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钢骨-方钢管高强混凝土组合长柱轴心受压力学性能

更新时间:2009-03-28

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钢与混凝土组合结构以其优良的力学性能广泛地运用在现代建筑结构中,钢骨-钢管高强混凝土组合柱是在钢管混凝土和钢骨混凝土的基础上提出的。钢骨-钢管高强混凝土组合柱是将钢骨插入到钢管内,然后浇注高强混凝土后形成的新型组合柱构件。同时钢骨-钢管高强混凝土组合柱兼有钢管混凝土和钢骨混凝土这两种组合结构形式的优点,同时钢骨-钢管高强混凝土组合柱具有较高承载力和良好的延性,可以作为承受荷载较大,抗震性能要求较高的建筑结构中的承重柱。由于外部钢管和内置钢骨对核心混凝土的约束作用大大改善高强混凝土脆性,拓宽了高强混凝土在建筑结构中的运用。因此,钢骨-钢管高强混凝土组合柱具有广阔的前景。文献[1-5]主要展开对钢骨-钢管混凝土组合柱的轴压以及偏压力学性能的相关试验研究,但目前对钢骨-方钢管高强混凝土组合长柱力学性能研究报道较少。为此,采用有限元软件对组合长柱轴心受压稳定承载力展开非线性分析,并且提出了轴心受压组合长柱承载力计算公式,同时基于组合切线模量理论对钢骨-方钢管高强混凝土组合长柱轴心受压稳定承载力进行理论分析。通过上述研究旨在为该类型柱的后续理论研究和工程设计提供相关建议。

长崎是日本九州岛西岸著名港市,长崎县首府。长崎位于日本的西端,与我国上海相隔仅800公里,自古以来就是沟通中国与日本的桥梁。长崎是日本锁国时代少数对外开放的港口之一,是一个交通枢纽城市。长崎市内的各式洋房、教会等都富有浓郁的欧洲情调。同时,由于历史原因与中国的长期往来,保留著浓厚的中国气息。

1 有限元分析模型

1.1 试件设计

笔者共设计16根钢骨-方钢管高强混凝土组合长柱轴心受压试件,试件短线后面的字母表示钢骨型号,其中,B,H,t,L分别为试件截面宽度、试件截面高度、方钢管壁厚和试件长度;试件长细比λ=L/B,配骨指标ρ=fsyAs/fck·Ac;套箍指标θ=ftyAt/fck·Ac,式中,fty,fsy分别为方钢管屈服强度和钢骨屈服强度;fck为混凝土轴心抗压强度标准值(其中fck计算方法参见文献[6]),fcu为混凝土立方体抗压强度标准值;At,Ac,As分别为钢管截面面积、核心混凝土截面面积和钢骨截面面积。截面形式和其他相关参数如图1和表1所示。

3.防控疫病。养猪户应改变“重治轻防”的思想,树立“以防为主”的观念,从养猪场选址、猪舍设计、程序化防疫、科学饲料配方等基础方面入手,最大限度地防止疫病的发生,同时以种猪疫病净化为重点,源头管理,彻底阻断疫病的传播途径。而一旦发生疫病,要做到及时隔离、准确诊断、合理用药,将损失减少到最低限度。

  

图1 试件截面形式Fig.1 Section form of specimen

表1 试件参数

 

Table 1 Parameters of the specimens

  

试件编号B(H)×t×L/mmfty/MPafsy/MPafcu/MPaρθλLC1-I10219×4.0×1095345345600.280.685LC2-I10219×4.0×1095345345700.240.595LC3-I10219×4.0×1095345345800.210.515LC4-I10219×4.0×1095345345900.190.465LC5-I14219×4.0×1095345345600.430.705LC6-I16219×4.0×1095345345600.530.705LC7-I10219×4.0×1095235235600.190.475LC8-I10219×4.0×1095390390600.320.775LC9-I10219×4.0×1095420420600.350.835LC10-I10219×4.0×1314345345600.280.686LC11-I10219×4.0×1533345345600.280.687LC12-I10219×4.0×1752345345600.280.688LC13-I10219×4.0×1971345345600.280.689LC14-I10219×4.0×2190345345600.280.6810LC15-I10219×4.0×2409345345600.280.6811LC16-I10219×4.0×2628345345600.280.6812

1.2 有限元模型建立

钢材采用二次塑流本构,即钢材的弹性段、弹塑性段、塑性段、强化段和二次塑流五个阶段本构关系模型。二次塑流本构关系模型计算原理如下:

观察患者术后恢复情况,包括手术时间(从麻醉开始到缝合),术中出血量,住院时间,术后肠胃功能恢复时间,术后并发症,术后6 h IL-6和hs-CRP表达情况,术后随访6~48个月统计并记录两组患者复发情况。

因此,从图7(a)可以看出,T4、T6、T21、T23、T24和T26测得的温度变化趋势与冷却液温度T22相似。与上述7条温度曲线相比,主轴箱的波动幅度较小。在进给系统,安装在电机上的温度传感器测得的温度较高。安装在导轨或立柱对称位置上的温度传感器具有接近的温度曲线。

 

(1)

其中,

照片中的咖啡馆在北爱尔兰曾是个舞厅。尽管它的年代要追溯到19世纪末期到20世纪初,但它的气质依然契合现代。我一直很喜欢这座建筑。

 

(2)

目前,国内外对钢骨-方钢管高强混凝土组合长柱力学性能的试验研究较少,文献[8]展开对钢骨-方钢管高强混凝土组合长柱轴心受压力学性能的试验研究,为了验证有限元分析模型的合理性,笔者选取其中三个典型长柱试件进行分析。有限元计算结果与试验结果比较如图2所示,从图2来看,有限元计算结果与试验结果吻合良好。具体试件的相关参数见文献[8]。

 

(3)

式中,x=ε/ε0y=σ/σ0;σ=;ε0=εc+800ξ0.2·10-6;其中为混凝土圆柱体抗压强度,取

核心混凝土受拉本构关系,本文计算时采用混凝土断裂能Gf表达的形式。混凝土断裂能Gf采用以下公式进行计算:

 

(4)

式中,α=(1.25dmax+10);dmax为粗骨料的粒径。

此时拉应力按下式计算:

 

(5)

在钢骨-方钢管高强混凝土组合短柱轴心受压承载力计算公式的基础上,通过回归分析得到钢骨-方钢管高强混凝土组合长柱轴心受压承载力计算公式,具体计算公式如下:

1.3 有限元分析模型验证

混凝土的弹性模量取0.2,对核心混凝土受压本构关系采用如下模型:

  

图2 试验结果与有限元计算结果比较Fig.2 Comparison between FEM and test results

2 有限元计算结果分析

2.1 破坏模态分析

移项变形后得:

活猪调运受限的局面在未来较长的时间内难以改变,猪肉调运或将逐渐成为趋势。活猪调运是导致疫情扩散的主要原因之一,如果活猪长期受限,短期内由于产地和销地不匹配、屠宰和养殖产能的不匹配,猪价的区域性差异将会持续;长期看,养殖和屠宰产能的分布将更加合理。

  

图3 试件破坏模态Fig.3 Failure mode of specimen

2.2 参数分析

随着混凝土强度等级提高,组合长柱试件弹性阶段刚度不断增长,组合长柱承载力不断提高(图4(a)),混凝土强度从C60提高到C90,组合长柱承载力提高27.3%。随着配骨指标提高,组合长柱承载力不断提高,但配骨指标对组合长柱试件在弹性阶段的刚度和弹塑性阶段后期刚度影响很小(图4(b)),配骨指标从0.28提高 0.53,试件承载力提高10.3%。随着钢材强度提高,组合长柱的承载力不断提高,但提高钢材强度对组合长柱试件初始刚度的影响很小,同时当钢材屈服强度超过345 MPa后,承载力提高幅度有所下降(图4(c)),钢材强度从235 MPa提高到420 MPa,组合长柱极限承载力提高25.1%。随着长细比增大,组合长柱的极限承载力和刚度不断减小(图4(d)),长细比从5增长到12,组合长柱试件极限承载力下降10.7%,说明这个长细比范围比长细比这个参数对组合长柱的承载力影响较小。从参数分析结果来看,钢材强度和混凝土对组合长柱承载力影响较大,而配骨指标和长细比相对影响较小。

3 钢骨-方钢管高强混凝土组合长柱轴心受压承载力简化计算公式探讨

钢骨-方钢管高强混凝土组合短柱轴心受压承载力计算公式,具体计算公式如下:

对玉米秸秆淀粉-聚乙烯醇薄膜抗拉强度和伸长率用加权法进行综合评分,两组指标各占50分,总分为100分。

Nu =fckAc (1+αθ+ρ)

(6)

式中,Nu表示组合短柱轴心受压承载力,α=0.58e-1.9θ+1.13。

  

图4 不同参数下荷载-侧向挠度曲线Fig.4 Load versus lateral deflection curve with different parameters

钢管、钢骨采用四节点减缩积分格式的壳单元(S4R),在壳单元的厚度方向,采用9个Simpson积分点。核心混凝土采用八节点减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R)。钢管和混凝土接触面界面模型采用库仑摩擦类型来模拟钢管与混凝土之间的切向力学行为,法向采用硬接触。对于组合长柱轴心受压采用千分之一柱长的初始挠度方法来考虑组合长柱的初始缺陷,按照偏心受压的方法来处理,约束柱底垫块加载线上XYZ三个方向平动自由度,然后在柱顶垫块设置偏心加载线,约束柱顶垫块XY方向平动自由度,沿Z方向进行加载,网格划分对于计算结果和计算时间影响很大,本文通过不断试算网格划分密度,最终确定合适网格划分密度。

 

(7)

 

(8)

式中,φ表示组合长柱稳定系数;通过计算得到所有试件的承载力计算结果汇总于表3和表4,式(8)的适用范围为混凝土强度等级为C60~C90,配骨指标在0.19~0.53,套箍指标在0.47~0.83,钢材强度等级Q235~Q420,长细比5~12。其中,为有限元计算所得组合长柱轴心受压承载力为试验所得组合长柱轴心受压承载力,为按照简化公式(10)所得组合长柱轴心受压承载力,为按照文献[8]中简化公式(1)计算所得组合长柱轴心受压承载力。

从表3来看,按照简化公式(8)计算结果与有限元计算结果比值的均值为0.991,均方差为0.017,文献[8]中公式(1)与有限元计算结果比值的均值为0.952,均方差为0.025。从表4来看,简化公式(8)与文献[8]的长柱试件的承载力比值的均值为0.963,均方差为0.033。文献[8]公式 (1)与文献[8]的长柱试件试验所得承载力比值的均值为0.906,均方差为0.017。从总体上看,简化公式计算结果与试验结果及有限元计算结果吻合良好且偏于安全。同时提出的组合长柱轴心受压承载力计算公式比文献[8]中给出的公式形式简单,而且简化公式(8)计算结果与试验结果及有限元计算结果吻合程度比文献[8]中公式(1)高。各种计算结果比较如图5所示。其中,为按照简化公式(8)所得组合长柱轴心受压承载力,为按照文献[8]中简化公式(1)计算所得组合长柱轴心受压承载力。

表3 简化公式计算结果与有限元计算结果

 

Table 3 Simplified formula calculated results and FEM

  

试件编号NFEMu/kNNcalu1/kNNcalu2/kNLC1-I103718.73641.33408.6LC2-I103988.23958.53585.5LC3-I104337.84271.34081.3LC4-I104670.44580.24351.0LC5-I103894.83850.23869.2LC6-I104044.83983.74009.4LC7-I103186.23079.73038.4LC8-I103878.13865.13773.5LC9-I103986.44013.23928.9LC10-I103682.33594.73490.8LC11-I103630.03558.93539.7LC12-I103598.03528.73388.7LC13-I103533.33502.13334.8LC14-I103457.83478.13278.2LC15-I103420.93456.03218.7LC16-I103321.73435.13155.8

表4 简化公式计算结果与试验结果比较

 

Table 4 Simplified formula calculated results and test results

  

试件编号Nexpu/kNNcalu1/kNNcalu2/kN文献[8]中L4L10-6376536233502文献[8]中L4L10-9372035303322文献[8]中L4L10-12341034623111文献[8]中L5L10I-9358533263160文献[8]中L5L10I-12324532622970

4 基于切线模量理论组合长柱稳定承载力分析

目前对于组合长柱的稳定承载力的理论研究,主要基于切线模量理论。采用切线模量理论计算压杆的稳定承载力,就是采用切线模量来代替材料的弹性模量[9]。笔者基于文献[10]的研究成果,基于切线模量理论对组合长柱轴心受压稳定理论进行分析。

两边同时积分得:

钢材在弹塑性阶段的切线模量计算公式如下:

 

(9)

  

图5 简化公式计算结果与试验及有限元计算结果比较Fig.5 Comparison between test(FEM) results simplified formula calculated results

式中,fy,fp分别表示钢材的屈服强度和比例极限;Es为钢材的弹性模量。

组合长柱破坏模态是由于组合长柱的中部产生较大的挠曲变形,同时伴随较大的局部屈曲变形,钢管的破坏模态类似于组合长柱整体破坏模态,核心混凝土中部截面产生较大的压应力,最终被压碎。钢骨由于中部产生较大的挠曲变形最终发生破坏。组合长柱试件整体及各个部件破坏模态如图3所示。

 

(10)

 

(11)

为保证给水泵在运转中不发生汽蚀,必须使泵吸入口压力具有高于饱和压力一定的富余压力值,该值称为装置的有效汽蚀余量,用 NPSHa表示。该值由给水泵吸入测管路、系统和装置决定,与泵本身无关,由下式求得:

 

(12)

同时方形截面回转半径(B为试件截面宽度),因此有长细比(l为试件计算长度);于是可以得到基于组合切线模量的钢骨-方钢管高强混凝土组合柱长柱稳定承载力计算公式:

 

(13)

核心混凝土在弹塑性上升阶段的应力-应变关系近似的取为:

 

(14)

式中,

 
 

εcc=1300+12.5fc(με)。

于是可以得到核心混凝土在弹塑性上升段的切线模量表达式为:

 

(15)

采用加权平均的方法来考虑钢骨-方钢管高强混凝土组合中长柱的组合切线模量,具体计算公式如下:

 

(16)

式中,为钢骨-方钢管高强混凝土组合切线模量为钢管切线模量为钢骨切线模量为核心混凝土切线模量;It为钢管截面惯性矩;Is为钢骨截面惯性矩;Ic为核心混凝土截面惯性矩;I为试件截面惯性矩。

以对硝基苯甲腈为原料、甲醇为溶剂、甲醇钠为催化剂、乙酸铵为胺化剂,合成了对硝基苯甲脒。通过傅里叶红外光谱确定了物质的结构,并通过实验确定了最佳合成工艺条件。研究了母液套用对产品收率及含量的影响,确定了母液套用不宜超过3次;在母液套用的基础上,分别研究了催化剂甲醇钠补充量、胺化剂乙酸铵减少量对产品含量、收率的影响,最终确定了母液循环套用时,催化剂补充量占投入量的55%~60%,胺化剂减少量占投入量的5%~7%。此实验为苯甲脒产品今后的工业化生产提供了有利的数据。

根据积分边界条件当ε=εp,σ=fp,可得积分常数两边同时取e的指数幂,于是可以得到:

 

(17)

由组合长柱发生弹塑性失稳时的平衡条件有:

N=(σtAt+σsAs+σsAs)

(18)

式中,N为钢骨-钢管高强混凝土组合长柱轴心受压承担的外部荷载;σt,σs,σc为发生弹塑性临界失稳时钢管、钢骨及核心混凝土的应力。

就私家收藏的敦煌文献而言,截至目前,已有石谷风《晋魏隋唐残墨》、启功《敦煌写经残片》、《务本堂藏敦煌遗书》、《成贤斋藏敦煌遗书》等四家藏品得以出版,为国内散藏敦煌文献的总目录增加了珍贵的新资料。

通过假定组合柱构件纵向应变ε,然后将其代入本构方程和切线模量表达式中,然后分别求出N,然后把作为迭代收敛的判定条件,如果则需要重新调整纵向应变值,具体计算思路如图6所示。根据图6计算原理采用matlab软件编写了非线性迭代程序。

1.3 土壤 北海市土壤母质多为砂质黏土、河流冲积物和海滨沉积物,土壤为砖红壤,土层厚、肥沃,保肥保水能力强,pH为5.5~6.5。

表5给出了几组典型试件基于组合切线模量理论的计算结果与有限元计算结果的比较,从表5来看,基于组合切线模量理论的计算结果偏于安全,其中,表示基于组合切线模量迭代计算结果。

5

本文通过对16根钢骨-方钢管高强混凝土组合长柱轴心受压非线性有限元分析与理论研究,主要得出如下结论:

  

图6 叠加切线模量理论计算流程图Fig.6 Flow chart of superposition tangent modulus theory

表5 切线模量计算结果

 

Table 5 Calculation results of tangent modulus theory

  

试件编号NFEMu/kNNtu/kNLC1-I103718.73502.2LC2-I103988.23787.5LC5-I103894.83719.6LC6-I104044.83843.4LC8-I103878.13719.5LC9-I103986.43864.3LC10-I103682.33517.4LC11-I103630.03469.2LC12-I103598.03472.0文献[8]中L4L10-637653626.4文献[8]中L4L10-937203614.5文献[8]中L4L10-1234103360

(1) 不同参数对组合长柱承载力有不同程度的影响,其中,混凝土强度、钢材强度对组合长柱承载力影响较大,配骨指标和长细比对组合长柱承载力影响较小。

(2) 随着混凝土强度等级提高,组合长柱强度指标并没有明显提高,但延性指标出现下降,配骨指标和钢材强度对组合长柱的强度指标无明显影响,但对组合长柱延性指标有较大影响,长细比对组合长柱强度指标和延性指标都有较大影响。

(3) 提出的简化计算公式计算结果与试验结果及有限元计算结果吻合良好。同时简化计算公式与其他相关公式相比,不但计算形式简单,而且具有较高精度。

(4) 组合切线模量理论可以较好预测钢骨-方钢管高强混凝土组合长柱轴心受压弹塑性稳定承载力。

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付占明,金松,徐亚丰
《结构工程师》 2018年第01期
《结构工程师》2018年第01期文献

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