内配十字型钢圆钢管混凝土压弯构件力学性能研究

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1、内配十字型钢圆钢管混凝土压弯构件力学性能研究史艳莉吴星蓉王凤王文达兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室在实际工程屮，建筑结构承重柱通常处于同时受到轴向力和水平力的压弯受力状态，本文采用ABAQUS有限元软件以内配十字型钢圆钢管混凝土压弯柱为典型构件，分析了加载路径对其力学性能的影响，讨论了构件的破坏模态、各组成部件的截面应力、应变变化规律，同时提出构件的荷载-挠度关系曲线。结果表明:加载路径对力学性能几乎无影响，整个加载过程中构件大致能保持平截面变形，满足平截面假定，构件的挠度曲线近似为正弦半波曲线。最后对

2、影响组合柱压弯性能的主要因素进行了参数分析，发现长细比对其影响较为显著，可为该类构件压弯承载力计算表达式的简化提供参考。关键词：内配型钢钢管混凝土;压弯性能;荷载分配;数值模拟;有限元分析;在实际工程中，组合柱经常受到风荷载等水平力，往往同时受到弯矩和轴力作用处于压弯状态。目前，国内外学者对类似构件在压弯受力情况下的力学性能有一定研究，如卢爱贞等(2016)m对5种不同尺汴的钢筋混凝土柱在偏心受压作用下的力学性能进行丫研究，对比分析各参数对构件应变、弯矩以及承载力的影响，结果表明尺寸效应对构件力学性能影响较大;刘晓

3、等(2012)对5根内配工字型钢圆钢管混凝土柱进行压弯性能试验研宄，分析轴压比和加载方向对构件承载力的影响，讨论紧箍效应的分布规律;关萍等(2015)U1采用有限元软件对内配十字型钢圆钢管混凝土偏压柱力学性能进行分析,并回归数据,建立相关承载力公式;Wang等(2004)包1对内配十字型钢圆钢管混凝土压弯构件承载力和延性进行试验研究，得出该类构件适合在高地震烈度区结构屮应用的结论;刘立平等(2012)m对6根钢骨-钢管混凝土偏压短柱进行试验研宄，分析试件的破坏特征及相关参数对其力学性能的影响。作用在压弯构件上的压力

4、和弯矩可以由不同荷载引起，常见的荷载组合有三种不同加载路径见图1所示:路径I是先施加轴力N到特定值，再施加弯矩M到特定值。路径II为轴力N和弯矩M按比例冋吋施加到某一特定值，此路径在实际工程屮最为常见。路径III是先施加弯矩M到特定值，再施加轴力N到特定值，此路径在实际工程中最为少见。图1压弯构件荷载加载路径Fig.1TheloadingpathofcompressiveandbendingmemberH载原图本文计算采用的典型压弯构件参数为：圆钢管:DXtXL=60(hnmX15醐X300(hnm，十字型钢:bX

5、hXtwXt=150mmX350mmX20mmX20mm,混凝土强度等级C60;型钢和钢管为Q345钢材。因路径III在实际工程中很少见，故本文不做讨论。图2所示为两种路径下内配十字型钢圆钢管混凝土压弯构件数值曲线对比图，可见两者吻合较好，凡和虬分别为轴压加荷下和纯弯加荷下的承载力值，由图可见，计算出的曲线形状大致重合，表明加载路径对组合构件的影响可以忽略不计。综上所述，为更进一步研宄该类结构的压弯性能，本文采用ABAQUS有限元软件进行内配十字型钢圆钢管混凝土构件同时受到弯矩轴力作用下的静力性能分析和参数分析，因

6、加载路径对构件的承载力影响可以忽略，故木文釆用先受轴力再受弯矩(路径T)的加载方式进行研究，以期为实际工程中该类构件的应用提供参考。2有限元模型的建立2.1单元类型及边界条件为方便对典型构件进行后处理分析，钢管、型钢、混凝土和垫板均采用八节点完全积分的C3D8单元。在进行模型验证以及相关参数分析时，需要不断变换参数，故整个构件采用具有良好准确性和高效的计算效率的非线性纤维梁单元B31来模拟。图2不同加载路径对构件承载力的影响Fig.2Theinfluenceofdifferentloadingpathsonbear

7、ingcapacityofmembers有限元分析时，将试件的边界条件设为一端固结一端自由，通过在底板垫板上固定六个方向自由度实现固端约束。荷载施加采用分步加载方式，首先在顶端垫板上施加压强完成轴内加载，其次采用位移加载方式施加水平荷载，在构件白由端沿U1方向施加。核心混凝土本构关系采用韩林海(2007)m中提出的塑性损伤模型，钢管和型钢均釆用尧国皇等(2007)M中提出的五段式二次塑流模型。具体公式表达式详见文献［7］和文献［8］。2.2模型验证为说明上述建模方法的可靠性，本文对刘立平等(2012)£61，刘晓等

8、2012位1文中内配型钢钢管混凝土柱在压弯加载下相关试验进行了数值模拟，试件名称及具体参数详见表1，图3给出试验与有限元分析计算的对比曲线。由图3可见，6个试件冇限元的计算结果与试验曲线非常接近，极限承载力的误差在0.8%~4.3%之间，表明上述有限元分析计算精度较高，可用于后续的分析计算中。3典型构件静力性能分析3.1破坏模态图4给出典型构件按路径I加载时