纵向初应力作用下圆钢管混凝土轴压短柱受力机理

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1、http://www.paper.edu.cn1纵向初应力作用下圆钢管混凝土轴压短柱受力机理丁发兴*，余志武(中南大学土木建筑学院，湖南长沙410075)*E-mail:dinfaxin@mail.csu.edu.cn摘要：应用连续介质力学，确立钢管在纵向初应力作用下的圆钢管混凝土同心圆柱体钢管和混凝土受压时的计算模型，建立了初应力下的钢管混凝土组合弹性模量理论计算公式和组合应力-应变关系全曲线的理论表达式，编制了相应的计算程序，并对钢管在纵向初应力作用下的圆钢管混凝土受力机理进行弹塑性全过程分析，得到了试验结果的验证。通过对初应力钢管混凝土轴压短柱受力机理进行数值仿真，分析

2、了不同初应力系数下钢管混凝土加载过程中的钢管轴向应力-应变关系、环向应力-应变关系以及核心混凝土的轴向应力-应变关系、径向应力-应变关系的变化情况，探讨了初应力系数对钢管混凝土力学性能的影响。分析结果表明：随着钢管纵向初应力的增大，核心混凝土的纵向刚度、径向压应力和纵向强度有所降低，钢管环向拉应力也有所降低，而相应的钢管纵向压应力有所增加，套箍约束作用和极限承载力也有所降低，但对组合弹性模量影响不大。关键词：钢管混凝土柱，初应力，应力-应变关系，弹塑性分析，受力机理1.引言[1~9]目前，关于钢管和混凝土同时受荷的试验研究和理论分析的报道较多，但钢管和混凝土同时共同受力只是实

3、际工程中最理想的情况，在工程实践中，一般都是先安装空钢管柱，在安装施工完若干楼层结构后，再向管内浇灌混凝土。这样就出现了钢管和混凝土在共同受荷载作用之前，空钢管由于已经承受部分荷载(自重、施工荷载等一期恒载)产生了初始应力和初始应变。目前，对钢管初应力下钢管混凝土受力性能的试验研究有两者形式：一种是试件的钢管预先单独承受荷载，直至钢管被压缩到与核心混凝土齐平后，方与核心混凝土共同承受荷载[1,2][3]；另一种是先对空钢管施加初始应力，然后灌混凝土，加载时保证共同受力。对于第一种试验方法，试验误差较大，无法定量描述钢管中的初应力，钢管与混凝土的受力不明确，理论模型难以建立，与

4、实际工程背景有些距离；而第二种试验方法，钢管与混凝土受力都较明确，与实际工程背景也相似。所谓钢管混凝土受力机理，是指在外荷载作用下钢管和混凝土内力变化情况，也就是钢管对混凝土的套箍约束作用的定量描述。初应力下钢管混凝土轴压短柱受力性能的理论分析方法是无初应力时钢管混凝土轴压短柱的理论分析的延续，文献[3]采用合成法对初应力钢1本课题得到国家自然科学基金项目(50438020；50578162)资助。注：本文已被《交通运输工程学报》录用。-1-http://www.paper.edu.cn管混凝土轴压短柱受力性能进行全过程分析，分析方法简单，但仅给出整体的荷载-应变关系曲线；而

5、文献[2,4]分别采用大型商业软件有限元分析程序ABAQUS和DIANA进行三维建模对其进行全过程分析，并进一步给出试件受荷过程中的内力变化情况，初步揭示初应力钢管混凝土的受力机理，计算工作量大。文献[5]建立了弹塑性全过程分析理论，实现了钢管混凝土轴压短柱受力性能整体分析；文献[6]在试验验证的基础上，进一步对钢管混凝土轴压短柱受力机理进行数值仿真分析，揭示钢管对核心混凝土套箍约束作用的本质。该理论模型简单，计算简便，也可进一步发展并应用于初应力钢管混凝土受力机理分析中。本文在文献[5,6]研究成果的基础上，基于连续介质力学，采用弹塑性全过程分析方法，进一步建立初应力下钢管

6、混凝土轴压短柱力学模型，并编制非线性分析程序；在试验验证的基础上，对初应力钢管混凝土轴压短柱进行受力机理分析，揭示钢管对核心混凝土套箍约束作用的本质，并探讨初应力对套箍约束作用、轴压刚度、极限承载力和破坏后剩余承载力的影响。2.理论模型2.1基本假定1）采用文献[5]提供的核心混凝土轴对称三轴本构模型和强度准则；2）采用文献[5]提供的钢材本构模型和强度准则；3）钢管初应力(σ0)沿钢管横截面均匀分布；图1初应力钢管混凝土受力和计算模型4）钢管与混凝土共同工作，变形协调，界面连续。2.2弹性阶段应力分析初应力钢管混凝土弹性阶段应力分析包括空钢管工作阶段和钢管与混凝土共同工作阶

7、段，空钢管工作阶段理论简单，这里不再赘述。初应力时钢管混凝土轴压短柱共同受荷计算模型与无初应力时相似，钢管在初应力σ0作用下产生的初应变为εs，之后钢管和混凝土同时受压，可建立同无初应力时的钢管混凝土组合材料同心圆柱体计算模型。在小变形条件下，假设同心圆柱体端面分布的应力场使混凝土和钢管产生的纵向应变存在如下关系εL,c=εL,s－εs=εL(1)式中εL定义为单位长度钢管混凝土短柱共同受荷的纵向应变，便构成了弹性力学轴对称广22[5]义平面应变问题。引入Airy应力函数Γ=C1lnr＋C2rlnr＋C