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1、工程设计 长细比对方钢管混凝土柱受力性能的影响 王 鑫 (天水师范学院工学院，甘肃天水741001) 摘 要：以基本试件(BASE)为基础设计3个不同长细比的ZG试件并进行非线性有限元分析，采用在钢管和混凝 土之间加入粘接单元的方法。分析得知：柱长细比是方钢管混凝土柱设计的主要影响因素。柱长细比越大，柱承 栽力越低，因此长细比可适当减小。此外，在方钢管的底部和底角部存在应力集中现象，应力集中区域大约在柱高 13范围内 对方钢管的底部应加大刚度，柱底角部应加强施焊。混凝土压碎破坏多发生在柱底部，因此在管内混 凝土的施工过程中，要保证混凝土柱底浇筑密实。 关键词：方钢管混凝土柱；长细比；有限元 E
2、FFECT OF SLENDERNESS RATIO ON BEHAVIoR oF SQUARE CoNCRETEFILLED STEEL TUBULAR CoLUMN Wang Xin (Technological College of Tianshui Normal University，Tianshui 741001，China) ABSTRACT：Based on basic specimens，the three ZG square concrete-filled steel tubular columns are designed and it is analysed by non
3、linear finite element with felt element between stee1 pipe and concreteSlenderness ratio may be reduced properly，because slendemess ratio is more big，the carrying capacity is more lowThe stress poll will appear in the bottom and corner of column。the stress pollis in one-third of height of columnTher
4、efore the stiffness of bottom of column must be enhanced，the corner of column must be welded greatlyBecause the concrete crack is in the bottom，in the course of the concrete construction，it should guarantee the concrete of the coluFnn bottom close-grained KEY W0RDS：square concrete-filled steel tubul
5、ar column；slenderness ratio；finite element 方钢管混凝土的研究开展得较晚，各方面的理 论还不够成熟和完善，以往的研究主要集中在试验 研究上。本文采用有限元分析对方钢管混凝土柱的 设计和施工提出建议，克服试验的不足。考虑到钢 管混凝土是由钢管和混凝土两种不同材料所组成， 混凝土和钢管之间有相对滑移，引入一种能反映钢 管和混凝土两者间界面性能的单元粘结单元， 它能比较真实地反映方钢管混凝土柱的受力性能。 1有限元模型的建立 本文模拟框架结构中间层的中柱，截取了方钢 管混凝土柱从梁顶面到柱反弯点处的部分为研究对 象。为了深入分析钢管混凝土柱的受力性能，充分
6、考虑我国有关规范的规定，依据常见的工程实例设 计了4个试件，采用ANSYS软件对其受力性能进 行了非线性有限元模拟。 11模型的几何尺寸 为了研究长细比对方钢管混凝土柱的受力性能 影响，以基本试件(BASE)为基础，设计了ZG系列 试件，详细尺寸见表1。 12单元的选取 在ANSYS中用Solid 65单元】 来模拟混凝 表1试件基本尺寸 注：ZG-1(2，3)中：Z代表柱子；G代表高度；1，2，3分别代表柱高度为1 650，1 950，2 100 trim。 土的材料性质，该单元为三维钢筋混凝土实体。钢 管壁采用8结点六面体单元Solid 45。 作者：王鑫，女，1971年出生，硕士研究生，
7、讲师。 Email：wang xinO1234yahooan 收稿日期：20100210 48 钢结构 2010年第9期第25卷总第137期 王 鑫：长细比对方钢管混凝土柱受力性能的影响 13 材料模型的确定 混凝土强度等级为C50，弹性模量E一345 10 MPa，泊松比 一02；钢材为理想的各向同性的 弹性材料，选用Q345，弹性模量Es一2O610 MPa， 泊松比 =O3。钢的应力一应变关系的计算模型取 双折线弹性强化模型。 14加载制度及约束情况 柱底固定，柱顶不加约束，先加柱顶竖向荷载 N，再加柱顶水平荷载P。荷载的施加方式：柱顶轴 力N以面荷载的形式施加在柱顶面S上；柱顶水平 力
8、P以位移形式施加，加载前先将S面上所有节点 的X向位移耦合在一个关键点(1)上(图1)，施加的 位移只需加在此耦合点的X向上。 图1 方钢管混凝土柱加载示意 2 ZG系列试件有限元计算结果及分析 方钢管混凝土柱的长细比为： 一23LB (1) 式中：L为方钢管混凝土柱的计算长度；B为方钢管 横截面外边长。 21荷载一位移曲线分析 有限元计算ZG系列试件的荷载一位移曲线如 图2所示。 Z 差 0 lO 1一zG-1；2一BASE；3一ZG-2；4一ZG-3 图2 ZG系列荷载一位移曲线对比 柱长细比对荷载一位移曲线影响比较显著。随 着柱长细比的增加，构件无论在弹性阶段还是在非 线性强化阶段，其刚
9、度均有所降低，承载能力也有所 下降，而且下降的幅度较大。因方钢管混凝土柱的 长细比越大，柱越容易发生失稳，使柱承载力降低。 22混凝土裂缝分析 有限元计算zG系列试件破坏时混凝土裂缝如 图3所示。 图3试件混凝土裂缝 ZG系列试件破坏时混凝土的裂缝集中在柱底 部，特别在柱底角部混凝土的裂缝更加严重，并且出 现了贯通裂缝，导致混凝土被压碎。 随着柱长细比的增加，柱底混凝土的裂缝增多， 特别是柱底角部裂缝开始增多，裂缝逐渐连接并贯 通，出现了贯通裂缝，贯通的裂缝将试件分裂成若干 短柱，造成混凝土过早被压碎，柱的承载力降低。因 此在管内混凝土的施工过程中，要注意柱底部和柱 底角部的混凝土浇筑质量，保
10、证混凝土振捣密实，确 保工程质量。 23 管内混凝土轴向应力云图分析 有限元计算ZG系列试件破坏时混凝土轴向应 Stee1 C0nstructio n2O10(9)，Vol_25，No137 49 8 6 4 2 O 8 6 4 2 工程设计 力云图如图4所示。 思 薹嚣 BASE 图4试件混凝土轴向应力云图 MPa ZG系列试件破坏时，混凝土外表面的底部和 中上部局部区域轴向压应力较大，最大轴向压应力 超过了混凝土的抗压强度，导致混凝土被压碎。由 于钢管和混凝土是由两种力学性能不同的材料组 成，而且尺度相差很大，钢管和混凝土的弹性模量又 不同，它们在轴向荷载和水平荷载作用下，出现相对 滑移，
11、它们之间产生的摩擦力和粘结力使得混凝土 外表面大部分区域出现了轴向拉应力，但拉应力值 较小，而混凝土内部则出现轴向压应力。 随着柱长细比的增加，混凝土柱底角部和柱中上 部局部区域的最大压应力范围增大，混凝土内部的轴 向压应力值随着柱长细比的增加而增大，使混凝土过 早开裂，柱的承载力降低。在管内混凝土的施工过程 中，要注意柱底部和柱底角部、柱中上部的混凝土浇 筑质量，保证混凝土振捣密实，确保工程质量。 24钢管的Mises应力分析 有限元计算ZG系列试件破坏时钢管的Mises 应力图如图5所示。 ZG一1 BASE ZG一2 图5试件钢管Mises应力MPa ZG系列试件破坏时，钢管的高应力区域
12、集中 在钢管的柱底部，特别在钢管底角部应力集中现象 更为严重，柱的反弯点附近应力最小，钢管的柱底部 和底角部应力最大，超过了钢材的屈服强度，进入塑 性变形阶段，而钢管中间大部分区域应力较小。 随着柱长细比的增加，钢管柱底部、柱底角部的 高应力区域范围增大，但最大应力值稍有减小，减小 的幅度很小。在方钢管混凝土柱底部和角部会造成 应力集中现象，因此对方钢管混凝土柱的底部应加 大刚度，角部应加强施焊。 25测点和路径分析 在各试件中取4个测点，测点1、2位于钢管外 表面底部角点处，测点3位于钢管外表面顶部角点 处，测点4位于测点1、3连线的中点处。连接测点 1、2形成路径1，连接测点1、3形成路径
13、2，连接测 点3、5形成路径3，如图6所示。 Z l 图6试件测点、路径 有限元计算ZG系列试件破坏时，测点Mises 应力值对比如图7所示。 由图7看出：测点1、2的应力值最大，测点3的 应力值最小。 从图7中测点1、2 Mises应力值对比看出：改 50 钢结构 2010年第9期第25卷总第137期 王 鑫：长细比对方钢管混凝土柱受力性能的影响 变柱长细比对测点1、2的Mises应力值影响较小， 在弹性阶段随着柱长细比的增加，Mises应力值减 小，但减小的幅度较小，对ZG一3试件，Mises应力值 减小的幅度较大，进人塑性阶段的4条曲线几乎重 主 奄2 0 0 兰 主 、 = 合，钢管均
14、达到了屈服强度。随着时间的推移，应力 曲线在弹性阶段上升较快，进入塑性阶段后变化趋 - 势较为平缓。 。 一一一一一一 矗 1 ， 00 0 2 04 06 08 10 00 02 时问s 测点l 1一ZG一1；2BASE；3一Z-2；4一ZG一3 图7测点Mises应力值对比 从图7中测点3 Mises应力值对比可看出：改 变柱长细比对测点3的Mises应力值影响较小。随 着柱长细比的增加，测点3的应力值减小，但减小 的幅度很小，对ZG一1、BASE试件几乎没有影响，两 条曲线几乎重合。随着时间的延长，测点3的应力 40O 350 =300 250 200 150 lfx) = 50 0 E
15、 一 卜2 、 ， r3 1， 1 V 0 100 2oo 300 4OO 500 长度ram 路径1 4(x】 350 茎300 迥250 200 150 100 主 50 0 趔 彗 = 9O 80 70 60 50 40 3O 2O 10 -一 r ：- 一 ， ! 广 专 ， L4 04 06 08 10 时问s 测点3 曲线呈上升的趋势，各测点的应力值均远未达到屈 服强度。 有限元计算方钢管混凝土柱ZG系列试件破坏 时，路径Mises应力值对比如图8所示。 强 骶 O 50o 1 O【x】l 500 2 000 2 5oo 长度ram 路径2 lZG一1；2一BASE；3一ZG一2；
16、4一ZG一3 图8路径Mises应力值对比 由图8看出：路径1、2上应力集中区域钢管达 到了屈服，而路径3上钢管均未达到屈服。 从图8中路径1 Mises应力值对比看出：随着 柱长细比的增加，应力曲线的突变点值大小和位置 几乎没有变化。在上升和下降阶段，随着柱长细比 的增加，应力值减小。应力曲线变化趋势先较为平 缓，后来下降，再上升，最后又较为平缓。 从图8中路径2 Mises应力值对比看出：在柱 高度660 mm内，应力值差别很小，4条曲线几乎重 合；当柱高度超过660 mm以后，应力值随着柱长细 比的增加而增大。但应力曲线总体呈下降趋势，应 力集中区域大约在柱高13范围内。 从图8中路径3 Mises应力值对比看出：随着 柱长细比的增加，Mises应力值减小，当柱长度为 425 mm后，Mises应力值减小的幅度降低。 j型 器 蟹 = 3 结 论 长细比可适当减小，柱长细比越大，柱
