T形型钢混凝土柱正截面强度研究

浙江大学硕士学位论文T形型钢混凝土柱正截面强度研究姓名：丁志浩申请学位级别：硕士专业：建筑与土木工程指导教师：陈鸣20050501浙江大学硕士论文T形型铡混凝土柱ⅡX由强度研究摘要近年来囤内型钢混凝土结构与异形柱结构的应用几渐广泛，大量的研究成果已经证明了这两种结构体系的优点和适用性。作为这两种结构体系的融合，即异形型钢混凝土异形柱结构体系，自然也就秉承了两种结构的优越性，同时较一般钢筋混凝土异形柱结构体系可明显提高延性和强度，应用前景很好，展开这一方面的研究既有理论意义又有实用价值。本文以国内现有的矩形型钢混凝土柱和钢筋混凝土异形柱单向偏心受压、双甸偏心受压下的正截面强度试验与研究成果为基础，尝试利用大型通用有限元软件ANSYS划卜述试验成果进行模拟与计算，验证ANSYS分析的可靠性和精度，并确定有关参数，为型钢混凝土异形柱分析做准备。利用ANSYS有限元软件完成了多组T形型钢混凝土构件在单向和双向偏心受压下的全过程非线性分析，得到构件的破坏形态、荷载位移曲线、极限应力应变和极限荷载等。根据分析成果，推导出T形型钢混凝士构件在单向偏心受压下的E截面强度计算公式和双向偏心受压下正截面强度的近似计算方法，与ANSYS计算结果进行的比较，表明其符合程度较好。最后对研究工作进行总结，对将来更进一步的研究提出了待解决的问。关键词：T形型钢混凝土JF截面强度有限元{丢如浙江入学硕士论文r形型钢混凝土柱正截血强度研究ABSTRACTIntherencentyearssteelreinforcedconcretestructureandspecial—shapedreinforcedconcretecolumnstructurearebeingappliedwiderthanbeforeinbuildingsinChina．Theirvirtueandapplicabilityalsohasbeenprovedbecauseoflotsofstudyachivementaboutthem．Steel—reinforcedconcretespecial-shapedcolumnstructure，anamalgamationoftheabovetwostructuresystem，willpossesstheiradvantagesnaturally,andwillobviouslyimproveductilityandstrengthofthespecial—shapedcolumnstructuresystem．Soitisimportantintheorystudyandpraticalusagetostudythesteel—reinforcedconcretespecial—shapedcolumnstructure．Inthisthesis，firstlytheexperimentaccomplishmentweretriedtosimulateandcalculatewithfiniteelementcommercialsoftwareANSYS，andacquiredareliableandpreciseresultsforthelatterstudy，basedonthecross—sectionstrengthexperimentandstudyaccomplishmentsofrectanglesectionSRCcolumnsandspecial—shapedRCcolumnsundereccentricloading．ThetotalevolutionnonlinearanalysisandstrongfunctionofANSYSalsoprovidedUSauniversalfacilityintuitionisticstudyt001．SecondlyfinishedthetotalevolutionnonlinearanalysisofseveralgroupofTshapedSRCcolumnsunderuniaxialandbiaxialeccentricloadingwithANSYS，andobtainedfailurefeature、load—defortncurve、1imitstressandstrain、limitloadandalso．Thenobtaineddesignformulaandapproximationdesignmethodofcross-sectionstrengthofTshapedSRCcolumnsunderuniaxialandbiaxialeccentricloading．ComparedthecalculationresultsusingtheabovedesignfomulaormethodwithanalysisresultsusingANSYS，theconformitydegreeiswell．Finally,someconclusionsweresummarizedandtheproblemsthatshouldbestudiedfurtherwereputforwardintheendofthearticle．KEYWORDS：tshaped；steelreinforcedconcrete；cross．sectionstrength：finireelement浙扛大学硕上论义r形型钟9混凝土拄TF截血强度研究第一章绪论§1．1型钢混凝土结构的特点、特性及应用1．1．1型钢混凝土结构的特点型钢混凝土结构是以焊接型钢或轧制型钢周围配置钢筋并浇筑混凝土组合构成的结构体系，其中型钢分实腹式和空腹式两大类。外包钢结构和钢管混搬土结构的钢材是外露的，而型钢混凝土的钢材则全部包在混凝土的内部。这种类型的结构在日本称之为钢骨钢筋混凝土结构(SteelReinforcedConcrete)在英美等西方国家称之为混凝土包钢结构(SteelEncasedConcrete)，在前苏联则称为劲性钢筋混凝土结构。1997年我国冶金工业部发布了《钢骨混凝土结构设计规程》(YB9082—97)[1I，2001年建设部发布了《型钢混凝土组合结构技术规程》(J6J138—2001)[2|，作为我国这一类型结构的设计指导。在近年的研究与应用中，型钢混凝土结构这一名称被国内广大学者所认可，凼此本文沿用这一称谓。最初人们将钢结构用混凝土包裹起来，其目的是防火和防腐蚀，后来的试验研究发现混凝土能与型钢共同工作，才真正形成了型钢混凝土组合结构这种结构体系。1920年加拿大学者Mackay开始研究在混凝士内埋置钢柱及在混凝土内埋置型钢的结构，研究其协同工作性能L3J。1923年，同本在日本兴业银行(地上七层、地下一层)图1—1日本兴业银行的粱柱断面浙江大学硕+论文T形型钢混凝上柱正截面强度研究的结构设计中采用了图卜1所示的柱、梁结构，是真正的型钢混凝土结构l4|。1963年美国在ACl318—63型钢混凝土柱设计公式中开始考虑了混凝土列柱承载力的贡献。经过近百年的研究与实践，广大专家学者对型钢混凝土的特点形成了以卜共识：1．受力合理，材料利用充分。型钢混凝土构件充分利用混凝土的抗压性能和钢材的抗拉压性能，钢筋混凝土与型钢形成整体，共同受力。因此型钢混凝十构件的承载力可以高出同样横截面的钢筋混凝土构件一倍以上，也就是同样承载力的构件，其截面尺寸可以减小，因而不会形成“肥梁胖柱”。2．稳定性好，抗风抗震性能良好。外包混凝土对型钢有较强的约束作用，可防止型钢的局部屈曲，提高型钢骨架的整体刚度和抗扭能力。型钢混凝土组合构件具有比钢筋混凝土结构构件更好的延性和耗能性能[4]，尤其是配置实腹型钢的型钢混凝土组合结构构件的延性性能、承载力、刚度更优于配置空腹型钢的型钢混凝土组合结构构件。因此，在强地震中，实腹式结构构件呈现出优良的抗震性能。在设计时，型钢混凝土组合结构的阻尼比略低于钢筋混凝土的结构，因而能使结构优化；此外，较小的结构自重也有利于高层建筑的减震与制振设计，通过设置消能机构减小地震反应，以达到明显的抗风、抗震效果。3．综合经济效益好与全钢结构相比，型钢混凝土组合结构可节约l／3的钢材，降低了造价，同时克服了钢结构易锈、耐火性能较差、需经常维护等缺点：与传统的钢筋混凝土结构相比，构件的截面尺寸更小，结构自重轻，可以增加使用面积，便于建筑灵活布置。型钢混凝土组合结构与钢筋混凝土结构相比，可节省60％左右的混凝土，减少了砂石料等用量，有利于生态和环境保护，虽用钢量有所增加，但由于其较钢筋混凝土结构自重轻20％左右[5I，对于高层建筑而言，明显降低2浙江人学硕十论文T形型钏混凝土柱正截面强度研究了地基纂础的费用。此外，梁截面尺寸的减小，可降低层高，从而减少结构总高，因此也降低了整个房屋造价。4．施工方便，施工周期较短。在建筑施工中，钢骨架可作为支架结构，承受构件自重和施工活载，因而大大减少支模的劳动力和材料：由于钢骨架自身的承载力，不必象钢筋混凝土结构待混凝土达到一定强度或龄期后方能进行上层施工，所以，施工周期比采用钢筋混凝土结构的短[6][7|。1。1。2型钢混凝土结构在国内的应用由于型钢混凝土结构的突出特点，国内于20世纪50年代初从前苏联引进型钢混凝土结构，如由前苏联设计我国施工的包头电厂的主厂房、鞍山钢铁公司的混铁炉基础，我国设计人员按前苏联规范设计的郑州铝厂的蒸发车间等，不过这令时期采用的都是空腹式型钢图1—2型钢混凝土梁截面形式混凝土结构，而且不加纵向钢筋和钢箍，其应用仅限于少数工业厂房和特殊结构，没有推广到民用和公用建筑中去。60年代后出于钢材紧缺而停止了型钢混凝土结构的使用。画画画囱画图1—3一般型钢藩凝土柱的截面形式浙“大学顺士论文T形型钢混凝{=柱ll：截面强度研究80年代后，型钢混凝士结构又一次兴起，在国内大量建筑工程中得到广泛使用，并分别于1997年和2001年由冶金工业部和建设部分别发布了《钢骨混凝土结构设计规程》(YB9082--97)和《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJl38—2001)。表1—1内含H型钢的型钢混凝土建筑概况[8]序号工程名称地点结构高度(111)或层数型钢混凝七应用位置l金茂大厦上海420．5梓Z森茂大厦上海20l外框架3京城大厦北京183．5柱4世界金融大厦上海189外框架柱5大连森茂大厦大连109框架，钢支撑6香格里拉饭店北京82．7框架7鸿昌大厦深圳218裙房梁8地王商业大厦深圳325核心筒9环球金融中心上海460柱10国贸大厦北京155．2框架11京广人厦北京208框架12赛特大厦北京26．2辆13湾厦海景公园深圳柱14发展中心大厦深圳165柱15亚洲大酒店深圳104．5柱16深圳铁路新客站东楼深圳54柱i7静安希而顿饭店上海144柱18瑞金大厦上海106．9耗19蔡屋丽商住深圳37层梓、梁20亮马河大厦饭店公寓北京20层(大堂3层)边廊梁(跨度20、30m)大堂2l勃海大酒店大连23层柱、托梁22燕莎中心旅馆北京村：23沈刚农贸市场沈阳3层粱24华强大厦深圳粱25天日宾馆上海18层柱26建设银行综合营业大太原粱厦27化_L=厂处理车间青岛96框架梁28煤仓仓项山东龙口30粱29化工，一盐水车间青岛3层主次粱浙江大学硕士论文T彤型钢混凝士柱J卜截由强度硎究30文锦广场大厦深圳109梁3l国贸综台大楼深圳柱32国际科技中心深圳柱注：免举上程未包括港、澳、台地区§1．2钢筋混凝土异形柱结构的特点、特性及应用1．2．1钢筋混凝土异形柱结构的特点、特性钢筋混凝土异形柱指的是除矩形、圆形以外的柱截面形式，如T形、十字形、L形等，仅由钢筋混凝土异形柱作为竖向构件组成的结构体系，称之为异形柱框架结构，它一般可用于多层住宅等。除此以外，异形柱结构体系还包括框架一斜撑及框架一剪力墙结构体系，可用于小高层或高层住宅。异形柱常用截面形式见图1—4。噬菪。图1—4异形柱的常用截面形式为了指导异形柱的设计与应用，部分省市各自编制了相应的技术规程，广东省于1995年颁布了《钢筋混凝土异形柱设计规程(DBJ／T15—15—95)》，天津市于1998年颁布了《大开问住宅钢筋混凝土异形柱框轻结构技术规程(DB2916—98)》，上海市亦于2001年批准施行《钢筋混凝土异形柱结构设计规程(DG／TJ08一009A一2001(试行))》。2003年12月，出台了中国行业《混凝土异形柱结构技术规程》(征求意见稿)。经广泛研究和实践，普遍认为异形柱结构具有如下优点和力学特性。浙江大学硕J’论文T形型铡混凝十柱正截面强度研究优点：l_由于采用与填充墙同厚的，J形、十字形、L形柱，可使室内不出现柱楞，改善建筑功能并使室内布置灵活，同时也一定程度上增加了使用面积。2，异形柱肢厚与填充墙等厚，墙体材料要求使用轻质材料，整体结构自重较轻，要求其平均白重不大于9．OKN／m2，从而使得异形柱框架结构具有良好的抗震性能。3．墙体采用新型轻质材料(如粉煤灰砖、加气混凝土砌块、板材等)，可以节约耕地，利用工业废料，减少污染，净化环境，具有良好的社会效益。虽然增加了施工难度，但扩大了使用面积，整体结构自重较轻，减少了基础造价，也体现了良好的经济效益。力学特点：1．由于截面的特殊性，使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异；2．对于长柱(H／h)4)可以不考虑剪切变形的影响，控制轴压比较小时，受力明确，变形能力较好，对于短柱(H／h<4)，剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降[9|：3．异形柱肢高肢宽比一般现有条文限制在不大于4的范围内，因此虽然较矩形柱而言柱肢较薄，但这样尺度比例的异形柱，并不满足薄壁杆件的基本条件，大量试验研究成果证实了异形柱的内力和变形性能具有一般杆件的特征[1O|。4．肢宽比较大时，异形柱剪切中心往往在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点处核心混凝土协调变形能力，这种变形协调往往使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，导致柱肢易先出现裂缝，也使得核心混凝土处于三向剪力状念，造成异形柱变形能力低，脆性破坏明显[9|。6塑坚盔竺堡!堡苎．!丝型塑堡塾±壁垩壁塑丝壁!堕1．2．2钢筋混凝土异形柱结构的应用近年来，随着国家住宅建设规模的不断扩大和住宅产业现代化大力推进，建筑的可持续发展和绿包建筑都提出了墙体改革的要求，从环保方面考虑而限制使用普通粘土砖，因此以前造价低廉的砖混结构的使用受到了限制。而异形杜框架结构由于其上节所述的优点，受到建筑师、房地产开发商以及广大用户的欢迎，在住宅建筑领域得到了普遍应用，尤以天津、广东、上海等较早出台异形柱设计规程的地市为甚。近年来其使用逐渐扩展到平面及竖向布置较为规则的宿舍建筑等，工程实践表明效果良好。随着行业标准的即将出台，其发展前景乐观。§1．3本文的主要工作从上文述及的型钢混凝土结构与异形柱结构的发展与研究可见，型钢混凝±结构与异形柱结构具有广阔的发展前景。而两种结构的融合，即异形型钢混凝土柱结构体系，自然也就秉承了两种结构的优越性，同时还提高了异形柱结构体系的延性。其单方造价相对较高的问题，在与工期、投资回收周期、使用面积、基础造价降低等因素综合考虑时，并不是决定性因素，有时丰富的建筑形式的要求又决定了这一结构的不可替代性【25l。因此相信随着国内经济的发展、建筑水平的提高、研究的深入，这一结构会有良好的前景。本文分析与研究的基础：国内外现有的矩形型钢混凝土柱和钢筋混凝土异形柱单向偏心受压、双向偏心受压下的正截面强度试验与研究成果。在对以上试验与研究成果对比与分析的基础上，利用大型通用有限元软件ANSYS对上述试验成果进行模拟与计算，验证ANSYS模拟获得的构件的应力应变发展、破坏形态、苟载位移曲线、极限荷载等与实际试验的符合性，并确定7浙江大学坝上论义T形型制混凝士柱正截l白i强度_c1'f究用ANSYS模拟分析的有关参数，为后续的型钢混凝土异形柱研究做准备，同时其全过程的非线性分析和ANSYS强大功能也为相关分析提供了通用、直观、有效的工具。最后分别对T形型钢混凝土柱在单向偏心受压、双向偏心受压情况下的正截面强度进行ANSYS全过程非线性分析，获得构件的应力应变发展、破坏形态、荷载位移曲线、极限荷载等。在此基础上推导得到T形型钢混凝1：柱单向偏心受压下的正截面强度计算公式，单偏受压下配钢率与极限荷载问关系，以及双向偏心受压下的正截面强度近似计算公式，供实际工程选型与设计参考。在总结了完成的工作后，本文提出了有待进一步研究的方向与目标，以提高完善这一课题的研究。浙江人学坝I论文T形型钢混糍土柱币截面强度研究第二章型钢混凝土柱正截面强度研究基础§2．1单向偏心受压型钢混凝土柱正截面强度基础2．1．1试验研究西安建筑科技大学至2001年先后完成了66个型钢混凝土柱的试验，其中在1990年做了一批12个配实腹型钢的单向偏心受压柱的试验，主要研究其正截面的受力性能。其主要变化参数为偏心距e。及长细比，研究其对单向偏心受压柱的应力、应变以及其它力学性能的影响。在通过长细比限定避免产生失稳破坏后，经研究型钢混凝土柱随偏心距e。的增大，在到达其极限承载力时与钢筋混凝土柱相同，也可分为小偏心破坏和大偏心破坏。其破坏形态描述如下：对于‰／h=O．1的柱，达到承载能力极限状态时，临界截面处于全截面受压状态，与轴压力较近侧的混凝土被压溃，型钢翼缘与钢筋均已达到屈服，型钢腹板达到受压屈服，距轴压力较远侧的型钢翼缘未屈服；e。／h=O_3的柱，达到承载能力极限状态时，临界截面处于拉压状态，受压区混凝土被压碎，受压翼缘及钢筋均己达到屈服，受压腹板部分屈服部分不屈服，受拉区混凝土出现一些裂缝，型钢受拉翼缘及腹板未屈服。e。／h=O．5的柱，达到承载能力极限状态时，受拉区混凝土具有很大裂缝，受拉钢筋与受拉翼缘均已达到屈服，而最后受压区混凝土已压溃而破坏，此时受压钢筋与受压型钢翼缘均已达到屈服，腹板则部分受压部分受拉，部分屈服部分尚处弹性阶段n¨。浙汀，I_=学碳J’论文T形型钢混凝土柱正截血强度训究图2—1单偏压下柱截面平均应变图2．1．2规范设计公式根据试验研究分析，《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJl38—2001)L2]对型钢混凝土柱计‘算做下列基本假定1．截面应变保持平面，实测截面平均应变参见图2-1。2．不考虑混凝土的抗拉强度；3．受压边缘混凝土极限压应变占。取0．003，相应的最大压应力取混凝士轴心抗压强度设计值正，受压区应力图形简化为等效的矩形应力图，其高度取按平截面假定所确定的中和轴高度乘以系数0．8，矩形应力图的应力驭为混凝上轴心抗压强度设计值：4．型钢腹板的应力图形为拉、压梯形应力图形。设计计算时，简化为等效矩形应力图形；5．钢筋应力取等于钢筋应变与其弹性模量的乘积，但不大于其强度设计值。受拉钢筋和型钢受拉翼缘的极限拉应变占；。取0．01。则内配实腹型钢的型钢混凝土柱单向偏心受压正截面承载力按下列公式计算眠0I、¨萨．∥o_一m∥|；‰艇少女／r弱浙江大学硕十论文T形型钢混凝土柱正截面强度Il}f究墨I壹吼’l==j．+一型‘I_I图2—2单向偏心受压柱的承载力计算非抗震设计：N|{^bx+{jYA：+{j，A《一o。A；一o-,,A《+N。Ne≤f。bx(ho—x／2)+LAS(ho—d。)+LA≥(ho一口。)+M。抗震设计：N曼=≥[Lbx+，：A。+，2AF一6；A。-o'．Aq+N。、，m。’。Ne≤÷[f,．bx(ho—x／2)+∥4：(^。一口：)+∥‘(ho一屯)+M。】y≈。其中e=班，+尝一口e，2eo+Pd当卤‰<1．25x，疋ho>1．25x时Ⅳ。=【2．5掌一(西+坑)It。hoLM。=【吉(42+嘎2)一(匹+以)+2．5孝一(1．25善)2】f。％2正当点^o<1．25x，疋ho<1．25x时Ⅳ～=(最一点Ⅺ。瓦￡浙江大学硕士论文1形型钢混凝土柱『F截面强度删究M。。=[1(8,2-G2)+(占：一点)】，。^。2／：受拉边或受压较小边的钢筋应力口。和型钢翼缘应力％’一J1按_卜列条件计算当x≤Gh。时，为大偏心受压构件，取仃，=凡，吒=无；当x>彘h。时，为小偏心受压构件，口。及盯。按下列近似公式计算铲南c毒一o．s，旷南c青-o-s，，0．8彘2—1—．．L+Ll_——2×O．003E，以下各式中最一型钢腹板上端至截面上边距离与ho的比值；疋一型钢腹板下端至截面上边距离与ho的比值；‰一型钢受拉翼缘和纵向纵拉钢筋合力点至混凝土受压边缘距离：k一型钢腹板承受的轴向力；M。一型钢腹板承受的轴向力对型钢受拉翼缘和纵向纵拉钢筋合力点的力距：叩一偏心受压构件；考虑挠曲影响的轴向力偏心距增大系数，取用参考规程：2．1．3单向偏心受压型钢混凝土柱的有限元分析2．1．3．1通用有限元软件AnsysAnsys是计算机辅助工程和工程数值模拟分析软件之一，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有12浙江火学顺士论文T形型钢混凝十柱一截卣强度1i)F究限元分析软件之一的美国ANSYS玎发，它能‘j多数CAD软件接口，实现数掘的共享与交换，如Pro／Engineer，NASTRAN，Alogor，t-DEAS，AutoCAD等，在工稃上的应用相当广泛。软件主要包括三个部分：前处理模块(Preprocessing)，分析计算模块(Solution)和后处理模块(Postprocessing)。三个部分内容简述如下：前处理模块PREP7提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户IIJ以方便地构造有限元模型，在PREP7中还需定义材料特性，边界条件及荷载条件等。求解模块SOLUTION中ANSYS软件提供的结构分析类型包括结构静力分析(可以进行线性和非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析)，结构动力学分析(瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析)，结构非线性分析(静态和瞬态非线性分析，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性)。后处理模块包括通用后处理模块POSTl和时间历程后处理模块POST26，以获得求解后的计算结果并对其进行显示，这些结果包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式有图形显示和数据列表两种。下图为一完整的进行结构的有限元分析流程图。浙江大学碗J二论文r彤型钢混凝土柱正截面强度讲究改进加边界条件加荷载条件加时间变化情况分析～j一—1分析结果研究、判断分析结果显示、打印题解决或得到最佳ANSYS前处理i}求解{后处理图2—3有限元分析基本流程2．1．3．2有限元分析西安建筑科技大学在完成的12个配实腹型钢的单向偏心受压柱的试验基础上，又通过Ansys对这12根柱进行了全过程非线性分析，对其荷载一位移曲塑垩查兰堕主丝兰!翌型塑堡堑圭壁垩垡亘塑鏖塑塑线、计算与试验结果进行了分析比较，见图2--4，表2—1。4囝2—4荷载位移曲线[12]表2—1计算与试验结果的对比[12]混凝十开裂荷载只，极限荷载Pm。“罅／试什编号只。(kN)厶(N／mm2)／极限荷载只。Pm。。m骑试验计算试验计算SRC—l—1227．8115013031．13SRC—l一1225．0O．570．417007101．01SRC——1——1230．10．280．215404820．89SRC—l—1630．111601281】1SRC一1—1625．00．770。3765070ll。08SRC—l一1627，80．23O．2I5254740．gSRC—l一2025．011001170106SRC一1—2027，80．540．376507021．08SRC一1—2030．10．34O．275204700．9SRC一卜2825．O120lSRC一1—2827，8O．46O．386006541．09SRC—l一2830．10．40O．3500450O．9注：由表2一l可得，ANSYS计算极限荷载与试验极限荷载比值的平均值为I．Ol，变异系数0．103。可见通过Ansys进行构件的有限元分析，获得的荷载一位移曲线、裂缝发展与扩散过程、极限荷载均与试验符合较好，能清楚地展示构件在受力过程的枷啪啪啪啪枷猢。浙江大学倾士论史1’形型钢混凝十杜Jr截面强度M究任。阶段各组成材料的工作状态，并能得出不同阶段的有关数据和图形。§2．2双向偏心受压型钢混凝土柱正截面强度基础2．2．1试验研究西安建筑科技大学至96年完成了28根双向偏心受压型钢混凝土柱的』F截面承载力试验。试验中16根柱发生压弯型材料破坏，12根柱发生失稳破坏，所有破坏区均发生在柱中央截面上下300mm处。对于材料破坏的构件，随着加载位置与按中心距离的加大，呈现与单向偏心受压情况相类似的破坏形态，描述如下：对于尸=40mm的柱(p为加载点与柱中心的距离)，一般在60％一80％破坏荷载时受拉区出现水平裂缝，且开展缓慢，当受压区角部混凝土压溃构件破坏时，第一批构件受压区角部钢筋及受压区距角部较近型钢达到抗压屈服强度，受拉区角部钢筋及型钢一般达不到抗拉屈服强度，第二批构件与第一批不同之处仅为冈角部受压钢筋屈服强度过高而达不到屈服；对于p=100mm的柱，当受压区角部混凝土被压溃时，受拉区角部钢筋及型钢可达屈服强度，受压区角部型钢办可达抗压屈服强度，受压区角部钢筋屈服情况同前述p；40mm的拄[1¨。由试验实测结果发现，在0。9、0．93破坏荷载之前，截面平均应变符合平截圈2—5Desc-2，8截面应变16浙江人学硕士论文T形型钢混凝十柱正截面强度研究面假定。图25为其中两个试件的破坏截面的应变分布图[13|。2．2．2规范设计公式与有限元分析《型钢混凝土组合结构技术规程》对于型钢混凝土柱双向偏心受压未提供设计公式。《钢骨混凝土结构设计规程》⋯中提出：承受压力和双向弯矩作用的角柱，其正截面受弯应满足下列要求，N蔓N：+N三M。sM葛?x+M：，IMysM蔷．y+M：．y上式中：M，，肘，——分别为绕x轴和y轴的弯矩设计值；Ⅳ：，Ⅳ：——钢骨部分承受的轴力和钢筋混凝土部分承受的轴力：M嚣，M善，，——分别为柱中钢骨部分绕x轴和y轴的受弯承载力，当有地震作用组合时，沿应计入抗震承载力调整系数y。。；M：，M：，，——分别为柱中钢筋混凝土部分绕x轴和y轴的受弯承载力，当有地震作用组合时，沿应计入抗震承载力调整系数y。。《钢骨混凝土结构设计规程》中还对钢骨和钢筋对称配置的矩形截面承受双偏压提供了简化的计算公式。但要获得准确解。般还需依赖计算机进行计算。目前资料未见有关型钢混凝土柱双向偏心受压情况下正截面强度的有限元分析资料。浙江人学硕Ij论文T形型钢混凝t柱J1碱向强度砌／5：第三章T形型钢混凝土柱单向偏心受压正截面强度研究由2．1．3所述可知，通过Ansys对型钢混凝土柱进行有限元分析能软得与试验吻合良好的结果，利用ANSYG来分析单向偏压T形型钢混凝士柱是可行的。本章通过Ansys对单向偏心受压下T形型钢混凝±柱作伞过程非线性分析，获得其极限承载力，验证其平截面假定，荷载位移关系等：依据非线性分析结果，结合矩形型锻混凝土规范公式给出适用于T形型钢混凝土柱的汁算公式，对计算公式计算结果和Ansys计算结果进行比较：分析了含钢率对T彤型钢混凝土柱单向偏心受压极限承载力的贡献。根据工程实际，T形柱在发生单向偏心受压时，一般其偏心位于T形柱的对称俪且。I‘牙轴位置，且偏心方向也处在对称轴的墙肢图3—1T形柱偏压方向(见圉3-1)，因此本文的T形型钢混凝土柱的单向偏心受压研究，其加载位置及方向均按此进行。§3．1T形型钢混凝土柱单向偏心受压有限元分析3．1．1有限元模型的取用3。1。1．1Ansys有限元模型型钢混凝土柱由混凝土、钢筋和型钢三种材料组成。对于混凝土与钢筋、浙江大学硕士论文T形型钢混凝土柱正截面强度研究型钢的组合，在Ansys中可以考虑如下[14]一、与钢筋的组合混凝土与钢筋组合是最常见的一种组合方式，一般说来，可供选择的方法有以下三种：1)整体式模型直接利用SOLID65提供的实参数建模，其优点是建模方便，分析效率高，但是缺点是不适用于钢筋分布较不均匀的区域，且得到钢筋内力比较困难。主要用于有大量钢筋且钢筋分别较均匀的构件中，譬如剪力墙或楼板结构。2)分离式模型，位移协调利用空间杆单元link8建立钢筋模型，和混凝土单元共用节点。其优点是建模比较方便，可以任意布置钢筋并可直观获得钢筋的内力。缺点是建模比整体式模型要复杂，需要考虑共用节点的位置。且容易出现应力集中拉坏混凝土的问题。3)分离式模型，界面单元前两种混凝土和钢筋组合方法假设钢筋和混凝土之间位移完全协调，没有考虑钢筋和混凝土之间的滑移，而通过加入界面单元的方法，可以进一步提高分析的精度。同样利用空间杆单元1ink8建立钢筋模型。不同的是混凝土单元和钢筋单元之间利用弹簧模型来建立连接。不过，由于一般钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土之间都有比较良好的锚圊，钢筋和混凝土之间滑移带来的问题不是很严重，一般不必考虑。二)与型钢的组合混凝土和型钢相组合时，由于型钢截面尺寸大，界面上剪力很大，且型钢界面一般较光滑，因此，型钢和混凝土之间位移不协调情况较钢筋与混凝土突出，一般需加以考虑。在ANSYS，有以下建模方法：19浙江夫学硕十论文T形型钢混凝士柱正截面强度蜘『究1)利用非线性弹簧单元Combin39Combin39弹簧单元可以很方便的设定界面上的剪力一滑移关系。并且有多种滑移模型可供选择，是一种很实用的界面单元形式。2)利用接触单元当混凝土和型钢表面可能发生脱离，界面上又没有设置剪力连接件的情况下，混凝土和型钢之间的接触就需要考虑。ANSYS软件内部提供了点与点接触，点与面接触，面与面接触等多种接触分析模型。因为在实际混凝土结构中，型钢和混凝土之间的脱开缝隙比较小，相对滑移也比较小，用空间点对点接触分析完全可以模拟二者之间的相互关系，而其效率和收敛速度都要高于其他的接触形式。3．1．1．2本文中有限元单元的取用本文在对型钢混凝土柱进行Ansys分析时各材料选用以下单元：混凝土Solid65，钢筋Link8，型钢Solid45。同时考虑钢筋与混凝土之间锚固良好，小考虑滑移影响，为获得钢筋内力，采用分离式模型。型钢与混凝土之间产生的脱离问题，设想可在实际工程采取构造予以一定程度地解决解决，即沿型钢柱高度方向设置足够数量的剪切件，同时从简化模型考虑，暂不考虑两者之间的滑移问题。关于各材料模型基本特性描述如下：1)Solid65单元Solid65单元[14]为Ansys提供的专门面向混凝土、岩石材料的三维八节点实体单元，单元有八个节点，每个节点在空间坐标上有三个自由度，分别沿着x、Y、z轴方向，单元在三个正交方向可以发生塑性变形、开裂和压碎，同时在So]id45单元基础上增加了针对混凝土的材性参数。单元几何特征如图3220浙江大学颅I：论文T形型钢混凝士柱正截面强度斜究所示。丌elrahedralOption图3-2Solid65的几何模型图表3_1SOLID65混凝土材料数据表常数含义各注1裂缝张开剪力传递系数．建议取值0．3’0．5，一般可取052裂缝闭台剪力传递系数建议取值1．03单轴抗拉强度4单轴抗压强度当变罱4被设为一1时表示混凝十无开裂(无压碎)5敢轴抗压强度如只输入前1—4项，则5—8项取默认值，如5—l6围压大小8项中给定了其中一项的值．则其余3项也必斋给7围压下双轴抗压强度出。8罔压下单轴抗压强度9拉应力折减系数当KEYOPT(7)=1时有效(默认为0．6)2)Link8单元Link8单元u5J为三维杆单元，三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，单元有两个节点，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系X、Y、z方向的平动。就像在铰接结构中的表现一样，本单元不承受弯矩。本单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能。LinklO则是一三维仅受拉或仅受压杆够一$浙江大学硕士论文T形型钢混凝二匕柱正截面强度训}究单元。单元几何特征如图3-3所示。图3-3Link8的几何模型图3)Soiid45单元Solid45单元[15]也为Ansys提供的三维八节点实体单元，单元由八个节点组成，每个节点在空间坐标上有三个自由度，分别沿着X、Y、z轴方向。此单元可以进行塑性、蠕变、应力硬化、大变形以及大应变分析。单元几何特征同图3—2。关于各材瓣本构关系、破坏准则取用如下：1)混撮土。混凝土材料可以使用以下本构关系：等强硬化模型(MultilinearIsotropicHardening)；随动硬化模型(MultilinearKinematicHardening)；Drucke卜Prager模型(DP模型)，DP模型在混凝土中为理想弹塑性模型。本文采用等强硬化(MISO)模型。混凝土的单轴受压应力一应变关系采用过镇海[16]建议公式，即rz≤ly5ax+(3—2d)x2+(6t--2)x3气l川y。赤上式中Y=盯／％，石=占／岛，％、岛分别为混凝土峰值应力、应变。公式浙江大学硕L论文T形型钢混凝土柱正截面强度研究f1各参数取值为：上升段参数a=2．0，下降段参数口=O．8，峰值应变氏=0．002。oh。Ⅲ。’图3-4混凝土单轴受压盯一s曲线混凝土的破坏准则采用(WilliamandWarnker1975)[17]准则，混凝士的三向破坏面如图3-5所示。其中％和盯。分别代表x和Y方向的非零主应力，i向破坏面投影在％一仃，平面上，破坏模式就成了关于口，的函数(z方向的t应力)a如果口，和盯，均为负(受压)，并且％为正(受拉)，开裂裂缝将由仃，柬控制。然而，如果a，为零或是负值，材料将被压碎。通过定义砼的极限受拉强度和受压强度，就可以确定混凝土在多向应力状态下的破坏准则，在混凝土单元中，当主拉应力在某个方向超出荷载破坏面时，就会出现开裂，开裂后，平行于主拉应力方向的弹性模量就变为零。当主应力均为压应力且超出荷载破坏面时，就会出现压碎，因而所有方向的弹性模量都变为零，单元失效。wj1lJamandWarnker的分析模型为五参数模型，五个参数一旦由试验确定，其破坏面可由口=0。和口=60。的两条子午线来表示，其子午线为二：次抛物线形式。五个参数为：单轴受压强度f(毋=60*J：>o)：单轴受拉强度一。(目=o。)：双轴受压强度．，之(目：o。，厶>o)；受拉子午线p=0。上的高压应力'1浙江人学硕士论文T形型钢混凝土柱芷截面强度研究点；和受压了，f二线上口=60。的高压应力点。aVp，CrackingftCrackin(ic————————一]彳店／f／／zp}o(Cracking)I(I杉：p=0(eric㈣／帐／”“忙”。≥∥2)钢筋与型钢O图3—5混凝土三向破坏面应受图3-6钢筋型钢应力应变曲线的数学模型钢筋与型钢材料可以使用以下本构关系：双线性等强硬化模型(BilinearIsotropicHardening)；双线性随动硬化模型(BilinearKinematicHardening)。本文采用双线性随动硬化(BKIN)模型，受拉和受压方向相同。此外，混凝土徐变、收缩等“时问效应”的影响因素较多，表现形式亦较浙江大学硕J?论文T形型制混凝土柱正截面强度州究为复杂，本文仅限于短期荷载作用下柱受偏压的分析。3．1．2建模及分网3．1．2．1建模进行分析的T形型钢混凝士柱尺寸、配筋如图3—7所示，小偏心和大偏心构件采用不同酉B筋和配钢。吕If●一I|IIg●一●_——SlI宕llIj目LL赶皿、。血j(适用小偏心)(适用大偏心)对上述T形柱进行l：l实体建模，根据不同偏心距，不同配筋、不同含钢率共分lO种不同情况，详见表3—2。磊戡㈣蓟。⋯浙扛人学坝￡论文T形型钢浞凝土柱Jf截面强度研究3．1．2．2分网对混凝土、型钢分网中选择六面体分网，以保证收敛。混凝土网格尺寸是影响计算精确度的重要因素，多项资料118]建议其单元尺寸应由混凝土粗骨料大小来控制，～般为其两到三倍；同时又由于由于So]ld65单元本身是基于弥散裂缝模型和最大拉应力开裂判据，因此在很多情况F会闪为应力集中而使混凝土提前破坏，从而和实际不相吻合，因此，在实际应用过程中应该对单元划进行有效控制，当最小单元尺寸大于5cm时，就可以有效避免应力集中带来的问题[14j。本次分析中取基本单元尺寸为50eraX50ramX50mm。参见图3-8。圈3电单向儡心受压T形型钢硷柱模型及边界条件3，1．3边界及加载3。j。3。j边界条件浙江人学颂P论文T形型钢混凝t柱iF截由强度删f宄1’形型铜混凝土柱在实际试验中压弯分帮．～般模拟成悬壁柱。在ANSYS分析中根据反弯点，考虑对称性，取】／2结构进行分析，减少了单元和节点数，J：ju快了运算速度。参见图3—8。3．1．3．2加载为了模拟试验中的通过钢帽加载的方式，并直接根据弹模把加载力分配给划分的4i同材料的单元，因此在T形柱上端增加一‘lOOmm高的柱体，把这部分拄体设为Sotid45单元，并定义其弼《度、强度为无限大。3．1．4求解模型的分析是非线性静力分析过程，非线性方程组的求解采用完全牛顿一拉普森法，用残余的力二范数控制收敛，同时为获得收敛，采用自适应下降段、线性搜索、自动时间步、打开预测等。3。，．5结果分析与研究通过对10种不同偏心距、不同含钢率的T形柱的全过程非线性分析，得到其极限荷载，见表3--2。T形型钢漫凝十牲萨截面强度柚}究图3—9T16c、1300构件破坏截面应力云图分析各试件在加载历程及达到各自极限荷载时的应力、应变状态，见图3—9，可分为大偏心破坏和小偏心破坏两种破坏形态。1．大偏心破坏：TlOc、T12c、T14c、T16c试件在达到各自极限荷载时受拉钢筋、型钢受拉翼缘及部分受拉腹板均达到屈服，受压区混凝土达到其极限压应力、压应变，受压区钢筋、型钢腹板端部达到屈服强度，符合大偏心破坏的破坏截面应力状况。2．小偏心破坏：T12a、T18a、T24a、T30a试件在达到极限荷载时截面处于大部分受压，部分受拉状态，受压区混凝土、钢筋及型钢腹板端部均达到屈服，而远离偏心位置的型钢翼缘及钢筋处于受拉状态，但均未达到屈服。从T30a、T16c构件破坏截面的应变图(图3一10)可见，在试件达到极限荷载时，由于分析中假定混凝土与钢筋、型钢问无粘结滑移，位移协调，因此其破坏截面应变也近似满足平截面假定。浙江大学硕士咤义T形型钢混凝土柱正截面强度研究图3—10T16c、T30a构件破坏截面应变构件荷载一位移曲线见图3—11，构件相关参数及ANSYS计算极限荷载见表3—2。T18j’向位移㈣T30ay向位移(“耐图3—11T12c、T16c、TlSa、T30a构件荷载位移曲线浙江大学硕士论文T形型钢混凝土柱正截面强度研究§3．2T形型钢混凝土柱单向偏心受压计算公式3．2．1基本假定根据完成的T形型钢混凝土单向偏心受压非线性分析结果，参考已有的一般矩形型钢混凝土柱单向偏心受压研究成果，同样可以作如下假定：(1)达到承载能力极限状态时，受压区边缘混凝土达到混凝土极限压应变值‰=0．003。(2)极限状态时，混凝土压应力图形折算成等效应力图形，其折算应力的极限值取五。(3)达到极限状态时，混凝土受压区应力为零。(4)在正常配钢的情况下，无论哪种破坏形态，与轴压力较近一侧的受压钢筋和型钢受压翼缘均能达到受压屈服强度。大偏心受压破坏时，受拉钢筋和型钢受拉翼缘均能达到受拉屈服强度。小偏心受压破坏时，远离轴压力一侧的钢筋和型钢可能受拉也可能受压，但其应力均小于各自的屈服强度。(5)在达到极限状态时，截面应变符合修正后的平截面假定。(6)混凝土受压区的折算高度xK真实高度‰的O．8倍。根据以上假定，可以得出小偏心破坏和大偏心破坏的界限，界限破坏时其图3—12界限破坏时的应变图浙江人学硕i一论文T形型!}}9混凝1’枉lF截面强度研究破坏截面的应变图形如图3-12所示。根据图：{一12所示的应变关系，可以得到界限破坏时的受压述高度为O，8(h—a。。)h5——了——～——堕．4-1O．003E，．,3．2．2小儡心受压柱的计算T形型钢混凝土柱在达到极限破坏状态时，受压钢筋和型钢受压翼缘达剑受压屈服强度，受压区混凝土被压碎而破坏，此时远离轴压力一侧的钢筋和型铡可能受拉也可能受压．其应力均小于各自的屈服强度，此种类型破坏称为小偏心受压破坏。小偏心受压极限状态时的应力应变如图3—13所示，小偏心受压破坏时，应满足x≥扎，当x≥h—h，时，根据力的平衡可得：Ⅳ=Lb(h～^，)+Lb，k一(^一_)】+∥4，+吒：4，+、‘r。(1．25x一“：一罢)1一coIA¨一盯。彳v一寺盯。r。(^一1．25x一Ⅱ。)(3．1)上式中gI=n003E，(hl，-zMa!I一1)盯，：=oJ00姬，(面as2i-h十1)‰-o．003瓦(急^1)对中和轴取矩，根据力矩平衡可得．v(班o+a-h+1．25x)=工6(h-hj)(1．25x一—h-ih—t)+兀6，k一(矗一吩)】．10．25x-+．掣]+∥如(1．25x-a．,3)．2J”⋯’浙}T。人学硕士论文T彤型钢混罐土柱正截面强度州究+o．003剐文{意+1)(1．25x-h+a,．2)+o．003E。A,I(锪_1)(^-1．25x-a,．I)+o．oo强。剐瓦h-i(I—1)(h-1．25x-a．．．．)+13oO．003E,：，t(镣-1)(¨25x枷。掣丢础．d2㈣z，以上各式中；d=o．435x(当采用0235钢时)叩——偏心矩增大系数，按《混凝土结构》7．3．10条取用，h按相同截面积相同惯性矩的换算矩形柱的矗取用；口——T形型钢柱的换算重心位置其它参数的含义参见图3～13。浙汀人学硕士论文T形型钢混凝斗柱lF截面强度研l￡盟．F—．1。1I[士]^“【nD∞一转L引麻变甚钢筋与混凝土应力型钢应力图3—13小偏心受压破坏应力应变图联立(3．1)式和(3．2)式可进行T形型钢混凝土柱的小偏一tl,受雎配钢设计、强度验算等工作。当X一≤x≤h—h，时，则只需对上式中混凝土受压部分进行调整即可。当X≥o．8h时，柱处于全截面受压状态，同样仿照以上应力应变分析和力、力矩的平衡，可获得二元方程组进行求解。3．2．3大偏心受压柱的计算T形型钢混凝土柱在达到极限破坏状态时，型钢受拉翼缘、受拉区钢筋先达到屈服，然后受压区混凝土被压碎而破坏，此种类型破坏称为大偏一tl,受压破坏。大偏心受压极限状态时的应力应变如图3一14所示。大偏心受压破坏时，应满足x≤Xb，根据力的平衡可得：N=f,．bx+f；A。+L，二(1．25x一盘：。一d)t。一-，j4。l一盯，2一，2一／_爿“33浙江大学顺L论文T形型铡混凝卜柱正截面强度_f{}f究一厶f。(h一1．25x—a。d)(3．3)上式中吒：=巨￡，：=。．。。3疋(垒警)对中和轴求矩，根据力矩平衡可得N(qe。+口一h+1．25x)=0．75f。bx2+／j4。3(1．25x一口：3)+．LA“(^一1．25x—d。J)+盯，2A,z(h一1．25x-a．2)十三六。，。(矗一1．25x—d。)2+i1氕f。(1．25x-a；，)2一j2厶玑(3．4)上式中各参数的含义同小偏心受压公式。二巨扣应变图钢筋与棍凝土应力型钢应力图3—14大偏心受压破坏应力应变图联立(3．3)式和(3．4)式可进行T形型钢混凝土柱的大偏心受压配钢设计、强度验算等工作。为保证大偏心受压时，T形型钢混凝土柱受压腹板端部达到屈服强度，根据3一14应变关系图，需满足以下条件x≥1．227a：,(当采用Q235钢时)34塾一，JⅫL杠≥一浙江大学硕士论文T形型钢混凝土柱正截面强度研究表3-2Ansys计算结果偏心极限荷载(KN)破坏t柱柱高砼含钢率距ANSYS公式公式计算形态编号(mm)等级(mm)计算计算／ANSYS计算Ta3200C30165175l小偏心未配置破坏型钢人偏心Tc3200C30551．8686破坏配置10厚大偏心T10c3200C3055438458270．98型钢，25％破坏T12a3200C30配置12厚170225319930．88小偏心型钢，破坏大偏心T12c3200C303．38％5547892861．50．97破坏配置14厚大偏心T14c3200C30555980896O。gl型钢，3．5％破坏配置16厚大偏心T16c3200C30555．41003928O．93型钢，4％破坏配置16厚小偏心T18a3200C30172241121690．9型钢，破坏配置24厚小偏心T24a3200C301734254023640．93型钢，6．7％破坏配置30厚小偏心T30a3200C30174．7280925610．91型钢，破坏依照以上公式进行了分析构件在小偏心受压、大偏心受压情况下的极限强度验算，并与hnsys分析结果进行了对比，详见表3--2。公式计算值与有限元分析值之比的平均值为0．924，变异系数为0．106。以上对比分析表明，本文提出的计算公式的计算结果与ANSYS计算结果吻合较好，具有较强实用性。公式计算所得极限荷载均小于ANSYS计算所得极限荷载，一方面是由于ANSYS模型建构中为简化模型，未考虑型钢与混凝土的粘结滑移，因此一般情况下，实际T形型钢柱刚度小于模型柱刚度，另一方面公式计算值小于ANSYS计算值，也说明利用本公式计算较安全可靠。浙汀人学坝J．论文T彤型钢混凝十柱正截面强度研究§3．3含钢率对偏心受压极限强度影响《型钏混凝土组合结构技术规程》中要求型钢混凝土梁柱中，受力型钢的配钢率不宜小于4％，也不宜