可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构稳定性研究

裴 欣

(六安职业技术学院，安徽 六安 237001)

0 引言

随着对城市结构稳定性和安全性标准的逐渐提升，采用双钢管混凝土作为建筑的主体材料成为未来建筑业发展的趋势，双钢管混凝土具有抗拉能力好和屈服应变能力强的特点，在建筑主体设计中具有广泛的应用价值。分析可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构稳定性，对提高建筑体的强度和负载能力方面具有重要意义[1]。对可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构稳定性结构设计是建立在对钢管混凝土结构的应力测试基础上，构建可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构稳定性设计的约束参量模型，结合受力参量估计方法进行钢管混凝土结构腐蚀损伤程度响应评估，控制可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构的抗拉能力[2]。提出基于结构动应变监测和屈服响应评估的可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构稳定性评估方法。进行可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构优化设计，建立轴心受压双钢管混凝土的强化模型参数估计模型，最后进行实验测试分析，得出有效性结论。

1 混凝土的荷载可靠性监测模型及可变荷载作用力分析

1.1 混凝土的荷载可靠性监测模型

为了实现可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构稳定性研究，首先构建可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土的荷载可靠性监测模型，基于等参元思想，考察实体单元间混凝土柱的受压状态特征量[3]，构建可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构的稳定性承载内力分布表示为：

(1)

式中，B(x)表示可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构的负荷几何变换矩阵，为：

(2)

其中，ξ∈[-1,1]，表示可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构的稳定性承载力学特征量，建立有限元模型进行预处理，分析线性插值分量和变形增量。在水平荷载作用下，在可行域Rd内分析可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构的剪应变特征量，采用波动方法得到受压双钢管混凝土结构的结构稳定性控制方程为：

(3)

上式中，ub表示可变荷载作用的位移约束边界，cs表示黏弹性边界的应力增量，取SCBRB 构件混凝土作为研究对象，当钢板未发生屈曲时，计算混凝土三维正交定角[4]，得到可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土的局部应力荷载为：

(4)

预先设定可变荷载的强度，得到轴心受压双钢管混凝土结构的荷载可靠性监测动态分布如图1所示。

图1 双钢管混凝土结构的荷载可靠性监测动态分布

1.2 可变荷载作用力分析

在构建可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土的荷载可靠性监测模型的基础上，采用线性动力分析方法进行可变荷载作用力分析，采用电阻式应变传感器进行受力参数采集[5]，建立多元线性回归模型进行钢管混凝土的结构稳定性评估，得到第n+1、n个采样节点中轴心受压双钢管混凝土的受压峰值计算过程为：

(5)

图2 轴心受压双钢管混凝土的抗拉有限元模型

根据图2所示的有限元模型，进行混凝土结构的弹性段极限压分析，得到双钢管混凝土的抗拉控制的线性化方程为：

(6)

考虑连接件的抗剪性能，得到阻尼状态参数为δ，δ与状态XRM,VRM,θp,ωp是互不相关的，用Ψ2(d2(t))表示双钢管混凝土的准静态分布矩阵L(Z2+Z3)-1LT与MT(Z2+Z3)-1MT的Bergmann核，由此判定可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土的结构稳定性[6]，判定方程为：

(7)

根据结构稳定性判别结果，实现可变荷载作用力分析，参考混凝土的模型非线性参数，采用反演递归和试验评估方法，进行可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构优化设计[7]。

2 轴心受压双钢管混凝土结构稳定性评估优化

2.1 混凝土的强化模型参数估计

在上述力学分析的基础上，提出基于结构动应变监测和屈服响应评估的可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构稳定性评估方法，采用反演递归和试验评估方法，进行可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构优化设计[8]，得到轴心受压双钢管混凝土结构平衡解满足：

(8)

采用参考点与加载面耦合的方式进行应力评估，得到可变荷载作用下轴心稳定的准静态分析模型为：

(9)

式中，z1,z2是转动自由度参数，y为载荷分离特征量，采用极限承载力控制方法进行可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构稳定性控制[9]，进行特征值屈曲分析，得到稳态控制方程为：

(10)

式中：

(11)

忽略构件的屈曲模态因素的影响，得到可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土的初始刚度[10]，混凝土试件的动能和弹性模量分别为：

(12)

V=MpgLcosθp

(13)

根据混凝土结构稳定性的约束条件，实现可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构优化设计，得到混凝土框架结构体系结构稳定性设计的收敛性评价规则如下：

(14)

根据稳定性判定条件，实现混凝土的强化模型参数估计。

2.2 双钢管混凝土结构稳定性测试建模

采用线性动力分析方法进行可变荷载作用力分析，参考混凝土的模型非线性参数，得到弹性模量、屈服强度de和fe。可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构推覆截面轴力表达式为：

s(x)=[N(x),M(x)]T

(15)

上式中，N(x)表示混凝土可能存在孔洞缺陷的变形增量，M(x)为稳定性应力作用下的屈服响应，构建可变荷载作用下轴心受压平衡方程，依据荷载-位移分布，得到可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土的应力状态增量：

(16)

上式中，Vt1表示可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构截面内力，Vu1表示最大弹塑性位移，ΔVt表示基础梁的连接的屈服机制，通过考察能量确定模型稳定性，得到混凝土抗拉强度为：

dt=dei+dpti

(17)

式中，dei为弹性比例应变限值，dpti表示钢筋弹性模量，根据应力-应变关系，得到轴心受压双钢管混凝土的结构稳定性增量：

(18)

综上分析，采用屈服应力推服响应控制方法进行可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构的稳定性的自动加载，建立动量守恒模型，结合结构动应变监测和屈服响应评估方法，实现混凝土结构的稳定性建模，模型结构如图3所示。

图3 受压双钢管混凝土结构稳定性分析模型

3 实验测试分析

为了测试该模型在实现可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构稳定性评估的实际效能，进行试件测试，测试中采用CAD/CAM数控测试平台进行可变荷载加载测试，采用ABAQUS有限元分析软件进行混凝土的结构稳定性的分析和有限元分析测试，设定混凝土弹性模型C1ε=1.44，弹性段极限压参数C2ε=1.92，裂缝宽度Cμ=0.09，切向应力σk=1.0，单元特征长度σε=1.3，得到混凝土框架结构体系的稳定性测试的参数分布值见表1。

表1 混凝土框架结构体系的稳定性参数

根据上述参数设计，结合混凝土抗拉强度进行结构稳定性测试，得到混凝土抗拉强度测试结果如图4所示。

分析图4得知，设计的可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构稳定性测试模型精确可靠；测试可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土应力状态分布，得到结果如图5所示，分析得知，该模型具有很好的混凝体结构应力测试能力。

图4 混凝土抗拉强度测试结果

图5 可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土应力状态分布

4结语

分析可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构稳定性，对提高建筑体的强度和负载能力方面具有重要意义，提出基于结构动应变监测和屈服响应评估的可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构稳定性评估方法。建立轴心受压双钢管混凝土的强化模型参数估计模型，根据混凝土结构稳定性作为约束条件，实现可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构优化设计，结合结构动应变监测和屈服响应评估方法，实现混凝土结构的稳定性建模。分析得知，设计的可变荷载作用下轴心受压双钢管混凝土结构稳定性测试模型精确可靠，具有很好的混凝体结构应力测试能力，在轴心受压双钢管混凝土结构优化中具有很好的应用价值。