高温后钢管钢骨混凝土组合柱轴压的稳定性

赵柏冬, 俞　萧, 陈培超, 许天成

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳　110044)



高温后钢管钢骨混凝土组合柱轴压的稳定性

赵柏冬, 俞萧, 陈培超, 许天成

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳110044)

摘要:利用ABAQUS有限元软件,选取温度和长细比为参量,对高温后钢管钢骨混凝土组合柱的轴压稳定承载力进行了模拟研究,得出了温度和长细比对组合柱受压稳定性的影响规律,并推导出高温后钢管钢骨混凝土组合柱的稳定承载力计算公式.

关键词:钢管钢骨混凝土; 轴压; 稳定性; ABAQUS

在结构的设计与施工环节中,柱子的稳定性一直是一个十分重要的问题,因为一旦发生结构失稳,结构的安全性将无法保证.结构失稳指的是在外力的作用下,结构的平衡状态已经丧失,只要有一定程度的外力,结构构件的变形就会突然增大,最终导致结构破坏.在结构使用过程中,若发生失稳问题,往往会造成结构坍塌,而且一般比较突然,后果十分严重,对人身财产安全危害极大.因此,进行钢管钢骨混凝土结构构件高温后的稳定性研究十分必要.

1温度对不同长细比组合柱承载力的影响

为了研究温度对钢管钢骨混凝土中长柱承载力的影响,本文利用ABAQUS有限元软件对钢管钢骨混凝土中长柱分别进行试件在20、300、700以及900 ℃作用后的组合柱承载力模拟分析[1].试件尺寸如表1.

表1　构件参数

通过对表1中的构件进行模拟分析,得出如图1所示的柱的承载力-位移关系曲线.

对比图1a与图1b得出:高温作用后,组合柱的极限承载力均随着温度的升高而下降,且弹性阶段的斜率在逐渐减小.这就表明温度越高,组合构件的弹性模量也就越小,并且当达到极限承载力时,所对应的跨中挠度也随着温度的增加而增大.其中20 ℃的曲线和300 ℃的曲线对比,可以看出承载力下降的幅度不大,这与国内外学者取得的研究结果一致.相关文献表明,高温后混凝土的抗压强度随着试件经历过的最高温度的增大而降低,但在300 ℃以内变化不大.这是由于随着温度的升高,在升温的过程中混凝土材料的内部受到了损伤,但在高温作用后降温的过程中,由于材料是从外部先开始降温,而内部则仍然保持着较高的温度状态,核心混凝土内部和外部形成一个梯度相反的不均匀温度场,从而使核心混凝土的内部出现新的损伤,因此降温后的强度比高温时的强度又有所下降.所以在高温作用后,内部核心混凝土相当于经历了两次损伤.与此同时,在高温作用下水泥石中的Ca(OH)2脱水生成的CaO再重新与水反应生成Ca(OH)2,导致核心混凝土体积增大发生膨胀,从而加剧了核心混凝土内部的破坏.从图1a、图1b中各个温度的极限承载力对比情况来看,随着温度的升高,长细比λ=40的组合柱的极限承载力下降趋势要比长细比λ=28的下降趋势要大,可见长细比对其承载力的影响十分明显.

图1　不同温度下柱的承载力位移曲线

2钢管钢骨混凝土柱轴压稳定公式推导

对于长细比很大的长柱而言,其破坏是由于弹性失稳所致,其破坏时的纵向应变属于弹性范围内,极限载荷由Euler公式确定.而对于长细比较小的短柱,其破坏模式是由于内部核心混凝土被压碎,外部钢管在双向应力作用下屈服,同时内部钢骨达到临界载荷所致.

对于钢管钢骨混凝土长柱的承载力计算方面,本文所采用的方法是在轴压短柱承载力N0的基础上,通过引入稳定系数φ(即承载力折减系数)来确定长柱的稳定承载力.

在确定φ值的过程当中,国内外学者提出了不同的计算方法.Virdi和Dowling通过引入相对长细比的概念,使轴压钢-混凝土组合柱的屈曲曲线与轴压钢柱的屈曲曲线取得一致,已被欧洲的EC4、英国的BS5400以及美国的AISC-LRFD规范所采用.在国内,文献[2-4]通过对大量组合柱试验结果的回归分析,分别得出了计算钢管混凝土柱和钢骨混凝土柱稳定系数的经验公式;文献[5]则采用切线模量理论并且结合试验结果提出了计算钢管混凝土柱稳定系数的半经验公式;而文献[6]采取对理论计算结果进行拟合的方法得出了计算钢管混凝土柱值的计算公式.以上国内文献给出的计算值的公式大都是针对钢管混凝土或钢骨混凝土的,不能直接用于钢管钢骨混凝土的计算.

组合柱的相对长细比

(1)

式中:λ为柱子的长细比,L0为柱子的计算长度;λc为柱子的Euler临界载荷,等于N0时的长细比;Lc为与柱子的Euler临界载荷相对应的临界长度.

根据相关资料对钢骨混凝土构件和钢管混凝土构件抗弯刚度的规定,钢管钢骨混凝土组合柱在正常使用极限状态下的抗弯刚度

(2)

式中:β为混凝土刚度折减系数,暂时按相关文献[7]取值0.6,则Eular临界载荷

(3)

由公式(3)与N0联合,可以推出

(4)

将式(4)代入式(1)可得

(5)

(6)

由式(6)计算出的φ值代入式(7),即可求出不同温度作用后组合长柱的轴压承载力

(7)

将式(7)求得的高温后构件的稳定承载力与ABAQUS模拟的承载力进行比较,见表2.

表2　计算结果与模拟结果的对比

3结论

(1) 长细比对钢管钢骨混凝土柱的承载力影响随着温度的升高而增大.

(2) 当试件经历温度低于 300 ℃时,钢管钢骨混凝土柱的承载力随温度变化较小;当试件经历温度高于300 ℃时,钢管钢骨混凝土柱的承载力随温度的增高而降低.这是因为在300 ℃以内时,混凝土的强度损失较少,而钢材的力学性能在降温后又基本能得到恢复.

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(Wang Bing, Wang Lianguang, Liu Xiao. Calculation of Bearing Capacity for Steel Tube Filled with Steel-Reinforced Concrete Subjected to Large Eccentric Compression Load[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University: Natural Science, 2009,25(4):712-716.)

[7] YB9238-92钢-混凝土组合楼盖结构设计与施工规程[S]. 1992.

【责任编辑: 祝颖】

(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

中图分类号:TU 375.1

文献标志码:A

作者简介:赵柏冬(1962-),男,辽宁沈阳人,沈阳大学教授.

文章编号:2095-5456(2015)02-0151-04