纯扭作用下型钢混凝土构件极限承载力计算.pdf 5页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn纯扭作用下型钢混凝土构件极限承载力计#算*刘继明，胡贻斌，吴成龙，李得生，张保涛5（青岛理工大学土木工程学院，青岛266000）摘要：基于强度叠加理论和变角度空间桁架模型，对型钢混凝土构件极限承载力进行理论推导以及对数值结果的回归分析，首次提出了极限承载力计算公式的修正系数。通过将修正前、修正后的计算值与数值模拟值（试验值）进行对比分析，最终验证了修正系数的准确性以及10修正后极限承载力计算公式的合理性。关键词：型钢混凝土试件；纯扭作用；极限承载力。中图分类号：TU398CalculationofUltimateBearingCapacityofProfileSteel15ConcreteSpecimensUnderPureTorsionLIUJiming,HUYibin,WUChenglong,LIDesheng,ZHANGBaotao(SchoolofCivilEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity,QingdaoChina266000)Abstract:Basedonthestrengthsuperpositiontheoryandvariableanglespacetrussmodel,theultimatebearingcapacityofprofilesteelconcretememberswascarriedouttheoreticalderivationand20theregressionanalysisofnumericalresults.Thecorrectioncoefficientoftheformulaforcalculatingultimatebearingcapacityisputforwardforthefirsttime.Bycomparingthecalculatedvaluesbeforeandafterthecorrectionwiththenumericalsimulationvalues(testvalues),Finally,theaccuracyofthecorrectionfactorandtherationalityoftheformulaforcalculatingtheultimatebearingcapacityareverified.25Keywords:ProfileSteelConcreteSpecimen,PureTorsion,UltimateBearingCapacity0引言目前，国内外对于型钢混凝土的受扭承载力的计算理论还处于发展阶段，理论成果还不[1]多，比较经典的是文献中的计算方法，型钢混凝土试件的受扭承载力采用的是叠加法计算，30将型钢混凝土试件分成型钢和钢筋混凝土两部分，分别计算型钢和钢筋混凝土的受扭承载力，然后将两者叠加得到了型钢混凝土的承载力。计算原理示意图见图1。图1计算原理示意图图2型钢混凝土计算原理示意图Fig.1SchematicdiagramofcalculationprincipleFig.2Schematicdiagramofcalculationprincipleofsteel35reinforcedconcrete对于纯扭作用下的型钢混凝土试件的承载力计算，日本规范中提及的叠加方法存在着不足，没有考虑到型钢和混凝土之间的相互作用对抗扭承载力的影响，本文基于传统的变角度空间桁架模型叠加法，将型钢混凝土等效为箱型钢筋混凝土和钢管混凝土的叠加，研究这种基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20133721110004)作者简介：刘继明（1963-），男，教授，博导。主要从事钢筋混凝土复合受力问题及结构抗震性能研究.E-mail:Liujm63@163.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn叠加方式的准确性，计算示意图如图2所示。40本文将通过有限元软件ABAQUS，设计11个模型试件进行非线性分析，模型试件信息见表1所示。同时，基于钢筋混凝土构件、型钢混凝土构件以及钢管混凝土构件的抗扭理论，结合数值模拟，分别对中空和中密的型钢混凝土构件的极限扭矩进行理论推导，在考虑型钢和混凝土之间的相互约束作用的基础上，提出修正系数。表1试件信息表45Tab.1Specimeninformationsheet分组试件编号型钢形式型钢尺寸（mm）试件内部SRC-1（标准件）矩形型钢120x120x6密实1SRC-2矩形型钢90x90x12密实SRC-3矩形型钢150x150x4密实SRC-5矩形型钢120x120x6中空2SRC-6矩形型钢90x90x12中空SRC-7矩形型钢150x150x4中空1中空型钢混凝土构件极限扭矩的计算在文献[2]的试验中，对比了同截面尺寸、配筋量的箱型钢筋混凝土和中空的闭合矩形型钢混凝土构件的受扭性能，试验研究表明在纯扭作用下两种构件在达到极限扭矩时，矩形型钢混凝土的扭率要明显大于箱形截面钢筋混凝土构件的扭率，结果表明加入型钢的构件抗50扭性能有了明显的提高。中空型钢混凝土构件的抗扭承载力由型钢部分和钢筋混凝土部分各自的抗扭承载力叠加求得，极限扭矩的计算公式为：TTT=+ϕ（1）srcrc0sϕ为考虑外部混凝土对型钢的约束作用的修正系数，主要与型钢的高厚比ρ有关，在0hl[3]55有限元模型数据回归分析的基础上，得到了ϕ的表达式：02ϕρ=+0.7860.0222−0.000527ρ（2）0hlhl式中，T—含矩形钢骨中空型钢混凝土的极限扭矩；src—钢筋混凝土部分承担的扭矩；TrcT—矩形型钢承担的扭矩。s601.1箱型钢筋混凝土构件极限扭矩T的计算rc箱型钢筋混凝土在极限状态下的抗扭承载力采用文献[4]提供的计算公式：AA+slc1orTf≤+0.35αζWf1.2（3）rcnttyvs-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnζ其中，—受扭的纵向钢筋与箍筋的配筋强度比值；Acor—剪力流中心线包围的面积，即核心面积；A65sl1—受扭计算中沿截面周边配置的箍筋单肢截面面积；s—受扭箍筋间距；fyv—受扭箍筋的抗拉强度设计值；ft—混凝土抗拉强度；Wt—截面受扭塑性抵抗矩；2.5tw70α—为箱形截面壁厚影响系数，α=，当α>1.0时，取α=1.0。nnnnb1.2闭合矩形型钢对极限扭矩的贡献Ts根据ABAQUS有限元分析，对于处于极限状态下的中空的矩形型钢混凝土构件，型钢壁内的剪应力已经达到了屈服强度，然而翘曲正应力还没有达到其屈服强度，另外文献[5]也提及对于等厚等边多边形的空心截面扭杆不计其翘曲。所以本文应用下式计算闭合矩形型75钢对极限扭矩的贡献：（4）TfttAt=+=()2Afsyvfwyv式中，—型钢的剪切屈服强度；fyvt—矩形型钢的壁厚；—型钢的腹板厚；tw80—型钢的翼缘厚；tfA—型钢壁厚中心线所包围的面积。将公式（3）、（4）代入公式（1）得：AA+sl1corTf≤+0.35αζWf1.2+ϕ2tAf（5）srcnttyv0yvs2中密型钢混凝土构件极限扭矩的计算85根据ABAQUS有限元分析的数据表明，矩形型钢内部填充混凝土能够提高型钢的抵抗局部屈曲的能力，考虑内部混凝土对型钢的约束作用，中密的型钢混凝土构件的极限扭矩可视为由箱形截面钢筋混凝土的极限扭矩和方钢管混凝土构件的极限扭矩的叠加。TTT=+ϕ（6）srcrc1sϕ为考虑混凝土与型钢之间相互作用的修正系数，主要与型钢的高厚比ρ和约束范围1hl[3]90面积比ρ有关，在有限元模型数据回归分析的基础上，得到ϕ表达式：a12ϕρ=+1.50.0601+0.35ρρ−17.8ρ−0.00118ρ（7）1hlhlaahl-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn式中，ρ为矩形型钢边长与壁厚之比；hlρ为矩形型钢内部混凝土截面面积与构件截面面积之比。a对于箱形截面钢筋混凝土的极限扭矩，根据变角空间桁架理论和有限元数据分析，仍采95用公式（式1-3）计算。由于型钢内填充有混凝土，很好的防止型钢内凹屈曲，所以可以采用矩形钢管混凝土的承载力计算公式，本文中钢管混凝土抗扭承载力的计算公式采用的是文献[2]基于“统一理论”提出的计算公式：yvTW=γf（8）sTscsc100yv1.5y其中，ff=+(0.3850.25αζ)0.125scsscγζζ=−0.4701+1.8913Tfyζα=sfck式中，ζ—套箍系数；yvf—钢管混凝土抗剪强度；sc105W—钢管混凝土抗扭模数；scf—钢管混凝土屈服强度；yf—钢管混凝土抗压强度标准值；ck将公式（3）、（8）代入公式（6）得：AAsl1+coryvTf=+0.35αϕW1.2f+γWf（9）srcnttyvs1Tscsc1103极限扭矩的数值模拟与修正公式对比分析表2为极限扭矩数值分析值与修正值的对比。由表可知，修正前的叠加值与数值分析值最大误差为1.14。在加入修正系数后，修正值的精度有了很大提高，说明对修正系数的取值相对合理。本文中选取文献[6]中的一个T07构件进行验算，叠加值与试验值误差为0.98，加入修正系数后，修正值和试验值的误差比值提高到0.99，进一步验证了修正系数的准确性115以及修正公式的合理性。表2极限扭矩数值分析值与修正值对比Tab.2Comparisonofnumericalanalysisandcorrectionvalueofultimatetorque箱型钢筋混凝土部型钢部件的抗扭叠加值修正值T数值分析值件的极限扭矩贡献值TTT"=+srcTT"/构件编号Trcsrcrcssrc(KN·m）T(KN·m）T(KN·m)(KN·m)s(KN·m）SRC-115.4744.3559.8252.2952.261.14SRC-216.2823.4439.7243.2343.30.92-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnSRC-314.6443.8758.5160.5760.90.96SRC-515.4731.0646.5347.1347.10.99SRC-616.2829.0845.3643.1243.11.05SRC-714.6433.9748.6144.4544.41.0968.31（试验T0717.4249.5666.9867.560.98值）4结论（1）在理论推导和数值回归分析的基础上，首次提出了极限扭矩计算公式的修正系数120ϕ、ϕ。通过对比分析，最终验证了修正系数的准确性以及修正后极限承载力计算公式的01合理性。（2）鉴于修正后承载力计算公式是基于他人试验构件的试验值进行验算对比，验证了修正系数的准确性，但此参数适用范围需要后期更多的试验数据来进一步分析确定。[参考文献](References)125[1]冯乃谦,叶列平,杨静译.钢骨钢筋混凝土结构计算标准及解说[S].北京：原子能出版社,1997.[2]王素裹,韩小雷,季静.ABAQUS显式分析方法在钢筋混凝土结构中的应用[J].科学技术与工程.2009,9(16):92-96.[3]HusHL,LiangLL.Performanceofhollowcompositememberssubjectedtocycliceccentricloading[J].EarthquakeEngineeringandStructuralDynamics,2003,32(1):443-461.130[4]钟善桐.钢管混凝土结构[M].北京：清华大学出版社,2003.[5]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.[6]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.-5-'