横向冲击荷载下钢管混凝土柱承载性能研究★

2012-02-28 09:54:18陈建平徐勋倩

山西建筑 2012年28期

陈建平张晨徐勋倩*

(1.南通市规划设计院有限公司，江苏南通 226000;2.南通大学交通运输研究院，江苏南通 226019)

0 引言

钢管混凝土(CFST)充分发挥和利用钢管和混凝土两种材料的优点，有效改善了混凝土的塑性和韧性，避免并延缓钢管的局部屈曲。自20世纪60年代中期，该种结构被引入我国，并广泛应用于单层工业厂房柱、高炉和锅炉构架柱、多层工业厂房柱和送变电构架柱等工业建筑;自20世纪80年代开始，随着我国经济飞速发展，其除继续应用于工业建筑中外，还进入了高层建筑和公路、城市拱桥建设中［1］。随着钢管混凝土的应用范围不断扩大，研究人员对其研究日趋完善和深入，在构件性能和理论研究方面［2，3］已达到国际领先水平。但是，目前已有的研究成果大多以静力分析为主，对冲击荷载作用下钢管混凝土结构的动力学响应分析研究的较少。文献［4］～［6］对钢管混凝土构件进行了竖向、横向冲击试验，文献［7］［8］利用有限元软件、理论公式分析了挠度。

本文基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件对在横向冲击荷载下的两端固支钢管混凝土柱进行了仿真分析。

1 建模及有限元网格划分

混凝土采用双线性等向强化模型Bilinear Isotropic Model(BISO)，其将弹塑性材料的弹性阶段和强化阶段用两条直线来表示。

钢管采用了塑性随动模型Plastic Kinematic Model(PKIN)。该模型包括随动强化、等向强化以及两者的结合模型。其中结合模型依赖于应变率及失效应变。而等向强化、随动强化所占比例可通过调整硬化参数β的值来体现(β=0为只有随动强化;β=1为只有等向强化)。

应变率通过Cowper-symonds模型来表示，一般采用应变率的参数来确定屈服应力，其值为:

式中:c，P——Cowper-symonds应变率参数;

Eρ——塑性硬化模量。

冲击落锤采用Rigid模型，限制其转动和垂直方向以外的位移。钢管混凝土构件有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

2 模拟结果与试验结果对比分析

进行落锤冲击试验模拟分析，整理计算结果，与试验数据［6］进行比较，见表1。模拟结果与试验结果比较接近，误差大多控制在4%之内。

表1 跨中最终挠度试验与模拟结果比较

3 模拟结果与理论计算结果对比分析

文献［9］针对固支梁受质量冲击的工况进行分析，得固支梁跨度任意一点最终挠度的计算公式:

β=mx/m1;

m1——冲击物质量;

m——梁单位长度的质量;

x——计算点距梁中点距离;

L——梁长度的0.5倍;

v0——冲击物撞击速度;

Mu——塑性极限弯矩，Mu=1.25M0';

M0'——钢管混凝土构件标准抗弯承载力［2］(对应边缘最大纤维应变10 000 με，钢管边缘屈服);

1.25 ——考虑到全截面进入塑性状态，将M0'予以适当增大。

采用文献［6］数据，进行落锤冲击试验模拟分析，整理计算结果，与理论公式计算结果进行比较，见表2。以冲击高度7 m为例，计算柱跨度若干点最终挠度，并与理论公式计算结果进行比较，见表3。

从表2，表3可看到，模拟结果与理论公式计算结果比较接近，误差普遍控制在10%之内。

表2 跨中最终挠度理论公式与模拟结果比较

表3 跨度各点最终挠度理论公式计算与模拟结果比较

4 利用软件进行拓展分析

4.1 塑性铰形成过程

以Von Mises等效应力分析构件塑性铰的变化情况。在落锤接触钢管混凝土构件的瞬间，在落锤附近及构件下部钢材进入屈服，即将形成塑性铰，构件受约束的两端应力水平较低，处于弹性状态(见图2)。跨中全截面迅速进入屈服，形成塑性铰，同时冲击能量向构件受约束两端传递，端部截面部分进入屈服(见图3)。能量从跨中向两端传递，构件两端全截面进入屈服，形成塑性铰。构件形成三个塑性铰后，丧失承载力(见图4)。