離心鋼管混凝土直桿抗彎承載能力參數(shù)分析

葉　芳，王為民，楊俊峰

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009；2. 安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥　230009)

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離心鋼管混凝土直桿抗彎承載能力參數(shù)分析

葉芳1,2，王為民1,2，楊俊峰1,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009；2. 安徽土木工程結(jié)構(gòu)與材料省級實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230009)

摘要：參考正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和極差分析的方法，運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件對離心鋼管混凝土直桿進(jìn)行抗彎性能有限元分析，以鋼管壁厚、混凝土壁厚和外徑3個因素作為分析參數(shù)，以抗彎屈服彎矩為抗彎承載能力分析對象，分析認(rèn)為，外徑是影響構(gòu)件抗彎承載能力的主要影響因素，且隨著鋼管壁厚和外徑的遞增，構(gòu)件抗彎屈服彎矩呈遞增趨勢，隨著混凝土壁厚的遞增則呈遞減趨勢。選擇合適的構(gòu)件尺寸，對生產(chǎn)良好抗彎性能的離心鋼管混凝土構(gòu)件具有借鑒作用。

關(guān)鍵詞：離心鋼管混凝土；抗彎屈服彎矩值；抗彎承載能力；正交試驗(yàn)；極差分析

0引言

離心鋼管混凝土直桿是將混凝土澆注在鋼管內(nèi)經(jīng)離心成型、蒸壓養(yǎng)護(hù)而成的空心組合構(gòu)件,在電力行業(yè)和建筑基礎(chǔ)工程領(lǐng)域都有較為廣泛的應(yīng)用。離心鋼管混凝土充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的優(yōu)良性能,是典型的彈塑性組合材料,所制構(gòu)件具有良好的抗彎、抗剪和抗震性能[1]。

有限元分析法是現(xiàn)代力學(xué)分析領(lǐng)域使用較多的計(jì)算分析方法,能夠提供大量的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息,ABAQUS軟件是目前應(yīng)用較為廣泛的有限元分析軟件,其豐富的材料模型庫和單元庫,能夠解決各種線性和非線性問題[2]。為了更好地探究離心鋼管混凝土構(gòu)件抗彎性能的影響因素,本文運(yùn)用ABAQUS軟件對環(huán)形截面的離心鋼管混凝土直桿建模并進(jìn)行有限元分析。

1有限元正交分析

1.1正交分析參數(shù)

本文參考正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法[3-4],對鋼材牌號為Q235B,混凝土為C80高強(qiáng)混凝土的離心鋼管混凝土直桿的抗彎承載能力進(jìn)行參數(shù)分析,以鋼管壁厚ts、混凝土壁厚tc以及外徑D為考慮因素,選用L9(34)正交表對有限元模擬方案進(jìn)行設(shè)計(jì),經(jīng)過因素水平的混合搭配,需建立9個不同規(guī)格的模型,如表1所列。

表1　模型規(guī)格　　　　　　　　　　mm

1.2材料本構(gòu)關(guān)系

圖1　Q235B鋼材雙折線本構(gòu)關(guān)系

對于內(nèi)襯混凝土,采用混凝土損傷模型,中南大學(xué)丁發(fā)興、余志武等學(xué)者根據(jù)損傷力學(xué)理論,將彈性模量損傷和能量損傷結(jié)合一體,基于混凝土單軸受力試驗(yàn)的數(shù)據(jù),整理得到混凝土損傷模型的計(jì)算方法[5-7],經(jīng)計(jì)算可得C80混凝土本構(gòu)關(guān)系及損傷演變趨勢如圖2、圖3所示。

圖2　C80混凝土本構(gòu)關(guān)系

圖3　C80混凝土單軸受力損傷演變趨勢圖

1.3有限元分析模型建立

運(yùn)用ABAQUS軟件對離心鋼管混凝土直桿進(jìn)行有限元分析的基本步驟如下:按照表1中的模型規(guī)格,將鋼管定義為中面處的三維可變形殼體,混凝土管定義為三維可變形實(shí)體;根據(jù)所選材料的本構(gòu)關(guān)系,輸入Q235B鋼材與C80混凝土的材料屬性,并將材料特性賦予對應(yīng)部件;將鋼管、混凝土管等部件實(shí)例化,裝配形成整體模型;創(chuàng)建分析步,并設(shè)置模擬需要輸出的結(jié)構(gòu)響應(yīng)值;定義各部件之間的相互作用關(guān)系,不考慮鋼管與混凝土之間的粘結(jié)滑移,在鋼管與混凝土管之間定義綁定接觸;設(shè)置模型的邊界條件,通過約束支座處的自由度來模擬簡支構(gòu)件,定義位移加載的位移值;對各模型的各個部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,定義不同部件所采用的單元類型,對于鋼管選用四節(jié)點(diǎn)有限膜應(yīng)變線性減縮積分殼單元,混凝土管選用三維八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元。為了避免由于存在沙漏數(shù)值問題而導(dǎo)致剛度過小的問題,在混凝土管徑向?qū)⒕W(wǎng)格劃分為4層。最終可以得到整體的模型,如圖4所示。

圖4　SC樁網(wǎng)格劃分

2有限元模擬結(jié)果分析

2.1抗彎承載能力的模擬結(jié)果

經(jīng)ABAQUS軟件計(jì)算的結(jié)果,可以繪制彎矩?fù)隙惹€如圖5所示。

圖5　正交分析彎矩?fù)隙汝P(guān)系曲線

由圖可知,離心鋼管混凝土直桿在彎矩作用下表現(xiàn)出良好的彈塑性特征,且在曲線上沒有明顯的屈服點(diǎn),參考抗震能力曲線彈塑性雙折線模型的簡化方法[8],采用通用屈服彎矩法計(jì)算得到各模型的屈服點(diǎn)的彎矩值,如表2所列。

表2　各模型的屈服彎矩值　　　　kN·m

2.2極差分析

本文通過計(jì)算每一因素在不同水平下的總響應(yīng)值K和平均響應(yīng)值k來分析問題,并根據(jù)各水平下的k值計(jì)算出因素水平對目標(biāo)的效應(yīng)極差,通過比較極差的大小來判定主次因素的順序,且極差越大,則該因素對指標(biāo)的影響越大。本文以構(gòu)件的屈服彎矩為響應(yīng)值,分別對鋼管壁厚ts、混凝土壁tc以及外徑D3個因素進(jìn)行單因素水平分析[9]。

根據(jù)表1及表2中的數(shù)據(jù)可以對各因素的水平和K、水平均值k及極差進(jìn)行計(jì)算如表3所列。

通過各因素的水平分析可知,在所考慮的因素水平內(nèi),鋼管壁厚、混凝土壁厚以及外徑的最優(yōu)水平組合為:ts=8 mm,tc=90 mm,D=800 mm。通過比較這3個因素的水平極差可以得到:R(D)>R(ts)>R(tc),根據(jù)極差分析的判定準(zhǔn)則可知,構(gòu)件外徑是影響其抗彎承載能力的主要因素,鋼管壁厚次之,混凝土壁厚的影響最小[10-12]。根據(jù)表3數(shù)據(jù),可以繪制各因素對構(gòu)件屈服彎矩的影響趨勢圖如圖6～圖8所示。

表3　極差分析計(jì)算表　　　　kN·m

圖6抗彎承載能力與鋼管壁厚關(guān)系圖

圖7　抗彎承載能力與混凝土壁厚關(guān)系圖

圖8　抗彎承載能力與管樁外徑關(guān)系圖

3結(jié)論

(1) 鋼管壁厚ts、混凝土壁厚tc和外徑D這3個因素對環(huán)形截面離心鋼管混凝土構(gòu)件抗彎承載能力的影響由大到小為:外徑D、鋼管壁厚ts、混凝土壁厚tc。

(2) 離心鋼管混凝土直桿的抗彎承載能力與各因素的關(guān)系如下:與外徑D近似呈超線性正相關(guān)的關(guān)系,外徑增加1倍,屈服彎矩值增加2.5倍左右;與鋼管壁厚ts近似呈線性正相關(guān)的關(guān)系,鋼管壁厚增加1倍,屈服彎矩值增加58%左右;與混凝土壁厚tc呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系,且隨著外徑的逐漸增大,樁身屈服彎矩值減小變慢。

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收稿日期：2016-03-25；修改日期：2016-03-28

作者簡介：葉芳(1990-)，女，安徽太湖人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生．

中圖分類號：TU398

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0172-03