2022年分析循環(huán)荷載作用下鋼骨鋼管混凝土柱

1、分析循環(huán)荷載作用下鋼骨鋼管混凝土柱SRCFST許昌，魏有儀B，燕春云B摘要 一種新的復(fù)合柱形，鋼筋鋼管混凝土柱鋼SRCFST已經(jīng)提出了更高的負(fù)載進(jìn)展。本文提出了一種循環(huán)數(shù)值研究軸SRCFST列的基于ABAQUS標(biāo)準(zhǔn)求解。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比擬，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的可行性和準(zhǔn)確性。這個(gè)橫向位移，載荷曲線和截面應(yīng)力分布進(jìn)展了分析。結(jié)果說明，在SRCFST列有更高的試件剛度、橫向載荷峰值和變形能力比普通鋼管混凝土鋼管混凝土柱由于截面鋼的存在。一個(gè)參數(shù)研究，包括軸向載荷水平，截面鋼的比例，屈服強(qiáng)度的影響建筑鋼材，峰值荷載混凝土強(qiáng)度、鋼管厚度進(jìn)展了。1. 簡介 在過去的幾十年中，鋼管混凝土鋼管混凝土構(gòu)造被

2、廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑和橋梁建立1 3 ，即使在高地震危險(xiǎn)區(qū)。這個(gè)C復(fù)合構(gòu)造的理想結(jié)合了鋼管和混凝土的優(yōu)點(diǎn)，即建立和高強(qiáng)度的速度。此外，它們具有更輕的重量，更高的抗彎剛度，和良好的循環(huán)性能比鋼筋混凝土施工。近年來，一個(gè)大的構(gòu)造或一組構(gòu)造出現(xiàn)在中國和其他一些地方。隨著跨度的增加一列的橫截面和高度，往往設(shè)計(jì)更大，以提供更高的承載能力。例如，鋼管混凝土柱在深圳賽博廣場直徑到達(dá)第一的故事1600毫米。這樣一個(gè)大面積的列結(jié)果在減少有用的室內(nèi)面積。鋼骨混凝土SRC構(gòu)造的成員是由混凝土、型鋼、縱向鋼筋和橫向鋼筋組成。他們被廣泛使用，由于他們的優(yōu)勢，在長期高截面強(qiáng)度。然而，這是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。一種新的復(fù)合柱形

3、，鋼筋鋼管混凝土柱鋼SRCFST，最近已經(jīng)提出4,5。新的列由一個(gè)鋼筋混凝土內(nèi)和一個(gè)圣鰻魚管外，如圖1所示。本組合柱和外鋼管均采用無鋼筋的使用，使混凝土和節(jié)鋼共同作用。這個(gè)新的列是一個(gè)結(jié)合的型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能的構(gòu)造件。現(xiàn)有的研究主要集中在力學(xué)性能SRCFST列在軸向荷載作用下或是在理論分析和試驗(yàn) 4 7彎。與田人的研究比擬上述，較少的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)進(jìn)展了在SRCFST列行為循環(huán)加載 8 下。為了給這些新列的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，在這方面的奉獻(xiàn)，ABAQUS/Standard求解器來了解和預(yù)測在循環(huán)LO SRCFST列電阻增加。通過比擬五個(gè)測試樣本的實(shí)驗(yàn)觀察的計(jì)算結(jié)果進(jìn)展驗(yàn)

4、證的數(shù)值方法。參數(shù)化研究，包括厚度鋼管、型鋼鋼比、型鋼和混凝土強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，也進(jìn)展了。2. 數(shù)值模擬2.1. 材料的性能鋼是假定為彈性應(yīng)變硬化后屈服強(qiáng)度的彈塑性材料。米塞斯屈服面是用來定義各向同性屈服的鋼材料和模型假定相關(guān)的塑性流動(dòng)。為了描述鋼在循環(huán)荷載作用下的行為，采用線性運(yùn)動(dòng)硬化模型對組合柱進(jìn)展建模。鋼性能的SP指定在ABAQUS包括鋼的楊氏模量ES，泊松比LS和屈服強(qiáng)度。采用1%種屈服后的硬化剛度。用于分析 9 定義標(biāo)準(zhǔn)ABAQUS損傷塑性模型。通過采用有限元法，在三軸加載的狀態(tài)下的強(qiáng)度改善，可以實(shí)現(xiàn)由的屈服面和塑性行為的定義，描述來自核心混凝土的等效應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。許多應(yīng)力-應(yīng)變模型已

5、經(jīng)提出了 13 - 10。廣泛承受的等效應(yīng)力-應(yīng)變模型，提出的韓等。 14 是在本文中使用的，這是基于大量的測試結(jié)果。由于該模型已被完全記錄的韓等。 14 ，所以我們只簡要介紹如下：泊松比LC在混凝土單軸壓縮應(yīng)力下的彈性局部，范圍從0.15到0.22，與0.19的代表值，根據(jù)ASCE 15 。在這個(gè)數(shù)值模擬，泊松比的混凝土是0.19。的其它參數(shù)，如膨脹角，偏心率，雙軸壓縮強(qiáng)度的混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度，類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎TiO第二應(yīng)力不變量對拉伸經(jīng)絡(luò)，經(jīng)絡(luò)和壓縮粘度參數(shù)通過ABAQUS 9 默認(rèn)。對于混凝土在循環(huán)荷載作用下，對混凝土塑性模型中的拉伸行為進(jìn)展了定義?；炷梁诵牡牡刃?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系用過 16

6、 提出的張力：2.2. 有限元網(wǎng)格和邊界條件三維八節(jié)點(diǎn)線性磚和沙漏控制實(shí)體單元縮減積分C3D8R已被證明可用于混凝土混凝土 171最有效的元素類型9】鋼管、殼單元和實(shí)體單元在前人研究工作 14、17 采用。在本文中，元素的C3D8R還用于鋼管和型鋼對EAS模型設(shè)置。建立了一系列不同尺寸的有限元模型，選擇合理的網(wǎng)格，提供準(zhǔn)確的結(jié)果，較小的計(jì)算時(shí)間。它被發(fā)現(xiàn)，一個(gè)網(wǎng)格尺寸為20毫米的混凝土芯適宜。鋼管和截面鋼的網(wǎng)格尺寸為18毫米。圖8給出了試驗(yàn)裝置示意圖 2 。圖3顯示核心混凝土的單元?jiǎng)澐质疽鈭D圖3A，型鋼圖3b鋼管圖3C，和組合柱圖3d，只有半個(gè)柱模型由于復(fù)合柱的對稱性。外表的相互作用是用來表示

7、的鋼管和混凝土之間的接觸。2外表的法線方向是硬接觸，并且接觸面是模擬的庫侖摩擦模型?；炷梁弯摴苤g的硬接觸可以防止外表之間的別離。選擇的摩擦系數(shù)是困難的，因?yàn)闆]有標(biāo)準(zhǔn)測試程序，以確定它。根據(jù)現(xiàn)有的研究 19 - 14 ，在軸向壓縮下的鋼管混凝土柱的摩擦系數(shù)為0.5至0.3。在本文中，不同從0.1到0.7不等的摩擦系數(shù)進(jìn)展了選擇，以探討其對柱的行為的影響。結(jié)果說明，摩擦系數(shù)在柱行為中起著不小的作用。一個(gè)有限收斂問題誘導(dǎo)時(shí)的摩擦系數(shù)大于0.8。因此，摩擦系數(shù)為0.6，建議實(shí)現(xiàn)快速收斂。 “嵌入約束中定義的區(qū)域用ABAQUS有限元軟件描述接觸之間的混凝土和鋼。圖3所示的邊界條件，第一應(yīng)用于彈性模量

8、為1010兆帕的彈性模量和泊松比為0.0001和保持恒定在整個(gè)計(jì)算過程的中間線。水平位移中線的彈性端板也固定。在指定的位移，使用邊界條件下，在一個(gè)指定的位移在柱中高度的對稱平面的水平荷載施加的應(yīng)用不同的增量步。2.3. 模型的驗(yàn)證為了驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，在前面的章節(jié)中所描述的復(fù)合材料列，五先前公布的測試樣本 8 用于比擬的目的。這些五的種類可分為兩組12和hc14根據(jù)型鋼截面面積。在每個(gè)試樣組，軸向載荷水平范圍從0.5到0.66。幾何與配偶所有試樣材料參數(shù)列于表1。在這張桌子上，再生率和FY2為鋼管的屈服強(qiáng)度和型鋼，分別。風(fēng)機(jī)盤管是有限的立方體強(qiáng)度混凝土。應(yīng)該注意的是，“+鋼是由2個(gè)'

9、;I'鋼在測試中。在測試中使用了2種類型的“I鋼。圖4給出了計(jì)算循環(huán)荷載的比擬P與側(cè)梁檢驗(yàn)曲線與試驗(yàn)曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，一般良好的協(xié)議之間的預(yù)測和測試結(jié)果。這證實(shí)了目前的數(shù)值模型，可以使用TH的信心來模擬循環(huán)荷載作用下在SRCFST列的行為。3.分析和討論3.1. 完整的曲線分析 復(fù)合材料柱的計(jì)算循環(huán)荷載P與側(cè)向撓度曲線大致可以表現(xiàn)為四個(gè)不同的過程、加載、卸載、反向加載和反向加載卸載過程，如圖5所示。計(jì)算條件在表2中列出。典型的磷的包絡(luò)曲線圖6。可以看出，包絡(luò)線由三天組成不同階段、彈性階段、彈塑性階段和峰后階段。(1) 彈性階段：從0點(diǎn)到1點(diǎn)。在這個(gè)階段中，對后來的位移曲線的負(fù)載顯示線性行

10、為。鋼管和節(jié)鋼是在彈性階段。作為完畢的增加位移，鋼管屈服點(diǎn)1。(2) 彈塑性階段：從1點(diǎn)到2點(diǎn)。試樣的剛度偏離其初始值，響應(yīng)變?yōu)榉蔷€性。圖7顯示了縱向的分布應(yīng)力S33中圖在截面曲線在到達(dá)點(diǎn)1和點(diǎn)2。發(fā)現(xiàn)在受壓區(qū)的鋼管開場屈服首先后來位移反響對1點(diǎn)。壓縮區(qū)混凝土的應(yīng)力超過了鋼管的約束強(qiáng)度。截面應(yīng)力和截面的受壓區(qū)鋼低于鋼管。對于節(jié)鋼，沒有發(fā)生在點(diǎn)1。隨著側(cè)向位移的增加，鋼管的屈服區(qū)域和拉伸強(qiáng)度都有混凝土芯的增加和曲線剛度逐漸減小。截面鋼的應(yīng)力也增大。當(dāng)曲線到達(dá)2點(diǎn)時(shí)，鋼的屈服發(fā)生。點(diǎn)3指的是復(fù)合柱的峰值側(cè)向荷載。(3) 峰后階段：曲線下降3點(diǎn)。3.2. 型鋼分析型鋼的存在是一個(gè)特殊字符SRCFST

11、柱和顯著的差異，相對于普通鋼管混凝土鋼管混凝土柱。因此，鋼的作用是在本節(jié)中詳細(xì)討論。還模擬了鋼管混凝土柱的目的。它的材料和幾何參數(shù)是一樣SRCFST列。圖8顯示的縱向應(yīng)力分布S33中圖在截面的混凝土芯的兩方鋼管混凝土柱與SRCFST列當(dāng)鋼管壓區(qū)到達(dá)屈服強(qiáng)度指圖6所示的點(diǎn)1。從這些數(shù)字可以發(fā)現(xiàn)，一般來說，在鋼管混凝土柱的混凝土截面受拉區(qū)大致等于SRCFST柱。然而，在SRCFST柱混凝土截面受拉區(qū)低于鋼管混凝土柱時(shí)，曲線到達(dá)3點(diǎn)。這是因?yàn)樵摴?jié)鋼可以容納外部負(fù)載防止拉伸帶的進(jìn)一步擴(kuò)大。它也可以發(fā)現(xiàn)最高的縱向應(yīng)力S33中圖在混凝土芯的截面為SRCFST列中心附近。對于鋼管混凝土柱，最長在混凝土芯的截

12、面縱向應(yīng)力接近柱的受壓翼緣，如圖8所示。這有助于該節(jié)鋼的法蘭可以提供一些圍壓效應(yīng)。因此，在SRCFST列具有明顯較高的比剛度和屈服強(qiáng)度的鋼管混凝土柱，如圖9所示。3.3. 參數(shù)的研究影響在SRCFST列行為的可能的參數(shù)是軸向負(fù)荷水平N，型鋼比A、型鋼的屈服強(qiáng)度FY2，鋼管的厚度t和混凝土等強(qiáng)度FCK。在實(shí)驗(yàn)中，只有五個(gè)樣本進(jìn)展測試。為了進(jìn)一步理解這樣的復(fù)合柱的力學(xué)性能，這些參數(shù)的影響進(jìn)展了分析。3.3.1. 截面鋼的影響在本文中，節(jié)鋼的比例甲被定義為如下：計(jì)算P包絡(luò)曲線在SRCFST列有不同比例的鋼呈現(xiàn)在圖9。的值范圍從0.03到0.13，根據(jù)可用的測試數(shù)據(jù)。超視距與表2中所列的參數(shù)一樣。在數(shù)

13、值模型中，值的范圍從0到0.2。當(dāng)鋼的比例是零，試樣是常見的CFST柱?？梢钥闯觯黾拥闹档囊粋€(gè)線索，在峰值橫向載荷和試樣剛度的增加。在峰值負(fù)載的相應(yīng)的橫向位移也增加增加一個(gè)，如圖10所示。雙組試樣的不同比例的鋼= 0.1和= 0.01為藍(lán)本，在每個(gè)組中，屈服強(qiáng)度的節(jié)鋼范圍從235兆帕至450兆帕。其他參數(shù)和表2所列的一樣。圖11節(jié)鋼的屈服強(qiáng)度對峰值荷載的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，較高的型鋼屈服強(qiáng)度增加的結(jié)果根據(jù)頂峰負(fù)荷。我們可以從圖11，當(dāng)FY2 235 MPa，峰值荷載為40 kN的差異。不同的是119千牛FY2當(dāng)MPa。這有助于使截面的屈服強(qiáng)度對鋼有較高的價(jià)值，可為試樣的峰值載荷奉獻(xiàn)更多。3.3.

14、2. 軸向載荷水平的影響 為了研究軸向載荷水平的影響，我們選擇了0個(gè)不同的軸向載荷水平，0.3，0.8，0.5，0.6和五，設(shè)置模型，同時(shí)保持在表2中列出的其他參數(shù)常數(shù)。計(jì)算PD包絡(luò)曲線的不同軸向負(fù)荷水平SRCFST列如圖12所示。可以發(fā)現(xiàn)，這些試樣的行為類似于線性階段。然而，這些曲線在非線性階段有明顯的剛度差異。較高的軸向負(fù)荷水平會(huì)導(dǎo)致較低的剛度。當(dāng)斧子產(chǎn)生后，橫向載荷逐漸減小特殊荷載水平超過0.3的價(jià)值。在峰值側(cè)向荷載作用下的相應(yīng)的橫向位移分別n = 0, 0.3, 0.5, 0.6 and 0.8 are 20.1, 18.4, 15.7 and 10.3 mm,。這有助于更高的軸向負(fù)荷

15、水平也降低了試樣的變形。3.3.3. 混凝土強(qiáng)度的影響 圖13中所示的混凝土強(qiáng)度對峰值側(cè)向荷載的影響?；炷翉?qiáng)度范圍從30兆帕至70兆帕。從圖13可以看出，峰值荷載隨混凝土強(qiáng)度的增加而增加。3.3.4. 鋼管厚度的影響在這一節(jié)中，鋼管的厚度是可變的，其他的參數(shù)與表2中所列的一樣。計(jì)算峰值負(fù)荷與管壁厚度增加了圖14。說明較高的鋼管壁厚會(huì)導(dǎo)致較高的峰值荷載。4. 結(jié)論 在循環(huán)加載SRCFST列的力學(xué)性能是通過ABAQUS求解器研究。通過比照驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的可行性和準(zhǔn)確性計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在本研究工作的根底上，得出以下結(jié)論。（1） 本節(jié)鋼的存在可進(jìn)展橫向荷載，減少混凝土截面的拉伸帶。因此，在S

16、RCFST列有比擬高的剛度和橫向載荷峰值即使有一樣的幾何和材料參數(shù)，他共同的鋼管混凝土柱。型鋼也可以提升一個(gè)SRCFST柱的變形能力。(2) 本節(jié)鋼的法蘭也可以提供一些圍壓作用于混凝土內(nèi)部。最高的縱向應(yīng)力混凝土截面SRCFST列在本節(jié)法蘭鋼。(3) 該參數(shù)也進(jìn)展了研究，分析型鋼比的影響，型鋼的屈服強(qiáng)度，軸向負(fù)荷水平，鋼管和混凝土強(qiáng)度對峰頂厚度對L加載SRCFST列。致謝本文的研究報(bào)告是由河南省重點(diǎn)學(xué)科基金資助編號(hào)：504906和河南理工大學(xué)博士基金b2021-2。金融支持高度贊賞。我們也很感謝審稿人提供的建議和意見，為稿件修訂。參考文獻(xiàn)1 Ehab Ellobody, Ben Young. D

17、esign and behaviour of concrete-filled coldformed stainless steel tube columns. Eng Struct 2006;28:71628.2 Mohamed Elchalakani, Xiao-Ling Zhao. Concrete-filled cold-formed circular steel tubes subjected to variable amplitude cyclic pure bending. Eng Struct 2021;30:28799.3 Uy B. Strength of short con

18、crete filled high strength steel box columns. J Constr Steel Res 2001;57(1):11334.4 Zhao DZ, Wang QX, Guan P. Research on load-bearing capacity of steel tubular columns filled with steel reinforced high-strength concrete subjected to compression and bending. Ind Constr 2005;35(9):8493.5 Zhu MC, Wang

19、 QX, Feng XF. Behavior of axially-loaded square steel tube short columns filled with steel-reinforced self-consolidating high-strength concrete. China Civil Eng J 2007;39(6):3541 in Chinese.6 Wang QX, Zhu MC, Feng XF. Experimental study on axially loaded square steel tubes filled with steel-reinforc

20、ed self-consolidating high-strength concrete. J Build Struct 2005;26(4):1421 in Chinese.7 Zhu MC, Wang QX, Liu SR, et al. Experimental study of centrally loaded square steel tubular slender columns filled with steel-reinforced self-consolidating high-strength concrete. J Dalian Univ Technol 2006;46(

21、6):8759 in Chinese.8 Guan P, Wang QX, Zhao DZ. Experimental study on ductility of circular steel tubular columns filled with steel-reinforced concrete. Earthquake Eng Eng Vib 2003;23(1):849.9 Hibbitt, Karlson & Sorensen Inc. ABAQUS/standard Users Manual, Version 6.4.1. Pawtucket (RI, USA): Hibbi

22、tt, Karlsson, & Sorensen, Inc.; 2003. .10 ACI. ACI 318-95. Building code requirements for structural concrete and commentary. Detroit (USA): American Concrete Institute; 1999.11 Saenz LP. Discussion of equation for the stress_strain curve of concrete by P. Desayi and S. Krishnan. J Am Concr Inst

23、 1964;61:122935.12 Hu HT, Schnobrich WC. Constitutive modeling of concrete by using nonassociated plasticity. J Mater Civ Eng 1989;1(4):199216.13 Mander JB, Priestley MJN, Park R. Theoretical stressstrain model for confined concrete. ASCE J Struct Eng 1988;114(8):180426.14 Han LH, Yao GH, Zhao XL. Tests and calculations of hollow structural steel (HSS) stub columns filled with self-consolidating concrete (SCC). J Constr Steel Res 2005;61(9):124169.15 ASCE. ASCE task committee on concrete and masonry stru