高溫后鋼管鋼骨混凝土組合柱軸壓的穩定性

趙柏冬, 俞　蕭, 陳培超, 許天成

(沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽　110044)

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高溫后鋼管鋼骨混凝土組合柱軸壓的穩定性

趙柏冬, 俞蕭, 陳培超, 許天成

(沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽110044)

摘要:利用ABAQUS有限元軟件,選取溫度和長細比為參量,對高溫后鋼管鋼骨混凝土組合柱的軸壓穩定承載力進行了模擬研究,得出了溫度和長細比對組合柱受壓穩定性的影響規律,并推導出高溫后鋼管鋼骨混凝土組合柱的穩定承載力計算公式.

關鍵詞:鋼管鋼骨混凝土; 軸壓; 穩定性; ABAQUS

在結構的設計與施工環節中,柱子的穩定性一直是一個十分重要的問題,因為一旦發生結構失穩,結構的安全性將無法保證.結構失穩指的是在外力的作用下,結構的平衡狀態已經喪失,只要有一定程度的外力,結構構件的變形就會突然增大,最終導致結構破壞.在結構使用過程中,若發生失穩問題,往往會造成結構坍塌,而且一般比較突然,后果十分嚴重,對人身財產安全危害極大.因此,進行鋼管鋼骨混凝土結構構件高溫后的穩定性研究十分必要.

1溫度對不同長細比組合柱承載力的影響

為了研究溫度對鋼管鋼骨混凝土中長柱承載力的影響,本文利用ABAQUS有限元軟件對鋼管鋼骨混凝土中長柱分別進行試件在20、300、700以及900 ℃作用后的組合柱承載力模擬分析[1].試件尺寸如表1.

表1　構件參數

通過對表1中的構件進行模擬分析,得出如圖1所示的柱的承載力-位移關系曲線.

對比圖1a與圖1b得出:高溫作用后,組合柱的極限承載力均隨著溫度的升高而下降,且彈性階段的斜率在逐漸減小.這就表明溫度越高,組合構件的彈性模量也就越小,并且當達到極限承載力時,所對應的跨中撓度也隨著溫度的增加而增大.其中20 ℃的曲線和300 ℃的曲線對比,可以看出承載力下降的幅度不大,這與國內外學者取得的研究結果一致.相關文獻表明,高溫后混凝土的抗壓強度隨著試件經歷過的最高溫度的增大而降低,但在300 ℃以內變化不大.這是由于隨著溫度的升高,在升溫的過程中混凝土材料的內部受到了損傷,但在高溫作用后降溫的過程中,由于材料是從外部先開始降溫,而內部則仍然保持著較高的溫度狀態,核心混凝土內部和外部形成一個梯度相反的不均勻溫度場,從而使核心混凝土的內部出現新的損傷,因此降溫后的強度比高溫時的強度又有所下降.所以在高溫作用后,內部核心混凝土相當于經歷了兩次損傷.與此同時,在高溫作用下水泥石中的Ca(OH)2脫水生成的CaO再重新與水反應生成Ca(OH)2,導致核心混凝土體積增大發生膨脹,從而加劇了核心混凝土內部的破壞.從圖1a、圖1b中各個溫度的極限承載力對比情況來看,隨著溫度的升高,長細比λ=40的組合柱的極限承載力下降趨勢要比長細比λ=28的下降趨勢要大,可見長細比對其承載力的影響十分明顯.

圖1　不同溫度下柱的承載力位移曲線

2鋼管鋼骨混凝土柱軸壓穩定公式推導

對于長細比很大的長柱而言,其破壞是由于彈性失穩所致,其破壞時的縱向應變屬于彈性范圍內,極限載荷由Euler公式確定.而對于長細比較小的短柱,其破壞模式是由于內部核心混凝土被壓碎,外部鋼管在雙向應力作用下屈服,同時內部鋼骨達到臨界載荷所致.

對于鋼管鋼骨混凝土長柱的承載力計算方面,本文所采用的方法是在軸壓短柱承載力N0的基礎上,通過引入穩定系數φ(即承載力折減系數)來確定長柱的穩定承載力.

在確定φ值的過程當中,國內外學者提出了不同的計算方法.Virdi和Dowling通過引入相對長細比的概念,使軸壓鋼-混凝土組合柱的屈曲曲線與軸壓鋼柱的屈曲曲線取得一致,已被歐洲的EC4、英國的BS5400以及美國的AISC-LRFD規范所采用.在國內,文獻[2-4]通過對大量組合柱試驗結果的回歸分析,分別得出了計算鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱穩定系數的經驗公式;文獻[5]則采用切線模量理論并且結合試驗結果提出了計算鋼管混凝土柱穩定系數的半經驗公式;而文獻[6]采取對理論計算結果進行擬合的方法得出了計算鋼管混凝土柱值的計算公式.以上國內文獻給出的計算值的公式大都是針對鋼管混凝土或鋼骨混凝土的,不能直接用于鋼管鋼骨混凝土的計算.

組合柱的相對長細比

(1)

式中:λ為柱子的長細比,L0為柱子的計算長度;λc為柱子的Euler臨界載荷,等于N0時的長細比;Lc為與柱子的Euler臨界載荷相對應的臨界長度.

根據相關資料對鋼骨混凝土構件和鋼管混凝土構件抗彎剛度的規定,鋼管鋼骨混凝土組合柱在正常使用極限狀態下的抗彎剛度

(2)

式中:β為混凝土剛度折減系數,暫時按相關文獻[7]取值0.6,則Eular臨界載荷

(3)

由公式(3)與N0聯合,可以推出

(4)

將式(4)代入式(1)可得

(5)

(6)

由式(6)計算出的φ值代入式(7),即可求出不同溫度作用后組合長柱的軸壓承載力

(7)

將式(7)求得的高溫后構件的穩定承載力與ABAQUS模擬的承載力進行比較,見表2.

表2　計算結果與模擬結果的對比

3結論

(1) 長細比對鋼管鋼骨混凝土柱的承載力影響隨著溫度的升高而增大.

(2) 當試件經歷溫度低于 300 ℃時,鋼管鋼骨混凝土柱的承載力隨溫度變化較小;當試件經歷溫度高于300 ℃時,鋼管鋼骨混凝土柱的承載力隨溫度的增高而降低.這是因為在300 ℃以內時,混凝土的強度損失較少,而鋼材的力學性能在降溫后又基本能得到恢復.

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【責任編輯: 祝穎】

(YB9238-92Design and Construction Procedures of Steel-Concrete Composite Slab[S]. 1992.)

Stability of Steel Tube Filled with Steel-Reinforce Concrete Subjected to Axial Compression after High Temperature

ZhaoBaidong,YuXiao,ChenPeichao,XuTiancheng

(Architectural and Civil Engineering College, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:Simulation research on the steel tube filled with steel-reinforced concrete subjected to axial compression after high temperature was done by changing the temperature and the slenderness ratio with finite element software ABAQUS. The influence of the temperature and slenderness ratio on the composite column and its stability formula of the composite column after high temperature were gotten by the research.

Key words:steel tube filled with steel reinforced concrete; axial compression; stability; ABAQUS

收稿日期:2014-11-23

中圖分類號:TU 375.1

文獻標志碼:A

作者簡介:趙柏冬(1962-),男,遼寧沈陽人,沈陽大學教授.

文章編號:2095-5456(2015)02-0151-04