钢管混凝土轴心受压构件徐变分析

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四川建筑科学研究第41卷第2期70SichuanBuildingScience2015年4月钢管混凝土轴心受压构件徐变分析杨阳，王起才，张戎令，崔建龙，葛勇(兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070)摘要：在对钢管混凝土轴心受压构件的轴压力学特性和核心混凝土徐变分析的基础上，从变形协调条件出发，通过引入混凝土换算弹性模量，推导了钢管混凝土轴压构件应力重分布计算方法。此方法较好地考虑了钢管混凝土构件徐变因素(含钢率、应力级别、材料等级)的影响，并分析研究了不同影响因素条件下钢管混凝土结构的徐变特性。针对钢管混凝土受力特点，研究表明，运用该方法计算在轴心受压状态下徐变所引起的钢管混凝土截面应力重分布是合理的。关键词：钢管混凝土；徐变；轴心受压中图分类号：TU528．59文献标志码：A文章编号：1008—1933(2015)02—070—03CreepanalysisofaxialcompressionCFSTYANGYang，WANGQicai，ZHANGRongling，CUIJianlong，GEYong(SchoolofCivilEngineering，LanzhouJiaotongUniversity，l_anzhou730070，China)Abstract：ThispaperfocusonthecreepofanalysisaxialcompressionCFST，startingfromtheconditionofdeformationcompatibility，byintroducingthec0nversionelasticmodulusofconcrete，derivationoftheCFSTstressdistributioncalculationmethod．Thismethodsbetterconsidertheinfluenceofsteelratio，bestresslevelandmateriallevel，whichstudyCFSTcreepcharaeteristiCSunderthevariousconditions．AccordingtotheCFSTstresscharacteristicresearchshowsthatstressdistributionisreasonablecalculationofCFSTcreepunderaxialpressurecausedbytheapplicationofthismethod．Keywords：CFST；creep；axialpressure50％～60％[2-320引言。混凝土是一种长期效应，计算时应当采用正常使用状态下的荷载组合，通常情况下都钢材的泊松比在弹性阶段通常可以认为是常采用恒载计算。对于钢管混凝土拱桥而言，在正常数，取为0．283，认为进入塑性阶段时增大到0．5之使用状态下，拱肋中的应力一般达不到产生紧箍力后保持不变；混凝土的泊松比则为变数，由低应力时的水平J，核心混凝土三向受力状态不明显，而徐的0．173随压应力的增加逐渐增大到0．5，又逐渐变问题是长期荷载的问题，主要考虑在使用状态的增大到1，甚至大于1。钢管混凝土构件在轴压应力混凝士陛能与结构受力问题。因此本文不考虑紧箍作用下，混凝土向外的横向变形起初小于钢管向外力对钢管混凝土徐变的影响。的横向变形，但是随着压力的逐渐增大，混凝土向外的横向变形逐渐大于钢管向外的横向变形，从而导1钢管混凝土构件徐变计算致钢管约束了混凝土，这就在钢管与混凝土之间产相对于普通混凝土，钢管混凝土中的管内混凝生了相互作用的紧箍力。因此，钢管纵向和径向受土处于密闭环境中，不会发生失水现象，而且与周围压而环向受拉，混凝土则三向皆受压，二者均处于三环境基本没有水分交换J。因此，其徐变模式是不向应力状态。同于普通混凝土徐变问题的主要方面之一。大量研一般情况下，钢管混凝土受压构件的弹性阶段究表明，钢管混凝土管内混凝土的徐变总量小于普的工作荷载约为极限荷载的70％～80％，而对大多通混凝土的徐变总量。从目前总体的研究成果来数实际工程而言，使用荷载一般约为极限荷载的看，徐变的根本规律没有本质上的差异。因此本文认为，在钢管混凝土的徐变问题研究中，可根据钢管收稿日期：2014-02-25作者简介：杨阳(1991一)，男，甘肃庆阳人，硕士研究生，研究方与混凝土的自身特点，通过建立钢管混凝土与普通向：桥梁与隧道工程。混凝土徐变之间的某种联系，进而采用普通混凝土基金项目：长江学者和创新团队发展计划(IRT1139)；兰州交通大学徐变系数模式来预测钢管混凝土徐变_6J。青年科技基金(2012028)E—mail：1027406080@qq．com钢管混凝土构件徐变分析的基本假设： 2015No．2杨阳，等：钢管混凝土轴心受压构件徐变分析7l1)核心混凝土的徐变符合叠加原理，即为线性土徐变引起的重分布轴力；△(t—)为钢管混凝徐变；土中钢管t一7(f≥下)时刻内由于核心混凝土徐变引2)钢管和混凝土之间有良好的粘结，满足变形起的重分布轴力；(￡，Jr)为加载时间为7-，计算考虑协调假设；龄期为t时的混凝土徐变系数，采用CEB-FIP3)截面变形符合平截面假设。(1990)模型计算，由于钢管混凝土中核心混凝土与众所周知，钢管混凝土在长期荷载作用下，由于外界接触的周边边长趋近于0，故在计算钢管混凝混凝土受压发生徐变，钢管与混凝土之间将发生内土中核心混凝土徐变系数时不考虑干燥徐变和构件力重分布，核心混凝土实际是在变荷载作用下发生尺寸相关系数。徐变。Nakai等在轴压徐变试验结果分析中得到加载时，核心混凝土和钢管分别承担的轴力按钢管混凝土的收缩值远小于其徐变值，故在分析钢刚性原则分配：管混凝土徐变时可忽略收缩的影响。No(卜Ⅳ(7)由竖向变形协调条件可得到如下关系式：A：()+：(t，)=占(￡)(1)一。Ⅳ目()EE,A-Ⅳ(8)Ac+t~式中s：(t)为钢管混凝土中核心混凝土t时刻弹式中Ⅳ为钢管混凝土所承担的外荷载。性变形；占：(t，)为钢管混凝土中核心混凝土t时刻在外荷载不变时：式徐变变形，采用CEB-FIP(1990)模型计算；ss。(t)为中△Ⅳ。(t一7-)+△Ⅳ(t—Jr)=0(9)钢管混凝土中钢管t时刻弹性变形。将(4)、(7)、(8)、(9)式带入(6)式得：==+=△NaB(1++((tt，，下))k((t))一+kk((tt)Nc()o(⋯一一式中or(t)为钢管混凝土中核心混凝土t时刻所(10)承担的轴向应力；or(t)为钢管混凝土中钢管t时刻所承担的轴向应力；(t)为钢管混凝土中核心混凝土t时刻弹性模量；为钢管混凝土中核心混凝土龄期28天时弹性模量；E。为钢管混凝土中钢管弹性模量。，==。(￡)丽(3)最终得到钢管混凝土构件徐变计算公式：由TROST和金成棣利用松弛条件，以及老化理=堂(±i：12墨i2二墨(28c+(t，)k(t)+k(t)×(1+)E。论近似确定：p知一去，可得：(11)=㈩2算例通过上面的公式，对具体算例进行计算，根据计+=㈤算结果可对比分析由于钢管混凝土应力重分布对钢管混凝土徐变的影响。式中No(t)为钢管混凝土中核心混凝土t时刻所为了验证说明本文钢管混凝土轴心受压构件徐承担的轴力；(t)为钢管混凝土中钢管t时刻所承变分析的可靠性与有效性，先计算出本文钢管混凝担的轴力；A为钢管混凝土中核心混凝土横截面面土轴心受压构件徐变值与徐变终值，与文献积；A。为钢管混凝土中钢管横截面面积。[8]、[9]计算出的8：。／8进行比较。由表1可以看N。(r)+AN。(t—r)N()+AN。(t—下)．、，出本文与文献[8]、[9]结果符合较好。E(t)A。‘E。A。‘表1s／s与时间的关系=(6)Table1Therelationof￡／8andtimet／d15306090120180240360式中N(丁)为钢管混凝土中核心混凝土丁时刻加文献[4](s／8)／％5465788691969899载时所承担的轴力；N(r)为钢管混凝土中钢管文献[5](／)／％45748185889295100时刻加载时所承担的轴力；AN(t一下)为钢管混凝本文(se／8)／％60708085899396100土中核心混凝土在t一丁(≥)时刻内由于核心混凝 72四川建筑科学研究第41卷以下分析采用的构件：钢管外径为140mm，核60D心混凝土轴心抗压强度为C50，钢材的弹性模量为2．06×10MPa。毛4加图1为不同含钢率钢管混凝土轴心受压构件的学徐变一时间曲线。图1中所计算构件作用荷载为Ⅳ200=300kN。当构件的含钢率不同时，从图中可以看出，含钢率越高的构件，徐变值越小。这与文献[9]006Ol20180240300360得到的结论相符。枷600图3含钢率对徐变影响曲线(应力级别30％)Fig．3Influenceofsteelratiooncrepundersteellevelis3O％苫枷学用越小，核心混凝土所承担的应力越大。这与文献200[11]结论相一致。按照含钢率0．038、0．066、0．092的顺序核心混凝土的轴向应力较初始应力分别降低0060120180240300360了30％、40％、45％。图1含钢率对徐变影响曲线【N=300kN)Fig．1Influenceofsteelratiooncreepunder鲫伽枷0loadingis300kN重图2为不同荷载作用时钢管混凝土轴心受压构件的徐变一时间曲线。图中所计算构件的含钢率为0．066。当构件作用的荷载不同时，从图2中可以看060120180240300360t／d出作用的荷载值越大的构件，徐变值越大。这与文献[10]得到的结论相符。图4含钢率对核心混凝土轴向应力影响曲线(N=250kN)600Fig．4Influenceofsteelratiooncoreconcretestressinaxialdirectionunderloadingis250kN言400≤图5为不同荷载作用时钢管混凝土轴心受压构锗件核心混凝土上作用的轴向应力随时间变化的曲200线。图5中所计算构件的含钢率为0．066。从图中可以看出，作用的荷载值越大的构件，核心混凝土所0060120180240300360承担的轴向应力越大。t／d图2作用荷载值对徐变影响曲线(含钢率0．O66)Fig．2Influenceofloadingoncreepundersteelratiois0．066皇图3为相同应力级别下钢管混凝土轴心受压构件的徐变一时间曲线。图中计算构件的应力级别为30％。从图中可以看出，相同的应力级别下，随着含060120180240300360钢率的增大，徐变值变小。这与文献[9]得到的结t／d论相符。图5作用荷载值对核心混凝土轴向应力影响图4为不同含钢率时钢管混凝土轴心受压构件曲线(含钢率0．066)Fig．5Influenceofloadingoncoreconcretestressin核心混凝土上作用的轴向应力随时间变化的曲线。axialdirectionundersteelratiois0．066图4中钢管混凝土构件作用的荷载N=250kN。从(下转第82页)图中可以看出，含钢率越小，钢管在构件中所起的作 82四川建筑科学研究第41卷表44层物流中心柱验算结果体存在的问题。2)加固中，除特殊要求外，采用的方法应该对原结构的受力途径、受力体系影响小。对厂房应主要采用钢构件加固的方式，对钢桁架梁，上下弦杆增加钢板能有效改善其应力水平。而增加腹杆能有效减小梁的竖向挠度。3)对整体结构的加固，部分不加固的项目，可分类力加固后加固后以将不加固部分建入模型，可较为准确地计算出结最大应力最大挠度构整体受力情况，以及局部加固对整体的影响。电梯周边主桁架梁应力(350MPa)超限l⋯83一_4M⋯Pa(活载10kN／m)2层主桁架梁挠度80)162参考文献：超限．‘3MPa“(活载5kN／m)3、4层主桁架梁斜撑应l53勰n[1]祁蓓蓓，王慧平．浅谈钢结构加固的方法[J]。科技向导，2012(活载3．5kN／m)(300MPa)超限⋯．’m7MPa(20)．电梯周边次桁架梁槽钢应f活载10kN／m)(295MPa)超限限l⋯84．～5一MPa一一一[2]陈耀，蔡建国，冯健，等．某医院大厅新建钢结构工程加固设计[J]．钢结构，2009(01)．[3]胡宗文，王元清，石永久，等．暴雪后门式刚架轻型房屋钢结构5结论厂房的事故分析与处理[J]．工业建筑，2009，39(7)：120—123．[4]肖伟，王巍，周晓夫．框架一支撑体系钢结构大型购物场加I)加固设计中，尽量减少对原结构的建筑效果固方法分析[J]．工程抗震与加固改造，2007(3)：72-75．和使用功能的影响，在不破坏原结构的情况下进行。[5]GB50011—2O10建筑抗震设计规范[s]．同时和施工单位密切联系配合，随时解决施工中具(上接第72页)参考文献：3结论[1]赵鸿铁．组合结构设计原理[M]．北京：高等教育出版社，20o5．通过以上的计算分析比较，本文钢管混凝土轴[2]钟善桐．钢管混凝土结构[M]．哈尔滨：黑龙江科技出版社，心受压构件徐变分析的可靠性和有效性得到了验1994．证，并且通过分析计算得到以下结论：[3]CECS28：90钢管混凝土结构设计与施工规程[s]．[4]陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工[M]．北京：人民交通出1)徐变使钢管混凝土轴心受压构件的截面产版社，1999：58-60．．生应力重分布，核心混凝土应力降低且在变应力作[5]彭建新，邵旭东，程翔云，等．钢管混凝土拱肋徐变研究[J]．工用下发生徐变，钢管应力增大。程力学，2007(6)．[6]李生勇，李凤芹，陈宝春，等．钢管混凝土拱桥徐变影响分析2)在其他条件相同的情况下，钢管混凝土构件[J]．铁道学报，2011(3)．随着含钢率的增加，徐变减小。当含钢率由0．038[7]NakaiH，KuritaA，IchinoseLH．Anexperimentalstudyoncreep增加到0．092，徐变值减小了48％。ofconcretefilledsteelpipes[C]／／Proceedingsofthe3rdlntema．tionalConferenceonSteelandConcreteCompositeStructures．3)在相同的应力级别下，钢管混凝土构件随着Fukuoka，Japan，1991：55-60．含钢率增加，其徐变值减小。[8]韩冰，王元丰．徐变对钢管混凝土轴心受压短柱紧箍应力影4)在其他条件相同的情况下，钢管混凝土徐变响分析[J]．铁道学报，2ooo(5)．随着荷载值的增加，徐变增大。当作用的荷载值由[9]谭素杰，齐加连．长期荷载对钢管混凝土受压构件强度影响的实验研究[J]．哈尔滨建筑工程学院学报，1987，20(2)．200kN增加到350kN，徐变值增大了75％。[10]郭薇薇，王元丰，韩冰．钢管混凝土大偏心受压构件的徐变5)在其他条件相同的情况下，钢管混凝土中核分析[J]．工程力学，2003，20(1)：91-95．心混凝土的轴心应力随着含钢率的增加而降低；核[11]韩冰，王元丰．钢管混凝土小偏心受压构件的徐变分析[J]．心混凝土的轴向压力随着作用荷载的增加而增大。工程力学，2001，18(6)：110．116．