中空夾層鋼管混凝土柱受力性能研究

1、作者簡介：作者簡介：衛(wèi)建軍(1961)，男，河南汝陽縣人，在讀博士，高級工程師，主要從事建筑工程施工及管理方面的技術(shù)和研究工作。中空夾層鋼管混凝土柱受力性能研究中空夾層鋼管混凝土柱受力性能研究衛(wèi)建軍1，孫利亞2，周文亮3，宋園園4(1西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安710054；2陜西亞正建設(shè)工程有限責(zé)任公司，西安7100433中國神華神東煤炭集團設(shè)計公司，鄂爾多斯017209；4中國十九冶勘察設(shè)計研究院有限公司，成都61173

2、0))摘要：為研究不同空心率對中空夾層鋼管混凝土柱的受力性能的影響，對3個不同空心率的中空夾層鋼管混凝土柱試件和1個普通鋼管混凝土柱試件進行了非線性有限元分析。結(jié)果表明：與普通鋼管混凝土柱相比，中空夾層鋼管混凝土柱承載力和剛度有了明顯的提高，塑性和延性性能也相應(yīng)提高。中空夾層鋼管混凝土柱受力性能更加合理，它充分利用了鋼材和混凝土各自受力性能的優(yōu)勢，大大的提高了建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性能，是一種發(fā)展前景非常廣闊的結(jié)構(gòu)形式。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：鋼管混

3、凝土；安全性；空心率；承載力；剛度；ResearchonBehaviofConcretefilledDoubleSkinSteelTubularColumnsWEIJianjun1，SUNLiya2，ZHOUWenliang3，SONGYuanyuan4(1.SchoolofArchitectureCivilEngineering，XianUniversityofScienceTechnology2.ShaanxiConstructio

4、nofYazhengCoShanxiXian710054.3ChinaShenhuaShendongGroupCoalDesignCompanyErdos0172094Prospecting＆DesignInstituteCo.Ltd.ofChina19MCC，Chengdu611730))Abstract:Indertoanalysisthehollowsectionratiototheperfmanceofdoubleskinste

5、eltubularcolumn，Usingthenonlinearfiniteelementanalysistothreedifferentdoubleskinsteeltubularcolumnanmalsamplesquaresteeltubularcolumnspecimens.Theresultsshowthat:Comparewiththedinarysteeltubularcolumnthedoubleskinsteeltu

6、bularcolumnbearingcapacitystiffnesshasbeensignificantlyimproved.therateofimprovementabout10%theplasticityductilityareincreasedaccdingly.DoubleskinsteelconcretecolumnsubjectedtoamereasonableperfmanceItisfullyuseofthesteel

7、concretemechanicalpropertiesoftheirrespectiveadvantagesGreatlyimprovethesafety，stabilityofbuildingstructures.Itisaverybroadprospectsfdevelopmentstructure.KeyWds:concretefilledsteeltubularhollowsectionratiobearingcapacity

8、rigidity1引言引言中空夾層鋼管混凝土是一種在普通鋼管混凝土的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型鋼管混凝土，它是在兩層同心放置鋼管之間填充混凝土的中空構(gòu)件，其主要的截面形式如圖1所示。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是有著很好前景的組合結(jié)構(gòu)，盡管矩形鋼管對核心混凝土的約束效果不如圓鋼管顯著，但仍有良好的效果，尤其可以有效提高構(gòu)件的塑性和韌性，從而提高建筑結(jié)構(gòu)安全性。另外，與梁、柱的連接節(jié)點處理也較容易。近年來國際上在鋼管混凝土的理論研究和工程應(yīng)用上取得了長足的發(fā)

9、展，不少研究者對鋼管混凝土的受力性能進行了深入細致的研究，研究方法以試驗研究和數(shù)值模擬為主。迄今為止，運用有限元法對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬已日漸成熟，計算精度日趨提高，但對中空夾層鋼管混凝土的數(shù)值模擬研究則極少。本文采用有限元軟件ANSYS建立有限元實體模型對試驗試件進行非線性有限元分析。2有限元模型的建立有限元模型的建立為了深入分析不同空心率對中空夾層鋼管混凝土柱受力性能的影響，依據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)范》設(shè)計規(guī)范，共設(shè)計了

10、4個試件，其中中空夾層鋼管混凝土柱設(shè)計了3個試件，其空心率依次為0.25、0.5和0.75，為與普通鋼管混凝土柱進行對比，設(shè)計了1個普通鋼管混凝土柱，采用有限元軟件ANSYS對其受力性能進行了非線性有限元計算。2.1基本試件參數(shù)的選取基本試件參數(shù)的選取鋼材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的計算模型選用雙折線彈性強化模型?；炷敛捎苗娚仆┧岢龅暮诵幕炷劣?（a）χ=0時（b）χ=0.25時（c）χ=0.5時（d）χ=0.75時圖4不同空心率中空夾層鋼管

11、混凝土柱Mises應(yīng)力圖4應(yīng)力路徑分析應(yīng)力路徑分析為了研究不同空心率對中空夾層鋼管混凝土柱受力性能的影響，分別選取了四條路徑，通過研究這四條路徑上鋼管和混凝土的Mises應(yīng)力分布，來分析空心率對中空夾層鋼管混凝土柱受力性能的影響。進一步提出對中空夾層鋼管混凝土柱設(shè)計和施工時的建議，得出的結(jié)論為中空夾層鋼管混凝土柱理論和設(shè)計方法的研究應(yīng)用、以及探索新型的結(jié)構(gòu)形式提供了有價值的數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。其中，路徑1為柱肢外鋼管沿柱肢高度方向路徑；路徑

12、2為柱肢外鋼管沿柱寬度方向路徑；路徑3為柱肢混凝土沿柱肢高度方向路徑；路徑4為柱肢混凝土沿柱肢寬度方向路徑。4.1路徑路徑1Mises應(yīng)力分析應(yīng)力分析圖5為中空夾層鋼管混凝土柱柱肢外鋼管沿路徑1Mises應(yīng)力圖，由圖5可知，柱肢鋼管Mises應(yīng)力沿柱肢高度方向在柱底和柱頂較大，而柱肢中部區(qū)域Mises應(yīng)力較小，柱肢頂部Mises應(yīng)力較大是由于豎向荷載作用產(chǎn)生的均勻壓應(yīng)力。柱底Mises應(yīng)力較大，主要是水平荷載荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。柱肢鋼管中

13、間區(qū)域拉應(yīng)力和壓應(yīng)力相互抵消。在豎向荷載和水平荷載的作用下，隨著空心率的增大，柱肢的最小Mises應(yīng)力逐漸增大，柱肢最小Mises應(yīng)力處柱肢高度逐漸下降，這是因為，隨著空心率的增大，柱肢的剛度越來越大，柱肢上端與柱肢下端的相對剛度減小，所以最小Mises應(yīng)力會出現(xiàn)下移的現(xiàn)象。實際工程中要充分利用這一受力特性，在柱肢頂部和柱肢底部要加強其剛度，而柱肢的中部可適當(dāng)降低剛度。由于柱肢的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在柱底，所以在中空夾層鋼管混凝土柱的