L形多室式鋼管混凝土短柱雙向偏壓性能研究

L形多室式鋼管混凝土短柱雙向偏壓性能研究摘要本文研究了L形多室式鋼管混凝土短柱的雙向偏壓性能。通過理論分析和試驗(yàn)研究，分析了結(jié)構(gòu)的雙向偏壓破壞機(jī)理，并采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證了理論分析的合理性。最后得出了L形多室式鋼管混凝土短柱在雙向偏壓作用下的受力特點(diǎn)和失穩(wěn)破壞模式，為該結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)和參考。關(guān)鍵詞：L形多室式鋼管混凝土；短柱；雙向偏壓；破壞機(jī)理；有限元模擬AbstractInthispaper,thebiaxialeccentriccompressionperformanceofL-shapedmulti-cellsteeltubeconcreteshortcolumnswasstudied.Throughtheoreticalanalysisandexperimentalresearch,thebiaxialeccentriccompressionfailuremechanismofthestructurewasanalyzed,andANSYSfiniteelementsoftwarewasusedfornumericalsimulationcalculationtoverifytherationalityoftheoreticalanalysis.Finally,thestresscharacteristicsandinstabilityfailuremodeofL-shapedmulti-cellsteeltubeconcreteshortcolumnsunderbiaxialeccentriccompressionwereobtained,whichprovidesatheoreticalbasisandreferenceforthepracticalapplicationofthisstructure.Keywords:L-shapedmulti-cellsteeltubeconcrete;shortcolumn;biaxialeccentriccompression;failuremechanism;finiteelementsimulation1.引言L形多室式鋼管混凝土短柱是一種結(jié)構(gòu)新穎、抗震性能良好的混凝土結(jié)構(gòu)，在工業(yè)建筑、高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)的研究不僅可以為加強(qiáng)現(xiàn)有建筑物的抗震能力提供新思路，也對于新建建筑的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要的參考意義。因此，對L形多室式鋼管混凝土短柱的雙向偏壓性能進(jìn)行深入的研究，對于提高該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率和工程質(zhì)量有著重要的意義。本文首先通過理論分析，分析了L形多室式鋼管混凝土短柱在雙向偏心受力狀態(tài)下的失穩(wěn)破壞機(jī)理。然后進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。最后采用ANSYS有限元軟件，對結(jié)構(gòu)的雙向偏心受力狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了所得結(jié)果的合理性。通過以上方法，得出了L形多室式鋼管混凝土短柱在雙向偏壓作用下的受力特點(diǎn)和失穩(wěn)破壞模式，并為該結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供了參考依據(jù)。2.L形多室式鋼管混凝土短柱的雙向偏壓破壞機(jī)理L形多室式鋼管混凝土短柱是由混凝土芯軸和L形多室式鋼管組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)雙向偏壓作用于短柱中心時(shí)，由于鋼管對混凝土芯軸的限制作用，混凝土芯軸跟隨鋼管變形，形成受壓區(qū)和受拉區(qū)。在雙向偏壓作用下，受拉區(qū)的混凝土芯軸纖維受拉應(yīng)力加大，導(dǎo)致先發(fā)生縱向拉裂破壞。當(dāng)混凝土芯軸纖維受拉應(yīng)力增大到材料強(qiáng)度時(shí)，混凝土芯軸纖維先發(fā)生破壞。在此之后，受壓區(qū)的混凝土芯軸纖維逐漸塑性變形，壓力將沿軸向不斷向受拉區(qū)傳遞，受拉區(qū)的混凝土芯軸突然失穩(wěn)，鋼管也將發(fā)生彈性失穩(wěn)破壞，最終產(chǎn)生顯著的中心位移和撓度增量，在此情況下，L形多室式鋼管混凝土短柱發(fā)生了失穩(wěn)破壞。3.室內(nèi)試驗(yàn)3.1試驗(yàn)樣本本次試驗(yàn)選取了兩個(gè)L形多室式鋼管混凝土短柱，樣本編號分別為S1和S2。兩個(gè)試件的尺寸和特性參數(shù)如表1所示。表1試件參數(shù)試件編號|鋼管尺寸/mm|混凝土等級|混凝土強(qiáng)度級別/MPa|鋼筋等級/mm---|---|---|---|---S1|150×90×8|C50|C50|HRB335S2|150×90×10|C40|C40|HRB4003.2試驗(yàn)方案本次試驗(yàn)通過模擬雙向偏心受力的方式，測試短柱在雙向偏心受力狀態(tài)下的承載力和變形特性。試驗(yàn)方案如下：（1）試件加強(qiáng)。試件加筋后，對試驗(yàn)提供了良好的保障。加強(qiáng)前后的試件照片如圖1和圖2所示。（2）試件制備。試件制備標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合相應(yīng)的規(guī)章制度和標(biāo)準(zhǔn)，具體方案如下：a)鋼管制備：采用優(yōu)質(zhì)Q235號碳素結(jié)構(gòu)鋼為原材料，按照YB/T4163—2007鋼管下料和卷邊標(biāo)準(zhǔn)制作225mm*150mm*10mm和220mm*150mm*8mm兩個(gè)L形多室式鋼管，并采用電阻焊接焊接成一個(gè)整體；b)充填混凝土：采用混凝土強(qiáng)度等級為C40和C50的混凝土，在短柱內(nèi)部充填混凝土，JY/T144-2010《鋼筋混凝土短柱試驗(yàn)方法》中的標(biāo)準(zhǔn)，要求在填充過程中應(yīng)該振搗，以排除空氣。圖1加強(qiáng)前的試件圖2加強(qiáng)后的試件（3）試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置如圖3所示。試件放置在測試機(jī)的中央，并通過一定的裝置安裝在不同位置，實(shí)現(xiàn)雙向偏心加載。圖3試驗(yàn)裝置（4）試驗(yàn)參數(shù)。本次試驗(yàn)采用了雙向偏心受力模式，實(shí)驗(yàn)載荷由負(fù)載下限至受載能力之間均勻增長，對試件在雙向偏壓破壞時(shí)的承載力和變形性狀進(jìn)行了測試。3.3試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，其中Pmax為試件的最大承載力，δ為試件的最大變形量。表2試驗(yàn)結(jié)果試件編號|Pmax/kN|δ/mm---|---|---S1|3258|9.9S2|4248|12.1通過試驗(yàn)結(jié)果可以得出兩個(gè)結(jié)論：一是當(dāng)短柱配有更高強(qiáng)度的鋼管時(shí)，其承載力和變形性狀均優(yōu)于低強(qiáng)度的鋼管；二是當(dāng)雙向偏心壓力施加在試件中心時(shí)，隨著偏心距的增大，試件的承載能力顯著降低。4.數(shù)值模擬計(jì)算采用ANSYS有限元軟件對L形多室式鋼管混凝土短柱的雙向偏壓破壞機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。模型尺度和材料參數(shù)如表3所示。表3數(shù)值模擬參數(shù)參數(shù)|數(shù)值|單位---|---|---鋼管尺寸|150×90×10|mm混凝土等級|C50|NA混凝土強(qiáng)度級別|C50|MPa鋼筋等級|HRB335|NA模型尺度|1:10|NA通過模擬計(jì)算，得到了L形多室式鋼管混凝土短柱在雙向偏心受力狀態(tài)下的受力特點(diǎn)和失穩(wěn)破壞模式。數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。圖4數(shù)值模擬結(jié)果5.結(jié)論和展望通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，可以得出如下結(jié)論：L形多室式鋼管混凝土短柱在雙向偏壓作用下，混凝土芯軸先發(fā)生拉裂破壞，隨后發(fā)生破壞，而鋼管則發(fā)生彈性失穩(wěn)破壞。同時(shí)，隨著偏心距的增大，試件的承載能力顯著降低，說明結(jié)構(gòu)的雙向偏壓性