空腹箱形鋼骨混凝土構(gòu)件的抗扭性能研究

1、2013年第1O卷第1期深圳土木與建筑VOL1ONO12013空腹箱形鋼骨混凝土構(gòu)件的抗扭性能研究陳宜言堯國(guó)皇(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司)【摘要l：基于合理的材料本構(gòu)關(guān)系模型，利用ABAQUS軟件對(duì)空腹箱形鋼骨混凝土構(gòu)件在扭轉(zhuǎn)荷載作用下的荷載一變形關(guān)系曲線進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算曲線與實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行了比較，基本吻合。在此基礎(chǔ)上，對(duì)空腹箱形鋼骨混凝土純扭構(gòu)件的工作性能進(jìn)行了分析可知，這類構(gòu)件具有較好的延性性能。本文的研究成果可為相關(guān)研究提供參考

2、。I關(guān)鍵詞l：空腹箱形鋼骨混凝土；純扭；荷載一變形關(guān)系；有限元法1前言鋼骨混凝土構(gòu)件具有承載力高、延性好、剛度大、抗火性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用較為廣闊。目前對(duì)于常規(guī)的工字型和十字型鋼骨混凝土的研究報(bào)道已經(jīng)比較多見(jiàn)，相應(yīng)的計(jì)算理論也日趨完善，但對(duì)于采用空腹箱形鋼骨混凝土(典型截面如圖1所示)的研究尚少見(jiàn)報(bào)道。與普通的鋼骨混凝土梁相比，空腹箱形鋼骨混凝土能夠獲得更高的強(qiáng)度和重量比，當(dāng)用作逆作法水平支撐構(gòu)件時(shí)，在混凝土未澆注之前，空腹

3、鋼箱具有比普通鋼骨更大的平面外剛度，施工時(shí)減少支撐，加快施工速度，且鋼箱內(nèi)部中空，有利于管道和線路預(yù)埋。同時(shí)空腹箱形鋼骨混凝土具有截面開(kāi)展、抗彎剛度大、自重輕和防火性能好等特點(diǎn)，也適用作海洋平臺(tái)支架柱和橋墩，因此這類構(gòu)件具有很好的工程應(yīng)用前景。以往，文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了空腹箱形鋼骨混凝土梁的試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，這類構(gòu)件具有較好的承載能力和延性。文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了5個(gè)空腹箱形鋼骨混凝土純扭構(gòu)件滯回性能的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)考慮的主要參數(shù)為截面尺寸

4、和鋼管外混凝土厚度，研究了這類構(gòu)件耗能能力和剛度退化規(guī)律。但這類構(gòu)件抗扭性能的理論分析少見(jiàn)報(bào)道，研究其抗扭性能有助于對(duì)這類構(gòu)件在壓、彎、扭復(fù)合受力狀態(tài)下工作性能的了解。文獻(xiàn)[2]的研究成果為本文研究提供了珍貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文利用ABAQUS軟件對(duì)空腹箱形鋼骨混凝土構(gòu)件在受扭矩作用下的荷載一變形關(guān)系曲進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，在此基礎(chǔ)上，對(duì)空腹箱形鋼骨混凝土的純扭構(gòu)件工作性能進(jìn)行了分析。本文研究方法和結(jié)論為為相關(guān)研究提供參考。

5、2有限元計(jì)算模型鋼管和鋼筋采用ABAOUS軟件[4中提供等向彈塑性模型，滿足VonMises屈服準(zhǔn)則，這種模型多陳宜言，深圳市政府特殊津貼專家、教授級(jí)高級(jí)工程師Emai1：chenyy@szmeditoman形鋼骨鋼筋混凝土圖1空腹箱形鋼骨混凝土典型截面用于模擬金屬材料的彈塑性性能。鋼材采用理想彈塑性模型，彈性模量取206x10MPa，泊松比取03混凝土采用ABAQUS軟件中的塑性損傷模型【4】J，彈性模量按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取

6、值，彈性階段泊松比取02?；炷恋膯屋S受壓模型采用Attard(1996)【5】提出的模型，該模型經(jīng)過(guò)了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，且形式較為簡(jiǎn)單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。Attard(1996)提出的混凝土模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：y：些：(i)ICXDX式中，Y=／L，X=／Gc。，和。分別為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變。：蘭：三魚(yú)(2)一爭(zhēng)C=A一2：D=B1當(dāng)時(shí)，fic(O~icO~co)2；=。；C=A一2：D=1上式中，為混凝土彈性模量，和嗣為

7、曲線下降段的反彎點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變值，按下式確定：／=141—0171n()(3)占i。／。。=25一O31n()(4)452013年第1O卷第1期深圳土木與建筑VOL1ONO12013表l空腹箱形鋼骨混凝土試件表箱形鋼骨截面試件截面鋼骨屈服強(qiáng)度試件(MPa)試件長(zhǎng)度L承載力T。承載力T。。bxhxt(mm)DxB(mm)(mm)(tm)(tm)T15150xl5Ox6450x4502941620132514gT11150x150x63

8、70x37029416209121005T_O7150x150x6290x2902941620694668B15200x150x6370x420294162012181239B10200x1OOx6320420294162089991824一l8號(hào)委26O129雪6黽30Oo04o08O12016扭轉(zhuǎn)角(rad／m)(a)T150004008012016扭轉(zhuǎn)角(rad／m)(c)T07蚤一囊至、一／O扭轉(zhuǎn)角(rad／m)(b)T1100

9、04008012016扭轉(zhuǎn)角(rad／m)(d)B15扭轉(zhuǎn)角(rad／m)(e)B一10圖4計(jì)算曲線和實(shí)驗(yàn)曲線比較4純扭構(gòu)件荷載一變形關(guān)系全過(guò)程分析發(fā)展區(qū)域。圖5為空腹箱形鋼骨混凝土純扭構(gòu)件的典型(3)塑性階段(BC)：此階段，鋼管屈服區(qū)不斷向聯(lián)系曲線，7_為扭矩，媯構(gòu)件總的扭轉(zhuǎn)角。根內(nèi)發(fā)展，混凝土的裂縫也不斷開(kāi)展，截面進(jìn)入塑性據(jù)空腹箱形鋼骨混凝土純扭構(gòu)件的工作性能，曲線的區(qū)域不斷增大，鋼筋籠中箍筋的應(yīng)力仍在不斷增大致可分為以下三個(gè)階段

10、：加。由于內(nèi)部鋼骨的存在和外部鋼筋籠的約束作用，(1)彈性階段(OA)：在此階段，扭矩與轉(zhuǎn)角成線曲線仍覺(jué)有較好的延性。以上，嚴(yán)關(guān)系曲線上A性關(guān)系，A點(diǎn)大致相當(dāng)于鋼材進(jìn)入彈塑性階段的起點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)對(duì)應(yīng)構(gòu)件應(yīng)力分布云圖如圖6所示點(diǎn)。(圖6的計(jì)算條件為表l中的T一15試件)，從圖6(2)彈塑性階段(AB)：在此階段，B點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)，外圍混凝土的剪應(yīng)力較大，鋼筋籠中箍筋的鋼管最大纖維壓應(yīng)力達(dá)屈服點(diǎn)，部分截面進(jìn)入塑性應(yīng)力比縱向鋼筋要大。47加