第 卷第 期 年! 月 建 筑 钢 结 构 进 展 < 3'( 3 ( ( > - ) 带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土构件抗弯性能研究 韩 浩 廖飞宇 周 翔 李永进 福建农林大学交通与土木工程学院 福州 福建省建筑科学研究院 福州 摘 要 在合理地选择材料本构模型和接触模型并考虑材料和几何非线性的基础上 建立了带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土受弯构件的有限元模型 并利用试验结果验证了有限元模型的可靠性 利用数值模型对带脱空缺陷的钢管混凝土构件在纯弯作用下的全过程工作机理进行了细致剖析 明晰了球冠形脱空缺陷对构件抗弯性能的影响机理 结果表明球冠形脱空缺陷的存在降低了钢管对混凝土的约束效应 使混凝土开裂严重以及加剧了钢管的局部屈曲从而降低了构件的抗弯承载力 基于以上分析 研究了影响约束效应的相关参数对带缺陷的钢管混凝土构件的抗弯承载力以及弯矩 挠度关系曲线的影响规律 并在此基础上提出了考虑脱空缺陷影响的钢管混凝土抗弯极限承载力的简化计算公式 可为相关工程实践提供参考 关键词 球冠形脱空缺陷 钢管混凝土 抗弯性能 有限元模型 参数分析 简化计算公式中图分类号 $9" " 文献标志码 ) 文章编号?" "?? 5 "" " " #!'!", $!!!#!!!!( ""! - -',# 1- '!! %$1 ( ) (( 91 ( 0 ( 0 ( ) %'( 40 ( 0 ( 0,)-," " $ #$)% )% %((3$ ;00( (0 $0 %( 0 ( $0 ) 1 1() 0 1 %(0% % 0 3$ ( $0 (0 ; 0 0 ( 0 %%;( ( 0(0 % 1 0 ( % ( (%$0% 0 ) % ( ( ( 0 11%% ( 1( %%3$ ;00 ' 0 ( (% (( % 0 (%3$;0 1%%0 -(/" 0 %( 3$%( 0 1% % (( 钢管混凝土结构具有承载力高 塑性和韧性好 抗震性能好以及施工方便等优点 能够用于现代工程结构中 以满足结构向大跨 高耸 重载发展和承受恶劣条件的需求 符合工业化施工技术要求 因而已被较广泛地应用于 收稿日期 收到修改稿日期 基金项目 国家自然科学基金! 福建省财政厅科技专项资助项目 作者简介 韩 浩 "" 男 硕士研究生 主要从事钢 混凝土组合结构方面的研究 " " 通信作者 廖飞宇 " 男 博士 教授 主要从事钢 混凝土组合结构方面的研究 %( % %( (
建筑钢结构进展第 卷 现代建筑与桥梁中 对于水平跨越的钢管混凝土构件 如钢管混凝土拱 桁架等结构 其施工时通常首先架设空钢管 然后采用 泵送顶升 的方式浇灌核心混凝土 因此浇灌过程中混凝土易在截面顶部出现残留空气 结合后期混凝土的沉降从而产生了 球冠形脱空缺陷 如图 所示 图中 为脱空值 脱空缺陷的存在会对钢管混凝土产生不利影响 从而使结构可能存在安全隐患 由于脱空缺陷的成因具有一定客观性 在施工技术层面上尚无法完全避免 而对其检测又有一定难度 因此有必要从设计方法上加以考虑 的钢管混凝土构件影响机理也不尽相同 因而目前脱空缺陷对钢管混凝土抗弯性能的影响机理尚未可知 尤其是未见考虑缺陷影响的钢管混凝土抗弯承载力实用计算方法 无法为工程实践提供参考和依据 因此 本文建立了带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土受弯构件的有限元模型 在验证了模型准确性的基础上 通过对比有无脱空构件钢管与混凝土的应力发展和破坏模态以及接触应力明晰了脱空缺陷对钢管混凝土受弯构件的影响机理 并深入研究了不同脱空率下的钢材强度 混凝土强度 含钢率等参数对其抗弯性能的影响 提出了带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土构件抗弯承载力简化计算公式可为实际钢管混凝土工程的设计 质量控制以及验收提供参考和依据 图 带球冠形脱空缺陷构件示意图 )#1 $#" ) /$11 #% # 事实上 近年来国内外学者也开始关注脱空缺陷对 钢管混凝土构件的力学性能的影响 5) 等以脱空率和脱空类型为主要参数进行了! 根钢管混凝土构件轴心受压试验研究 通过试验结果分析了脱空率对钢管混凝土承载力的影响 并在试验研究和理论分析的基础上提出了环向脱空的脱空率限值为 对于环向脱空 脱空率 $ 对于球冠形脱空 脱空率 $ 和带球冠形脱空钢管混凝土构件的承载力计算简化公! 式 /9 等进行了! 根带脱空缺陷的钢管混凝土偏压试验 并以脱空弧长 脱空厚度以及约束效应系数为参数进行参数分析 提出了带脱空缺陷的钢管混凝土承载 力简化计算模型 叶勇等利用数值分析模型以脱空率 剪跨比 截面含钢率 钢材强度以及混凝土强度为参数进行了对比分析 提出了钢管混凝土受剪构件的脱空率限值为 和不同脱空率的圆钢管混凝土构件抗剪 承载力实用计算方法,)- 等完成了! 根带脱空缺陷的钢管混凝土偏压构件的试验研究 并通过有限元法对脱空缺陷的影响机理进行了分析 提出了考虑脱空影响的钢管混凝土压弯承载力简化计算公式 在脱空对钢 管混凝土抗弯性能的影响方面 5) 等完成了 根带缺陷的钢管混凝土构件的抗弯试验 结果表明 球冠形脱空缺陷会使构件的抗弯承载力降低并随脱空率的增大影响更加明显 因此 以往的研究集中于脱空缺陷对轴压 偏压以及受剪构件的影响 而脱空缺陷对不同工况下 + 有限元模型建立 ++ 材料模型本文有限元模型中钢材采用等向强化塑性模型 满足 > : 屈服准则 钢材的应力 应变关系采用二次 塑流模型 因混凝土在受弯过程中受到外钢管的约束 混凝土 单轴受压的应力 应变关系模型采用韩林海提供的模 型 根据 5) 等的研究 采用约束混凝土模型能更好地描述带球冠形脱空的钢管混凝土构件核心混凝土的受荷性能 其塑性性能主要取决于 约束效应系数 " " 和 分别为钢管和混凝土的横截面面积为钢管屈服强度 " " 为混凝土轴心抗压强度标准值 其表达式为 44 4 4 ) 4 4 4 式中 4 @ A? @ " A? " 单位 :< " 为圆柱体抗压强度 A A? @? " 采用应力 断裂能关系定义混凝土的受拉软化性 能 断裂能 % 每单位面积内产生一条连续裂缝所需的能量值 的取值参考文献 对于 混凝土 % 取为! -? 对于! 混凝土 % 取为 -? 中间插值计算 采用沈聚敏等提供的混凝土抗拉强度计算公式 开裂应力 近似按下式确定 " + 接触模型钢管采用四节点完全积分格式的壳单元 3! 壳单元厚度方向采用 " 点 3 积分以满足一定的计算精度 核心混凝土和端板采用八节点缩减积分格式的三维实体单元 4 模型中考虑了钢管与混凝土之间的相
第 期带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土构件抗弯性能研究 对滑移 以 表面对表面接触 定义两者的相互作用 法向行为采用 硬接触 切向行为定义为 罚摩擦 摩擦系数设为 " 钢管与端板之间的相互作用设为 绑定 模型加载方式如图 所示 在构件的两个四分点处施加同步位移荷载 加载点位于脱空侧 图中 为两铰接点之间构件的净长 网格划分如图 所示 有限元模型验证 为了验证本文有限元模型的正确性 有限元计算结 果与 5) 等完成的带脱空缺陷的钢管混凝土受弯构件试验结果进行了对比 其中弯矩 跨中挠度 曲线的 比较如图 所示 构件参数为 钢管外径 $ 构件长度 混凝土立方体抗压强度 "(! :< 钢材屈服强度 "! :< 钢管壁厚 脱空率 取值在 之间 由图可知 计算结果和试验结果总体上吻合较好 验证了本文有限元模型的可靠性 图! 给出了无脱空构件和带球冠形脱空构件的计算与试验破坏模态对比 对于无脱空构件 混凝土的存在延缓了钢管过早产生局部屈曲变形 使得钢管的性能得到充分发挥 对于带球冠形脱空构件 构件受压时脱空侧的钢管较早发生局部屈曲 有向内凹陷现象发生 非脱空侧的破坏模态与无脱空构件相似 图 + 有限元模型 +4"% 图, 弯矩 跨中挠度 关系曲线的计算值与试验结果对比,$1 " $!""%#$ #! $/ "#$"%$ "$ $%$ 工作机理分析 为了更好地了解纯弯荷载作用下带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土构件的工作机理 选取典型算例对带球冠形脱空构件的工作机理进行分析 典型算例参数 外径 $ 长度 钢管壁厚! 球冠形脱空算例脱空率分别为 和 混凝土立方体抗压强度 "( :< 钢材强度 "! :< 图 所示为带球冠形脱空构件和无脱空构件弯矩
!!! M< 建 筑 钢 结 构 进 展 第!% 卷! 图 ;! 破坏模态的试验与计算对比 % ;!)+,$ / 0 I0 $ +4 1 G /, 4 5 4 $/4 '(!"跨中挠度; 曲线对比#可以看出两构件的弯矩"跨中 挠度曲线的弹 性 段 基 本 重 合表 明 球 冠 形 脱 空 对 构 件 的 抗弯刚度的影 响 较 小且 两 构 件 达 到 极 限 弯 矩 时 跨 中 位 移相近!如图中所示"但 带 球 冠 形 脱 空 构 件 的 极 限 弯 矩 值较无脱空构件降低了约 '+ )1 # 图 ) 所示为带球冠形脱空构件和无脱空构件达到极限 弯矩!@时中截面混凝土纵向应力对比#可以看出当达到 极限荷载时 带球冠形脱空构件的中和轴较无脱空构件相比 更靠近受压区 表明球冠形脱空会使构件的受拉区面积增大!即混凝土开裂面积增大"#图 / 所示为带球冠形脱空构件 图 J! 有无脱空构件的弯矩 $=跨中挠度 #+ 曲线对比 和无脱空构件达到极限弯矩时混凝土裂缝形态对比#可以 % J!)+, $ / 0$= #+ 5 3 0++1 G I '( 带球冠形脱空构件的核心混凝土受拉区开裂现象较无 看出 -G I ' $, 脱空构件更为严重 开裂区域分布范围更大# 图 L! 达到极限弯矩 $时中截面混凝土纵向应力对比!单位""#$# % L!Q/' 4 /$ 5 +,$ / 05 = 5 /5 / 5 $ +$ 1 /4 /'++ / $! 9/ ""#$# '( 图 M! 达到极限弯矩 $时混凝土开裂模式对比 % M!)$ 5V /',$ /5 +,$ / 05 5 /5 $ +$ 1 /4 /'++ / $ '(
第 期带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土构件抗弯性能研究 图所示为带球冠形脱空和无脱空构件达到极限弯矩 ( 时钢管纵向应力对比 可以看出 带球冠形脱空构件钢管受拉区应力差异较小 中和轴位置与无脱空构件相比有轻微变化 更靠近受压区一些 另外 带脱空缺陷构件钢管的受压区 脱空侧 边缘处的压应力较无脱 空构件大 该现象由于脱空缺陷的存在使混凝土分担的应力减小 因此导致钢管承担的应力有所增大 可能导致钢管更早发生屈曲 因而减小了钢管的抗弯模量 降低了构件的抗弯承载力 图 达到极限弯矩 时钢管纵向应力对比 单位 3$" % $ # $ %$ $%$ $ " $ ' $ 图 " 所示为带球冠形脱空和无脱空构件达到极限弯矩时跨中截面各特征点处的接触应力对比 分别选取了受压区 中截面 受拉区的混凝土各一点作为特征点 可以看出 带球冠形脱空构件各特征点处的接触应力均比无脱空对应位置的小 且降幅明显 表明带球冠形脱空构件降低了钢管对混凝土的约束效应 此外 脱空处 点 的钢管与混凝土始终未发生接触 对混凝土的约束作用 同时还增大了受压区钢管的压应力 使得钢管更早地发生局部屈曲 因此也降低了钢管的抗弯模量 从而使构件的整体抗弯极限承载力有所下降 参数分析 上述分析结果表明 球冠形脱空缺陷的存在会削弱钢管对核心混凝土的约束作用 因此本文的参数分析选取了和约束效应系数 有关的参数进行分析 " " '" " 构件参数为 外径 $ 长度 脱空率 取值在 之间 含钢率 '' 取值在 之间 钢材强度 " 取值在 :< 之间 混凝土立方体抗压强度 "( 取值在 " :< 之间 参数分析的约束效应系数范围为 同时引入脱空构件的承载力系数 为 ( ( 式中 ( 为带球冠形脱空构件的极限弯矩 ( 为相应的无脱空构件的极限弯矩 图 达到极限弯矩 时中截面接触应力对比 $#$ $ # "#$ $%$ $ " $ 综上所述 球冠形脱空对构件的抗弯性能的影响机理在于 一方面脱空使构件截面的中和轴向受压区移动 受拉区面积增大 导致混凝土受拉开裂现象更为严重 另一方面 脱空的存在减小了混凝土受压面积 降低了压区混凝土对构件截面抗弯模量的贡献 也削弱了压区钢管 + 钢材强度图 所示为不同脱空率下钢材强度分别为 :<! :<" :< 和 :< 的带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土受弯构件承载力系数 对比 可以看出 随着脱空率的增大 承载力系数逐渐减小 基本呈线性关系 但在相同脱空率下 在本节分析的约束效应系数范围内 图中的约束效应系数分别为! " 不同的钢材强度对构件的承载力系
+ 建筑钢结构进展第 卷 图 钢材强度对承载力系数的影响 4#$ ( 图 + 含钢率对承载力系数的影响 +4#$ 数影响较小 表明钢材强度在一定范围内对带脱空的钢管混凝土受弯构件的承载力的影响基本相同 在此范围内考虑脱空影响的承载力降低幅度只与脱空率 有关 混凝土强度图 所示为不同脱空率下混凝土强度分别为 :< :< 和 " :< 的带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土受弯构件承载力系数对比 可以看出 随着脱空率的增大 承载力系数 近似呈线性降低 而在相同脱空率下 不同的混凝土强度对构件的承载力系数影响较小 基于以上分析 图 给出了不同脱空率下带脱空的钢管混凝土受弯构件的承载力系数与约束效应系数的关系曲线 可以看出 线性关系可分为 段 约束效应系数在 范围内时 改变的分析参数为钢材强度和混凝土强度 相同脱空率情况下 随着约束效应系数的增大 构件的承载力系数 基本保持不变 在此范围之外 改变的参量为含钢率 随着约束效应系数增大 构件的承载力系数亦增大 因此可知 改变钢材强度与混凝土强度对承载力系数 影响较小 而改变含钢率对承载力系数的影响较为显著 并且随着含钢率的增大 脱空对构件的抗弯承载力影响有降低的趋势 含钢率图 给出了不同脱空率下含钢率分别为 和 的带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土受弯构件承载力系数对比 可以看出 在相同脱空率的情况下 随着含钢率的增大脱空缺陷对构件的抗弯承载力影响有减小的趋势 这是由于脱空缺陷对构件混凝土的影响程度比钢管更加显著 而含钢率的增大意味着混凝土占构件截面比例的减小 由此脱空对构件整体抗弯承载力的影响相应更小 图, 约束效应系数对承载力系数的影响,4#$ 极限承载力计算折减公式基于以上分析 本文引入承载力折减系数 用于带 球冠形脱空的钢管混凝土受弯构件极限承载力计算公式 其表达式为 图 混凝土强度对承载力系数的影响 4#$ # ( (! 式中 ( 为带球冠形脱空构件极限弯矩计算值 为承载力折减系数 ( 为相应无脱空构件极限弯矩计算值 基于图 参数分析结果 可知带球冠形脱缺陷的钢管混凝土抗弯承载力折减主要与脱空率和含钢率有关
第 期带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土构件抗弯性能研究, 5) 等 叶勇等以及,)- 等研究表明 带脱空缺陷的钢管混凝土轴压 偏压 受剪构件的承载力折减系数与脱空率基本符合线性关系 和本文带缺陷的钢管混凝土抗弯承载力与折减系数的关系总体上一致 因此在分析了图! 承载力系数与含钢率的关系曲线的基础上 提出承载力折减系数 的计算公式为 "' "'!!' 式中 为脱空率 ' 为含钢率 采用式 和式 对 5) 等所做的试验构件以及本文有限元计算结果进行预测 如图 所示 得到 %( 的平均值为 "" 方差为 %( 的平均值为 方差为 %( 为式 计算得出的折减系数 为有限元模型计算或试验实测的带脱空构件的极限弯矩和无脱空构件的极限弯矩比值 表明本文提供的简化计算公式具有良好的预测精度 管混凝土受弯构件的有限元模型 计算结果与试验结果总体吻合良好 球冠形脱空的存在一方面使构件截面的中和轴向受压区移动 增大了受拉区面积 导致混凝土开裂现象更为严重 另一方面也减小了混凝土受压面积 降低了压区混凝土对构件截面抗弯模量的贡献 并使钢管更早地发生局部屈曲 降低了钢管的抗弯模量 从而使构件的整体抗弯极限承载力有所下降 带球冠形脱空缺陷的钢管混凝土受弯构件极限弯矩的受钢材强度和混凝土强度影响较小 而随着含钢率的增大 球冠形脱空对钢管混凝土构件抗弯承载力的削弱程度有降低的趋势! 在参数分析结果的基础上 本文提供了考虑脱空缺陷影响的钢管混凝土受弯构件的极限承载力实用计算方法 可为实际工程设计提供参考 也为相关规范的制定和修订提供了依据 参考文献 韩林海 钢管混凝土结构 理论与实践 : 版 北京 科学出版社,)-0 %((( (0 : '3 < 0 5),)-,, 3, ' 0 1 %3$ 0 ( ;0 % (% (3 40 ""5" 图 承载力系数与含钢率关系曲线 %$#! 5),)-,$) + ' 0 1( % 3$ ( ( ;0 % ( $0 3 ( ( " 5 ;!! /9B'453 #, ) ', - ' % % ( 3$ ( ( (% (340 "! 5 叶勇 韩林海 陶忠 脱空对圆钢管混凝土受剪性能的影响分析 工程力学 增刊 5!3,)- 0$) +0%%0 0 1( % ( 3$ ( 0 : 03( 5 图 公式计算结果和实测有限元计算结果的比较 $1 %$ ( %""% /$1$1 $ $ "4 结论 通过本文的研究可得到以下主要结论 在合理考虑了材料本构模型 接触模型以及材料和几何非线性的基础上 本文建立了带球冠形脱空的钢!30,)-, 5) %% % % % 3$ ( (% 3 ( (!!5 )3 3$ "!!/!,35)')B933( (1:< ; (, 35 下转第 + 页
上接第, 页 % 沈聚敏 王传志 江见鲸 钢筋混凝土有限元与板壳极限分析 北京 清华大学出版社 ""$ /, 3=3 /:, /9 )3040 040 4) )0 ) 4 3)9193-5 ""$ 3 " 刘威 钢管混凝土局部受压时的工作机理研究 福州 福州大学 :- 3 00 )4 ) 0) 4)0 )0 0 =30 =30-5 3