摘要：提出用加筋圓鋼管代替一般的圓鋼管。主要對(duì)加筋圓鋼管混凝土短柱的承載力進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)加筋和不加筋兩種圓鋼管混凝土構(gòu)件的承載力及應(yīng)力場(chǎng)的變化用有限元分析軟件進(jìn)行對(duì)比。
　　關(guān)鍵詞：加筋圓鋼管混凝土；軸心受壓構(gòu)件；有限元分析
　　
　　鋼管混凝土在土木工程中已被廣泛應(yīng)用，它是在鋼管中填充混凝土而形成組合構(gòu)件。鋼管混凝土的基本原理是借助圓形鋼管對(duì)核心混凝土的套箍約束作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使核心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和壓縮變形能力。鋼管混凝土除具有強(qiáng)度高，重量輕，延性好，耐疲勞，耐沖擊等優(yōu)越力學(xué)性能外，還有省工省料，架設(shè)輕便，施工快速等優(yōu)點(diǎn)。鋼管混凝土是在勁性鋼筋混凝土及螺旋配筋混凝土基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來的。
　　根據(jù)《鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工手冊(cè)》等資料以及實(shí)驗(yàn)可以看出，鋼管混凝土的破壞過程是：鋼管屈服，核心混凝土失去側(cè)向約束力而破壞，最終導(dǎo)致組合構(gòu)件喪失承載能力。本文根據(jù)普通圓鋼管混凝土的破壞特征，對(duì)鋼管進(jìn)行了側(cè)向加筋。通過普通鋼管混凝土與加筋鋼管混凝土的承載能力的試驗(yàn)比較以及有限元分析，提出了在工程是提高鋼管混凝土承載能力及變形能力的措施。
　　1、試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果
　　(1)試件及試件的制作：試驗(yàn)采用普通鋼管混凝土及加筋鋼管混凝土兩組。A組為普通鋼管混凝土，B組為加筋鋼管混凝土，各一個(gè)試件。試件的基本特征系數(shù)見表1。
　　(2)試件加載設(shè)備及加載速度：試驗(yàn)采用2000KN壓力機(jī)，對(duì)鋼管混凝土分級(jí)施加軸向壓力，每級(jí)100KN，至試件破壞。加載過程中間分級(jí)記錄鋼管混凝土的應(yīng)變值及試件的軸向變形。
　　(3)試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞狀態(tài)：A組試件加載前期，試件無明顯變形，加載至600KN后，電阻應(yīng)變片破壞，800KN后，試件豎向尺寸明顯減小。橫向向外膨脹，加至850KN后，試件首先在上下端鼓曲，850KN后，是間亦鼓曲。B組，加載前期與A組相似，明顯與A組不同這處是：加載至870后，試件才上下端鼓曲，試件的豎向尺寸變化明顯小于A組試件3)。
　　表1.試件基本特征參數(shù)
　　試件編號(hào) D╳t╳L（mm） fy
　　(Mpa) fck
　　(Mpa) ξ 是否加筋 Ne
　　(KN) Nc
　　(KN) Δu
　　(mm)
　　A-1 112╳4╳250 235 20 1.86 否 616 600 61
　　B-1 112╳4╳250 235 20 2.01 是(Φ6) 656 700 18
　　(4)結(jié)果分析：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知加筋的鋼管混凝土承載力有所增加，實(shí)現(xiàn)了較小的用鋼量帶來了承載力的提高的效果。加筋后的鋼管混凝土變形明顯減小，變形能力得到了增強(qiáng)。
　　2、由于鋼管混凝土是由鋼和混凝土兩種不同性質(zhì)的材料組成，它的力學(xué)性質(zhì)明顯地依賴于材料各自的特性，用傳統(tǒng)的解析方法分析構(gòu)件，只能解決構(gòu)件的最終承載力，而對(duì)于各個(gè)階段的承載力和受力過程的變形等情況卻無法了解。對(duì)于大量的構(gòu)件的彈性分析，只能借助于有限元這類的數(shù)值分析方法。通過進(jìn)行有限元分析(包括線性和非線性)有如下幾個(gè)意義：
　　(1)通過設(shè)置合理的本構(gòu)關(guān)系，可以在計(jì)算模型中分別反映混凝土和鋼材的非線性特性；(2)可以考慮或模擬鋼與混凝土這間的粘點(diǎn)；(3)可以在一定程度上模擬節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和邊界條件；(4)可以提供大量的結(jié)構(gòu)反應(yīng)信息，例如應(yīng)力、應(yīng)變、位移等，借助于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖像表現(xiàn)技術(shù)，還可以直觀地看到結(jié)構(gòu)受荷載后從彈性變形到開裂破壞的全過程，為進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)提供形象的依據(jù)；(5)可以部分代替試驗(yàn)，進(jìn)行大量的參數(shù)分析，為制定設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)；
　　3．有限元的計(jì)算步驟：(1)鋼和混凝土之間無滑移；(2)不考慮混凝土的收縮、徐變的影響；(3)不考慮鋼管局部屈曲（此時(shí)鋼管處于彈性極限狀態(tài)附近）；(4)平截面假定。加筋鋼管混凝土與一般的鋼管混凝土的有限元法一樣，其計(jì)算步驟可以分如下：
　　本文采用四邊形截面整個(gè)圓環(huán)為單元每結(jié)點(diǎn)有兩個(gè)自由度，四個(gè)結(jié)點(diǎn)共有八個(gè)自由度，基本未未知量為結(jié)點(diǎn)位移：{δ}={}
　　單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變和位移可表示為：{σ}={σσσ}{ε}={εε}
　　單元分析的任務(wù)是確定以下幾組關(guān)系：
　　(1)單元內(nèi)任一點(diǎn)的位移{f}和單元結(jié)點(diǎn)位移{δ}的關(guān)系：{f}=[N]×{δ}，其中[N]為形函數(shù)矩陣，[N]=[NNN]
　　(2)用結(jié)點(diǎn)位移表示單元應(yīng)變的關(guān)系式：{ε}=[B]×{δ}，其中[B]為單元應(yīng)變矩陣，[B]=[BBB]
　　(3)用結(jié)點(diǎn)位移表示單元應(yīng)力的關(guān)系式：{σ}=[S]×{δ}=[D]×[B]×{δ}，式中[D]，[S]，分別是單元材料有關(guān)的彈性矩陣，應(yīng)力矩陣。
　　(4)單元結(jié)點(diǎn)為[F]和單元結(jié)點(diǎn)位移{δ}之間的關(guān)系為：{σ}=[S]×[S]{δ}
　　(5)利用虛功原理建立作用于單元上的結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式，即單元的剛度方程。{R}=[K]×{δ}式中[K]為剛度矩陣；
　　(6)根據(jù)[k]組裝成總體剛度矩陣[K]；
　　(7)引入支承約束條件（邊界條件）；
　　(8)建立平衡方程[K]{δ}={R}式中{R}總體旬荷載列陣，由各單元外荷載組裝而成；{δ}總體結(jié)點(diǎn)位移列陣；[K]由各單元?jiǎng)偠染仃嚱M裝布成的總體剛度矩陣。
　　(9)求解總體平衡方程式。在不熟得基本未知量結(jié)點(diǎn)位移后，可根據(jù)式（a）式（d）求得各單元中任意一點(diǎn)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力。
　　有限元分析步驟：本文主要應(yīng)用ANSYS的彈塑性分析。
　　彈塑性分析步驟：①前處理建立模型；②加載并求解；③后處理，分析結(jié)果；
　　1、 處理、建模
　　按照構(gòu)件的受力條件，形成圖2所示的模型：外壁為圓鋼管，內(nèi)為混凝土，兩者均采用三角形單元，鋼與混凝土假定為無粘結(jié)滑移，用“Glue”命令粘合在一起，共同變形。為合理地模擬實(shí)際情況，鋼管的一端采用固定支座，另一端則施加壓力荷載。由于鋼管厚度與混凝土直徑相比相差較大，故對(duì)于鋼管采用殼單元，混凝土采用塊體單元；
　　2、 間處理、加載并求解
　　①計(jì)算的模式為材料的靜力分析，不考慮大變形和屈曲，不考慮構(gòu)件的自重，塑性不可恢復(fù)；②對(duì)于第一級(jí)荷載迭代過程，考慮到材料處在彈性工作階段，材料模型采用VonMises各向同性強(qiáng)化材料分析，鋼材的彈性模量取為E=2.0610MPa，強(qiáng)化模量取為E=0.01E=2.0610MPa泊松比=0.283，混凝土的彈性模量為E=3.010MPa,泊松比=0.173；③當(dāng)荷載較大時(shí)混凝土不可再視為各向同性體，采用Drucker-prager模型。當(dāng)鋼管進(jìn)入彈塑性階段，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系采用雙折線隨動(dòng)強(qiáng)化，此選項(xiàng)適用VonMises屈服準(zhǔn)則。④求解：程序的求解方法為增量-迭代法，在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)有用常剛度迭代。根據(jù)本次計(jì)算的特點(diǎn)，采用如下參數(shù)非線性迭代的方法為：全局牛頓-辛普森方法（FullN-R）作為對(duì)自適應(yīng)下降段。采用弧長(zhǎng)方法來使求解時(shí)間最小化，一個(gè)單一子步的最大平衡迭代數(shù)應(yīng)當(dāng)小于或等于15次，采用力收斂準(zhǔn)則，力的收斂標(biāo)準(zhǔn)為110，每上個(gè)時(shí)間步迭代一次，每隔一個(gè)時(shí)間步修正一次剛度矩陣。
　　3、 后處理檢查結(jié)果
　　由于程序?qū)τ跉�單元并未提供�?yīng)變輸出，因此計(jì)算結(jié)果的判斷主要取決于位移和應(yīng)力，所以可以通過分析各級(jí)荷載下的應(yīng)力和位移來確定結(jié)果。
　　參考文獻(xiàn)：
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