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文檔簡介
1、長期荷載作用下鋼管混凝土偏壓柱力學性能的有限元分析 學 生:鄭登登 研究線路力學性能分析模型 鋼和混凝土本構(gòu)關系模型 力學性能分析 有限元模型的建立 有限元分析 模型驗證 荷載-變形全過程分析 鋼管與混凝土相互作用分析 摘 要 采用有限元法建立了長期荷載作用下鋼管混凝土偏壓柱的分析模型,計算結(jié)果得到了試驗結(jié)果的驗證。在此基礎上,對考慮長期荷載作用影響時鋼管混凝土偏壓柱的荷載-變形全過程曲線以及鋼管和核心混凝土之間的相互作用等力學性能進行了細致分析;并與不考慮長期荷載影響的鋼管混凝土柱力學性能進行了比較。結(jié)果表明:有限元計算和試驗結(jié)果總體上吻合良好;考慮長期荷載作用影響時,鋼管混凝土偏壓柱的承載
2、力降低且對應的跨中撓度增大;同時推遲了鋼管和核心混凝土之間出現(xiàn)相互作用。 1 力學性能分析模型 基于ABAQUS有限元分析平臺,采用有限元法建立長期荷載作用下鋼管混凝土偏心受壓柱力學性能分析模型,對考慮長期荷載作用影響時鋼管混凝土偏壓柱的荷載-變形關系曲線進行受力全過程計算。全過程計算包括兩個部分:長期荷載作用階段和承載力計算階段。1.1鋼和混凝土本構(gòu)關系模型 (1) 鋼材采用ABAQUS軟件中提供等向彈塑性模型1,10,滿足Von Mises屈服準則。 (2) 混凝土分別采用粘彈性模型和塑性損傷模型11對長期荷載作用階段和承載力階段的核心混凝土進行模擬。 采用文11提出的考慮時間效應的粘彈性
3、本構(gòu)模型來模擬混凝土在長期荷載作用下的力學性能,其表達式如下: (1) 式中,t是持荷時間;0代表加載齡期;ij為Kronecker符號(當i=j時,ij=1;當ij時,ij=0),和G為材料參數(shù);1(t)和2(t)分別為相應體應變kk(t)和剪應變ij(t)的松弛函數(shù)。,G,1(t)和2(t)的表達式如下所示:1.1鋼和混凝土本構(gòu)關系模型; (2); (3) 其中,E(0)和G(0)分別為施加長期荷載時,混凝土的彈性模量和剪切模量;h=(1+u)k,k=0.02;u為徐變系數(shù)終值。對于鋼管內(nèi)的核心混凝土,因鋼管的存在而與大氣環(huán)境隔絕且其收縮和徐變變形受到鋼管的限制,故收縮終值sh按文1取用,
4、u按文8取用。1.1鋼和混凝土本構(gòu)關系模型 文1提出了在短期荷載作用下考慮鋼管約束作用的核心混凝土受壓應力()-應變()關系模型。要考慮長期荷載對鋼管混凝土承載力的影響,必須在混凝土-關系中考慮這種影響,本文采用文11中的方法對文1的模型進行修正:即假設長期荷載作用不影響混凝土的強度,只影響應變的變化。在應力坐標值維持不變的情況下,考慮徐變和收縮的影響,將短期荷載作用下混凝土-關系模型的應變進行放大平移,得出考慮長期荷載作用影響的應變t與對應短期荷載作用下-關系1上應變0的關系如下: (4)其中, (t, 0)為徐變系數(shù)。這樣,就可以采用修改過文1的模型作為考慮長期荷載作用影響時鋼管中核心混凝
5、土的應力-應變關系模型。對于混凝土受拉軟化性能,采用混凝土破壞能量準則(即應力-斷裂能關系)來考慮1。在計算中,不考慮徐變對混凝土受拉性能的影響。1.2有限元模型的建立 采用ABAQUS有限元平臺,建立了長期荷載作用下鋼管混凝土偏壓柱的有限元分析模型(以圓鋼管混凝土為例)。鋼管采用四節(jié)點殼單元,混凝土采用八節(jié)點三維實體單元,鋼管和混凝土間的界面模型采用界面法線方向的硬接觸和切線方向的庫侖摩擦模型10。為提高計算效率,根據(jù)荷載及幾何模型的對稱性,取構(gòu)件的1/4模型進行分析。單元網(wǎng)格劃分和邊界條件如圖1所示。在長期荷載作用階段,采用力加載的方式對鋼管混凝土施加長期偏心荷載值NL,并保持NL不變,直
6、至長期荷載作用結(jié)束;在承載力計算階段,采用位移加載的方式繼續(xù)對構(gòu)件進行加載,直至破壞,便可獲得考慮長期荷載作用影響時鋼管混凝土偏壓柱的荷載-變形關系全過程曲線。 核心混凝土鋼管此面沿XY面對稱約束:U3=0NL加載線圖1 有限元模型示意圖Fig.1 Finite element model of CFST columnZ(3)X(1)Y(2)此面沿YZ面對稱約束:U1=01.3模型驗證 利用上述有限元法,對典型的長期荷載作用下鋼管混凝土偏壓試件的試驗結(jié)果11進行了驗算。圖2給出了鋼管混凝土偏壓試件在長期荷載作用下的變形(L)-時間(t)計算曲線與試驗結(jié)果11的比較情況,L為偏壓試件的中截面上產(chǎn)
7、生的平均應變;圖3為考慮長期荷載作用影響的鋼管混凝土偏壓試件的荷載(N)-變形(um)計算曲線與試驗結(jié)果11的比較情況,um為試件的跨中撓度值??梢姡嬎憬Y(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。圖2 變形(L)-時間(t)計算曲線與試驗結(jié)果的比較圖3 荷載(N)-變形(um)計算曲線與試驗結(jié)果的比較2 力學性能分析基于上述有限元分析模型,對考慮長期荷載作用影響時圓鋼管混凝土偏壓柱的力學性能進行細致分析。典型算例分析的計算參數(shù)為:鋼管D ts = 400 9.3 mm(D為鋼管的外直徑,ts為鋼管的厚度);Q345鋼材;C60混凝土;構(gòu)件長度L=4000 mm;偏心距e=200 mm;長期荷載比n=0.4(n=
8、NL/Nu,Nu為構(gòu)件的極限承載力1);持荷時間t為50年。2.1 荷載-變形全過程分析圖4為考慮長期荷載作用影響時鋼管混凝土偏壓柱受力全過程的荷載(N)-跨中撓度(um)關系曲線;其中,A點為長期荷載開始作用時,B點為長期荷載作用結(jié)束時,C點對應構(gòu)件達到極限承載力峰值。圖中還給出了在受力全過程中鋼管和核心混凝土各自承擔內(nèi)力的變化情況。可見,在長期荷載作用階段(AB),外荷載NL保持不變,核心混凝土發(fā)生收縮徐變,構(gòu)件的撓度隨時間的發(fā)展而不斷增加;因核心混凝土和鋼管之間的變形協(xié)調(diào)關系,構(gòu)件截面上出現(xiàn)內(nèi)力重分布:核心混凝土發(fā)生卸載,鋼管承擔了該部分的荷載。在本算例中,作用在核心混凝土上的荷載下降了
9、25.3%,鋼管所承擔的荷載則增加了38.9%。在長期荷載作用結(jié)束后,繼續(xù)施加荷載,構(gòu)件撓度不斷增大;鋼材在構(gòu)件尚未達到其極限承載力時就已屈服,其承擔的軸向荷載逐漸下降,而作用在核心混凝土上的荷載不斷增加。隨著軸向荷載的繼續(xù)增加,鋼管混凝土構(gòu)件開始達到極限承載力(C點);由于鋼管的約束作用,核心混凝土此時還沒有達到其強度極限。在構(gòu)件達到了極限荷載后,構(gòu)件的撓度增加而荷載不斷下降,曲線進入下降段,而后核心混凝土也達到其極限強度。2.1 荷載-變形全過程分析圖5給出了對考慮長期荷載作用影響與否時鋼管混凝土偏壓柱N-um關系曲線的比較情況。可見,當考慮了長期荷載作用的影響,構(gòu)件的極限承載力降低了,但
10、極限承載力所對應的跨中撓度值卻增大了。在本算例中,其極限強度降低了11.4%,而極限承載力所對應的跨中撓度增大了70.6%。這是由于在長期荷載作用下,構(gòu)件的撓度隨著時間的發(fā)展而不斷增加,從而增大了構(gòu)件的二階效應,降低了構(gòu)件的極限承載力并增大了所對應的跨中撓度。2.2 鋼管與混凝土相互作用分析圖6給出了考慮長期荷載作用影響時,鋼管混凝土偏壓柱跨中截面特征點處鋼管和核心混凝土的接觸應力(P)-跨中撓度(um)關系曲線。圖中,P 0代表鋼管與混凝土之間發(fā)生了相互作用,而P =0則表示鋼管與混凝土的界面有分開的趨勢。在偏心荷載作用下,接觸應力P沿截面分布是不均勻的,分別選取了受壓區(qū)邊緣位置a點、受拉區(qū)
11、邊緣位置c點和ac中線上b點的約束力進行了對比??梢姡軌簜?cè)鋼管對混凝土的接觸應力總體要大于受拉側(cè)的接觸應力,最大接觸應力位于受壓區(qū)邊緣a點處。從圖中還可看出,鋼管與核心混凝土的接觸應力出現(xiàn)在長期荷載作用結(jié)束后。在荷載達到峰值點(C點)前,鋼管與核心混凝土的接觸應力還很小,隨著荷載的不斷增加,接觸應力不斷增長。2.2 鋼管與混凝土相互作用分析圖7給出了考慮長期荷載作用影響與否時,鋼管混凝土偏壓柱跨中截面特征點(a點)處鋼管和核心混凝土接觸應力P-um關系曲線的比較情況。可見,考慮長期荷載作用影響時,鋼管和核心混凝土間出現(xiàn)接觸應力的時刻較之不考慮長期荷載作用影響的情況延后了,且考慮長期荷載作用影響時鋼管對混凝土的約束力值要小于不考慮長期荷載作用影響的情況。3 小結(jié)
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