作用主要集中在角部，周边约束比较弱，承载能力相对较低，导致钢管与混凝土的协同作用较差[7-8].为了增强钢管对核心混凝土的约束作用，延缓或防止钢管的局部屈曲，提出了设置钢筋(钢板条)加劲肋的构造措施[9]，即在每个单肢柱中沿纵向每隔一定间距在横截面上设置单个或多个水平约束拉杆，以提高钢管侧边中部对核心混凝土的约束作用，从而避免或延缓了钢管在达到屈服强度前的局部屈曲，使得钢材和混凝土两种材料的性能得到进一步发挥，进而提高了钢管混凝土柱的承载力和延性，同时增强了L 形方钢管混凝土组合异形长柱的力学性能.带约束拉杆L形组合长柱的截面图和构造图如图1所示.图1 带约束拉杆L形组合长柱Fig.1 L-shaped long composite column with restraint bars1 本构模型1.1 混凝土本构关系模型混凝土的本构关系[10]可以分为线弹性、非线性弹性、弹塑性和其他力学理论四类.本文所采用的混凝土本构关系上升段采用GB50010-2010《混凝土结构设计规范》，下降段则采用Hongnestad处理方法，相关表达式为式中：σc为极限抗压强度；εcu为极限压应变，理论分析时εcu=0.003 8，进行构件设计时εcu=0.003；ε0为峰值压应变；σ0=0.85fc，fc为混凝土抗压强度. 在有限元软件ANSYS中，上述混凝土的本构曲线可以用一系列数据点进行拟合输入.本文采用应用较广的多线性随动强化模型MKIN来模拟混凝土，混凝土的单轴应力应变关系曲线如图2所示.图2 混凝土的应力应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of concrete1.2 钢管本构关系模型当钢材达到强化阶段时，其变形很大，然而这种情况在实际工程中是不允许的.因此，钢材的本构关系常被简化为理想的弹塑性模型(见图3).对于理想弹塑性模型而言，当应力达到或超过屈服应力后，不需施加任何荷载，变形仍能自由增加.图3 理想弹塑性模型Fig.3 Ideal elastic-plastic model2 试验概况以未带约束拉杆构件试验为参考[11]，在异形长柱轴压性能研究中采用Q235B钢板，钢管内填充的混凝土等级为C40，缀条采用Q235B钢板，方钢管内的约束拉杆采用HRB335钢筋.缀条、方钢管、混凝土和约束拉杆的力学性能指标分别如表1～3所示.长柱试件柱高为2 000 mm，单肢截面宽为100 mm，因而长柱单肢高宽比L/D=20，钢管截面尺寸为100 mm×100 mm×5.75 mm，缀条尺寸为100 mm×40 mm×10 mm.长柱试件尺寸如图4所示(单位：mm).表1 钢材的材料特性Tab.1 Material properties of steel材料屈服应力MPa极限应力MPa弹性模量1011Pa钢板(缀条)2294291.89方钢管2744154.11表2 混凝土的材料特性Tab.2 Material properties of concrete材料配合比(/kg·m-3)水泥砂子石子水轴心抗压强度MPa立方体抗压强度MPa弹性模量1010Pa砼353696108817539.649.74.33表3 约束拉杆的材料特性Tab.3 Material properties of restraint bars材料屈服强度/MPa极限强度/MPa直径/mm水平间距/mm竖向间距/mm约束拉杆33551010502003 有限元分析3.1 力学假定与有限元模型在带约束拉杆L形方钢管混凝土组合异形长柱的轴压性能分析中，需要进行如下假定[12]：带约束拉杆L形方钢管混凝土组合柱从开始受力直至破坏，顶端受压截面始终保持为平截面；钢管和混凝土之间的接触为充分粘结，且二者变形协调；约束拉杆和混凝土之间充分粘结，且二者变形协调；缀条与钢管之间充分粘结，且二者变形协调；剪切变形的影响忽略不计；忽略混凝土徐变和收缩的影响；不考虑钢管局部焊接残余应力与受拉区核心混凝土抗拉强度的影响.带约束拉杆L形方钢管混凝土组合异形长柱的有限元模型如图5所示.3.2 单元选取与网格划分采用SOLID186单元模拟混凝土.SOLID186单元为高阶三维20节点实体单元，该单元中的每个节点都有三个自由度，即沿节点坐标系x、y、z方向的三个平动自由度.SOLID186单元具有应力强化、大变形等特性，此外，还具有超弹、黏弹和单元技术自动选择等特性.SOLID186具有结构实体和分层实体两种形式，可以通过KEYOPT(3)进行设置，本文采用SOLID186结构实体.采用SHELL281单元进行钢材模拟.SHELL281单元为8节点有限应变壳单元，被广泛应用于模拟薄壳至中等厚度的壳结构.SHELL281单元的每个节点都有6个自由度，除具有沿节点坐标系x、y、z三个方向的三个平动自由度外，还具有绕各轴的转动自由度.采用接触单元模拟钢管与混凝土之间的接触.其中，目标单元采用TARGE170单元，接触单元采用CONTA174单元，且二者都属于3D 8节点单元.采用LINK8单元模拟约束拉杆.LINK8单元是一种被广泛应用于多种工程实际的杆单元，可以用来模拟桁架、垂缆、杆件、弹簧等.LINK8杆单元只能承受单轴方向上的拉压，该单元的每个节点上都有三个自由度，即节点坐标系x、y、z方向的三个平动自由度.在有限元模拟中，假设LINK8单元为直杆，在端部施加的荷载为轴向荷载，材料特性沿全长均质，且单元长度和横截面不能为零.由于带约束拉杆L形组合柱的有限元模型形状比较规则，因而本文采用映射网格进行划分.在对钢管和缀条设置映射网格划分单元数目时，需要确保钢管与缀条接触面处的节点重合，然后再将这些重合节点合并，从而可以保证钢管和缀条在这些节点处(即焊接处)变形协调.采用六面体单元SOLID186对混凝土进行映射网格划分.完成有限单元划分后，需要将钢管与缀条重合的节点进行耦合，并将钢管与约束拉杆、混凝土重合的节点分别进行约束.图4 长柱试件尺寸Fig.4 Size of long column specimen图5 L形组合长柱的有限元模型Fig.5 Finite element model for L-shaped long composite column3.3 接触单元设置与加载有限元软件ANSYS中连接不同类型单元的接触算法有多种，本文采用的是多点约束(MPC)算法.MPC算法是由ANSYS内部根据接触运动自动建立多点约束方程.采用MPC算法并将其与绑定或不分离等选项结合，可定义各种装配接触和运动约束，这种功能非常适合CONTA171～177单元.采用MPC算法可以实现不连续且自由度不协调的网格单元之间的连接、不同单元类型之间的连接，以及施加荷载或约束条件等功能.在有限元建模过程中，需要对接触单元的接触方向进行定义.接触面与目标的外法线方向必须互指，同时接触单元与目标单元的单元法向也必须互指(见图6)，否则在开始有限元计算前，程序可能认为二者之间存在过度侵入并难以找到初始解，此时程序会立刻停止运行.图6 外法线方向Fig.6 Direction of outside normal可用命令PSYMB显示单元坐标系进行法线方向检查，如果单元法向不指向对应面，选择该单元并采用命令ESURF反转表面法线的方向，或采用命令ENORM重新定义单元方向，结果如图7所示.图7 接触单元法向图Fig.7 Normal direction of contact element带约束拉杆L形组合柱有限元模型建成以后，对其施加边界条件，即将柱底端所有节点进行约束，并对柱顶端所有节点的水平自由度进行约束，竖向自由度进行耦合.保证在加载过程中柱顶端保持水平截面.边界条件施加完成后，对顶端施加竖向位移荷载.3.4 长柱轴压分析当对长柱进行轴压模拟时，需要对其进行屈曲分析.屈曲分析[13]是一种用于确定结构从开始变得不稳定时的临界荷载并确定结构发生屈曲响应时有哪些屈曲模态形状的分析方法.在有限元软件ANSYS中用来分析结构屈曲荷载和屈曲模态的方法包括特征值(线性)屈曲分析和非线性屈曲分析.特征值屈曲分析即为线性分析，通过该分析可以对结构临界失稳力进行预测.长柱的屈曲分析步骤为：首先进行静力分析，在柱顶面施加单位压力并激活预应力选项，再对其进行特征值屈曲分析，并将特征屈曲分析得到的一阶特征值屈曲模态进行扩展.在ANSYS中的特征值屈曲分析中，通过分析可以得到结构的屈曲荷载系数和相应的屈曲模态，将屈曲系数与外加的单位荷载相乘即可得到屈曲荷载.通过特征屈曲分析得到的长柱五阶屈曲模态如图8所示.由于特征值屈曲分析是非线性屈曲分析的初步评估，因此，在非线性屈曲分析之前，读取千分之一的一阶特征值屈曲变形，将其作为初始缺陷施加到长柱有限元模型中.当对长柱进行非线性屈曲分析时，需要打开自动时间步和大变形效益开关，并在长柱顶端施加由一阶特征值屈曲模态中得到的屈曲荷载系数所确定的临界荷载，之后进行迭代求解直到计算发散为止.图8 长柱屈曲模态Fig.8 Buckling modes of long column完成长柱的屈曲分析后，进行ANSYS时程后处理，得到长柱试件的荷载位移曲线，结果如图9所示.由图9可知，带约束拉杆L形组合长柱的轴压极限承载力为4 136 kN，此时长柱顶端(加载端)的竖向位移为3.12 mm.与L形方钢管混凝土组合异形长柱[12]相比，在相同的竖向位移下带约束拉杆L形组合长柱所对应的极限承载力较高.通过ANSYS时程后处理，可以得到带约束拉杆L形方钢管混凝土组合异形长柱顶端竖向位移的位移时间曲线，结果如图10所示.由图10可知，在位移加载前期带约束拉杆L形方钢管混凝土组合长柱的位移呈线性增长，当竖向位移约达到3mm后，位移突增，并呈现出一定的失稳特点.3.5 长柱破坏形式与应力云图带约束拉杆L形方钢管混凝土组合异形长柱试件变形图如图11所示.由图11可见，长柱整体和单肢柱在长柱中间部位都发生了较大的弯曲变形，而单肢柱的变形更为明显.图9 长柱试件的荷载位移曲线Fig.9 Load-displacement curves of long column specimen通过ANSYS通用后处理，可以得到长柱试件破坏时的等效应力云图，结果如图12所示.由图12a、b可知，当带约束拉杆L形方钢管混凝土组合异形长柱试件破坏时，钢管和混凝土都达到了极限应力.由图12c、d可知，作用于缀条和约束拉杆上的应力较小，且受压侧应力大于受拉侧应力，但两侧均未破坏.图10 长柱试件的位移时间曲线Fig.10 Displacement-time curve of long column specimen图11 长柱试件的变形图Fig.11 Deformation diagram of long column specimen4 结论采用有限元软件ANSYS对带约束拉杆L形方钢管混凝土组合长柱进行有限元分析和试验对比，可以得出以下结论：1) 通过设置钢筋(钢板条)加劲肋的构造措施，提高了钢管在侧边中部对核心混凝土的约束作用，延缓了钢管在达到屈服强度前的局部屈曲，从而提高了钢管混凝土柱的承载力和延性，增强了L形方钢管混凝土组合异形长柱的力学性能；2) 在位移加载前期带约束拉杆L形方钢管混凝土组合长柱的位移呈线性增长，但随着时间的增长，位移突增，此时组合长柱变现出一定的失稳特点；图12 长柱试件破坏时的等效应力云图Fig.12 Equivalent stress nephograms of long column specimen after failure3) 在轴压变形过程中，整体和单肢柱在长柱中间部位都发生了较大的弯曲变形，而单肢柱的变形更为明显；4) 通过与未带约束拉杆的L形方钢管混凝土组合长柱的轴压性能进行对比可知，带约束拉杆组合长柱的承载力和延性都得到了提高，可用于实际工程结构中.【相关文献】[1]田存.方钢管混凝土组合异形柱住宅体系工程应用研究 [D].邯郸：河北工程大学，2017.(TIAN Cun.The application of residential building system for using 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分 。混凝 土采用八 节点 积分格式 的三维实体单 元（ ３ ８ 。 Ｃ Ｄ ）
钢管 与混凝土界 面法 线方 向采用 硬接触 ， 垂直 于接 触 面的压力 可以完全地在 界面 问传递 。钢 管与混 凝土界 面切
承载 力 高 ， 性性 能优越 ， 震性 能好 ， 火及 火灾后 期 的 塑 抗 耐 可修复性能 较好 。随着 国 民经济 实 力的加 强 ， 建筑 结构 对
闫宗福等 ： 形钢管混凝土轴压柱力学性能研究 Ｌ
５ ３
Ｌ形 钢 管 混 凝 土轴 压 柱 力 学性 能 研 究
闫宗福 ， 张文璇 ， 张悟 成
（ 甘肃蓝 科石化高新装备股份有 限公司 ． 兰 州 ７ ０ ３ ） ３ ０ ０
【 摘 要】 在选择合适的钢管混凝土应力 一 应变关系模型的基础上 ， 利用 Ａ Ａ Ｕ 有限元软件对钢管混凝 Ｂ ＱＳ
由于钢管混凝土结构在 力学性 能上及 施工 上有诸 多优
点， 因此被广泛地 应用 到建 筑 工程 的很 多 领域 。如在 大跨
度桥梁 、 层 及超 高 层 建 筑 中得 到 广 泛 的 应 用 （ 高 韩林 海 ， ２ ０ … ） 。目前 ， ０７ 等 方形和 圆形钢管 混凝 土 的力学性 能试 验 与理论研究 已经 较多 ， 究结 果表 明钢管 混凝 土 结构具 有 研
载， 直到 Ｌ 形钢管混凝 土轴压构件受 压破坏 ； ④从 而得 到 Ｌ
形钢管混凝土轴压构件荷载 一变形的全过 程曲线。
２ 计算结果与 实验 结果对 比
对韩林海等 （０ ７ 中的 ６个矩 形钢 管混凝 土轴心受 ２０ ） 压构件 的实验进行 了数值计 算 ， 计算 结果 与试 验结果 吻 合 良好 。 中 Ｌ为计算 长度 ， 其 Ｄ为截面高度 ， 为截面宽度 ，为 ｔ 钢管厚度 ， 部分计算结果见图 １ 。
功能 的要求越来 越高 ， 为提 高建 筑 的使用 面 积 以及 不 露柱
向力传递 采用 库仑摩 擦模 型来 模拟 ， 该界 面 可 以传 递 剪应
力直 到剪 应力达到临界值 ， 产生相对滑动。
的功能要 求 ， 避免房间 出现棱 角 ， 使建 筑平 面的整体 布局美
观合理 ， Ｌ形钢管混 凝土 柱扮演 着重 要 的角 色。迄今 为止 ， 对 Ｌ形钢管混凝土构件的力学 性 能研 究 较少 。为进 一步完 善钢 管混凝土的力学 性能理 论 ， 必要 对 Ｌ形 钢管 混凝土 有 轴压 柱的受力性能进 行研究 。本文研 究结 果也 可为钢管混 凝 土转 角柱 、 Ｔ形及 十字形钢 管混凝土柱 的下一 步研究工作 提供参考 。
单肢 截面高宽 比 Ｂ的增 大而不断减小 ， 内隔钢板对 Ｌ 焊接 形钢 管混凝 土柱承载 能力提高有一定 贡献 ， Ｌ形钢管 混
凝 土轴压柱在转角处有扭 曲和应力集 中现象。
【 关键词 】 结构 工程 ； 限元 ； 形钢 管混凝 土 ； 有 Ｌ 轴压柱 ； 模拟 数值
【 中图分类号】 Ｔ ３８ Ｕ ９
的力对构件进行加载 ； ②保持 模型 中的单元类 型、 元网格 单
划分 、 钢材 和核 心混凝 土界 面模 型 、 界条 件不 变 ； 当完 边 ③ 成第一步加载后 ， 钢管 混凝土 轴心 受压构 件进 行位 移加 对
（ ） 材 料本构 关 系模 型。Ａ Ａ Ｕ １ Ｂ Ｑ Ｓ具 有 丰富 的材 料 本构 模 型 库 ， 以模 拟 大 多 数 的 工 程 材 料 （ 茁 等 ， 可 庄 ２０ ＿ ） ０５ ２ 。本 文钢 材采用 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ软 件 中提供 的等 向弹塑 性模型 ， 符合 Ｖ ｎＭｉ ｓ 服准 则 。由于低 碳软 钢和高强 钢 ｏ ｓ 屈 ｅ 材的变形特点不 同 ， 应力 一应变 关 系 曲线分 别采 用二 次 其 塑流模型或 双折线 模型 （ 韩林 海 等 ，０ ７ ） ２ ０ … 。钢 材弹 性模 量取 ２０ ．６×１ ａ泊松 比取 ０ ３ ０ＭＰ ， ． 。混凝土选 用 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ材
４ ０ ０ ２Ｏ Ｏ
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０
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２
３
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ｎ ｌ ‘（ ｒｌ－ ｅ ｃＩＩ ）
图Ｉ 计算结果与试验结果对 比
【 文献标识码】 Ｂ
【 文章编号】 １ １ ６６ （０１ １ — ０３ ０ ０ — ８４ ２１ ）１ ０５ — ２ ０
料库 中提供 的混凝 土塑性损伤本构模型。 （ ） 计算 模 型单 元选 取及 网格 划分 。钢 管单元 选 取 ２ 采用 四节 点完 全积分格 式 的壳单元 （ ４ ， 了满 足精度 以 Ｓ）为 及便于收敛 ， 厚 度方 向上采 用 ９个 积分 点 的 Ｓｍｐｏ 在 ｉ ｓｎ积
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土 的矩形轴压柱实验进行 了数值 计算 ， 计算结果与实 验结果 吻合 良好 ， 于此 正确模 型基 础上 ， 基 利用 Ａ Ａ Ｕ Ｂ Ｑ Ｓ软 件建立 了 Ｌ形钢管混凝土轴压柱 的数值分析模型 。对 Ｌ形 钢管混 凝 土柱的受 力特性进 行 了分析 ， 比了是否 考 对
虑焊接 内隔钢 板对 Ｌ形钢管混凝 土柱的力学性能的影响 。结果表 明 ： Ｌ形方钢管混凝土轴压柱的极限承载力 随着
１ 有限元 （ Ｂ Ｑ Ｓ 模型 ＡＡ Ｕ）
本文 采用的 Ｌ 钢管混凝土计算模 型对形 钢管混凝 土轴 压柱底部 对 Ｕ 、 、 三个方向位移进行 了约束 ， 同时对 。 并
三个 方向的转角进行 了约束。 （ ） 主要加 载步骤 ： ３ ①为便 于收敛 ， 先采 用 比较小 首