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圆钢管混凝土柱侧向偏心冲击的动力仿真分析

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文章编号:100926825(2007)0720103202

圆钢管混凝土柱侧向偏心冲击的动力仿真分析

收稿日期6228作者简介刘亚玲(62),女,助教,中北大学理学院力学与土木工程系,山西太原　35刘亚玲

摘　要:通过对不同钢壁厚度的钢管混凝土构件以及对同直径混凝土构件的冲击模拟,分析了钢管约束效应系数对构件

变形和冲击抗力的影响,比较了钢管混凝土与混凝土两种材料构件在抗冲击能力方面的差异,表明有限元分析软件在模

拟复杂问题尤其是对钢管混凝土这种不易看到内部破坏过程材料的模拟方面具有极大的优越性。

关键词:钢管混凝土,侧向冲击,有限元法,临界冲击能量

中图分类号:TU375.3文献标识码:A

引言

钢管混凝土因其承载力高、塑性和韧性好、施工方便、经济等

一系列优点,在近十余年来,被越来越广泛地应用于工业厂房、高

层和超高层建筑、桥梁和地下结构等许多建筑。钢管混凝土和其

他混凝土结构一样,在役期间,不可避免地要受到意外撞击,作为

结构的重要部件,对其耐撞性能的研究具有十分重要的意义。

一般讲,有3种分析方法常被用来判定构件的耐撞性能:1)

足尺撞击实验;2)缩比实验;3)非线性动态有限元模拟。

广泛被接受的方法是足尺撞击实验,但费用太昂贵,而且分

析人员无法完全控制实验条件。而且对钢管混凝土耐撞性能的

分析涉及到动态加载、非线性材料失效等方面的因素,理论分析

比较困难,且由于钢管的包裹,在实验中很难断定钢管内部混凝土的受力及破坏情况。然而,现代计算机技术的发展为人们提供

了一个在计算机上模拟内部混凝土受力及破坏的可能,并可以根

据计算结果来讨论结构耐撞性能以及如何调整参数以充分发挥

材料的性能。

1　有限元模型的建立

钢管混凝土的冲击有限元模型如图1所示。

文中采用美国LIVEMORE软件公司开发的LS2DYNA动力

有限元分析软件进行动力仿真分析。采用三维实体建模的方法,单元类型选取体单元(SOLID164)。外部钢管本构关系选用LS2

DYNA中的材料Material3,PlasticKinematic模型,材料密度为

7865kg/m3,弹性模量为200GPa,泊松比0.27,强度参考美国

1018钢材设定其屈服强度为310MPa,屈服后强化模量为

763MPa,由于涉及到断裂分析,所以选用参考文献[2]中的系数,把钢材的断裂失效塑性变形为5%。混凝土材料本构关系依然使

用Material3,PlasticKinematic模型,材料密度为2500kg/m3,弹

性模量为30GPa,泊松比为0.2,屈服强度为30MPa,屈服后强化

模量为0,混凝土材料的断裂失效塑性变形设定为混凝土最大受

压变形,即0.38%。计算中选用了LS2DYNA提供的SingleFace

Erosion接触计算模型。该接触计算模型可以自动搜索接触面,判

断接触,并可以处理侵蚀、断裂等复杂边界变化情况。材料的摩

擦系数统一设定为0.25。模型边界条件为一端固定,一端简支。

[5]GloverF.TabuSearch,partⅠ[J].ORSAJComp,1989(1):

1902206.

[6]GloverF.TabuSearch,partⅡ[J].ORSAJComp,1990(2):42

32.

[7]BlandJA.DiscretevariableOptimalStructuralDesignUsing

TabuSearch[J].StructuralOptimum,1995(10):87293.

[8]郭鹏飞.离散变量结构优化的拟满应力设计方法[J].工程力

学,2000(1):40241.

[9]郭鹏飞.离散变量结构优化的斐波那契遗传算法[J].辽宁工学院学报,2003,23(2):224.

[10]杨冬梅.基于实验设计法的桁架结构几何优化[J].力学与实

践,1999(6):38239.

[11]陈建军.多工况下具有可靠性约束的桁架结构拓扑优化设计

[J].固体力学学报,2000(1):12217.

[12]王跃方.离散变量结构拓扑优化设计的研究[J].固体力学学

报,1998(1):61262.

[13]黄席樾.现代智能算法理论及应用[M].北京:科学出版社,

2004.89290.

Developmentandtrendforoptimumdesignmethodofdiscretevariablestructures

YANFei　CHENLei

Abstract:Itpointsoutthepeculiaritiesanddifficultiesinstructuraloptimumdesigningofdiscretevariable;introducesthepresentsituationand

existingconditionsonrecentmethodsofstructuraloptimumdesigningofdiscretevariable;expatiatesthedevelopment,presentsituationand

newdevelopment;thenaccordingtothefeaturesofdiscretevariablestructuresdesigns,suggeststheresearchdirectionandthedevelopingtrend

aboutoptimumdesigningmethods.

Keywords:discretevariables,structuraloptimum,designmethod,thekindsofcountingmethod301 第33卷第7期2007年3月 山西建筑SHANXI　ARCHITECTURE Vol.33No.7Mar.　2007

8:200092:1970001

冲击块位于靠近简支端1/3处,采用自由落体低速冲击。为了缩

短计算时间,建模时将冲击块紧贴被冲击构件,赋予其相应的初

速度。

2　计算结果

为了找出钢管约束效应系数对临界冲击破坏能量的影响,进

行了10个圆钢管混凝土构件的冲击模拟,试件的主要变化参数

为管壁厚度,同时比较了同直径的钢管混凝土构件和混凝土构件

的抗冲击能力。由于设定了材料的失效应变,所以在模拟中采用

试算的方法,找到混凝土单元最早开始出现裂缝时的冲击速度作

为临界冲击速度,并将对应的冲击能量作为本次比较的依据。详

细资料见表1,表2。

表1　圆钢管混凝土侧向冲击试件一览表

序号外径mm钢管厚度mm试件长度mm约束效应系数ζ冲击块质量kg临界冲击速度m/s临界冲击动能J1104.02.010000.843215.74.65169.742104.62.310000.973015.74.75177.123106.43.210001.365015.74.90188.484107.03.510001.497315.75.00196.255107.63.810001.630015.75.13206.596108.04.010001.719015.75.17209.827109.04.510001.943715.75.40228.918110.25.110002.215515.75.60246.189111.85.910002.583015.75.85268.6510112.66.310002.768015.75.95277.91注:ζ=[As/AC]×[fy/fck]。其中,fy为钢管屈服极限,As,AC分别为钢管以及核心混凝土的横截面积

表2　同直径的钢管混凝土构件与混凝土构件抗冲击能力比较

序号外径mm类别临界速度ms-1临界能量/JB/A%序号外径mm类别临界速度ms-1临界能量/JB/A%

1104.0A4.65169.74B3.5598.9358.286108.0A5.17209.82B3.60101.7448.49

2104.6A4.75177.12B3.60101.7454.447109.0A5.40228.906B3.60101.7444.45

3106.4A4.90188.48B3.5096.1651.028110.2A5.60246.176B3.60101.7441.33

4107.0A5.00196.25B3.5096.16509111.8A5.85268.65B3.60101.7437.87

5107.6A5.13206.59B3.5598.9347.8910112.6A5.95277.91B3.7596.1634.60

注:A为钢管混凝土构件,B为混凝土构件

3　结语

在对不同钢壁厚度的钢管混凝土以及同直径的混凝土构件

的冲击模拟实验中,通过分析得到以下结论:

1)从图2可以看出,钢管的约束效应对钢管混凝土构件提高

抗冲击能力有很大的作用。随着约束效应的提高,钢管混凝土构

件的临界冲击能量也在逐步提高。通过对图2曲线进行拟合,可以得到圆钢管混凝土临界冲击能量J与约束效应系数ζ的简化

计算公式:

J=58.404ζ+114.54。

2)图3所示系列1为钢管混凝土构件的冲击能量曲线;系列

2为同直径的混凝土构件的冲击能量曲线。从图中可以看出,在

相同直径下,钢管混凝土构件的临界冲击能量大约是混凝土构件

的一倍还多。这主要是由于在钢管混凝土构件中钢管对混凝土

的约束效应使混凝土的冲击强度得到很大提高,延缓了混凝土的

开裂,提高混凝土材料的延性。同时可看出,截面尺寸对于混凝

土构件的临界冲击能量基本没有影响,数值保持在100J左右,与

上述简化计算公式中令ζ=0后的数值114.54J相差不大,表明

上述简化公式基本正确。

3)在文中模拟过程中,曾对6号钢管混凝土构件做了破坏模

拟,发现将速度提高到16m/s时,钢管内部的混凝土截面失效单

元已超过50%,而钢管只发生了局部屈曲,没有破坏。还表明钢

管与混凝土两种材料结合的优越性,说明钢管混凝土这种复合材

料不仅使混凝土的强度有很大提高,而且钢管借助内填混凝土也

极大地提高了其抗屈曲强度和稳定性。

参考文献:

[1]韩林海.钢管混凝土结构[M].北京:科学出版社,2000.6.

[2]陆新征,江见鲸.世界贸易中心飞机撞击后倒塌过程的仿真分

析[J].土木工程学报,2001,34(6):8210.

[3]清华大学抗震抗爆工程研究室.钢筋混凝土结构构件在冲击

荷载下的性能[M].北京:清华大学出版社,1986.10.

[4]李　珠.充液金属圆柱壳受弹体冲击的整体变形与局部破坏

分析[J].固体力学学报,1999,20(4):3032309.

[5]李　珠.塑性力学与工程[M].北京:万国学术出版社,2002.

7282732.

Dynamicsimulationanalysisonlateraleccentric

impactofconcrete2filledcircularsteeltubecolumn

LIUYa2ling

Abstract:Throughimpactsimulationofconcrete2filledsteeltubememberswithdifferenttubethicknessesandconcretememberswithsamedi2

ameters,theauthoranalyzestheinfluencesofsteeltube’sconstrainteffectcoefficientonmemberdeformationandimpactresistance,compares

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钢管钢骨高强混凝土压弯柱全过程分析

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刘晓;李敏;王连广

【摘 要】为了研究钢管钢骨高强混凝土组合柱的压弯性能,采用试验和非线性全程分析的计算程序,对工字形钢骨的钢管钢骨高强混凝土组合构件进行研究.试验主要参数为轴压比（n=0.5～0.85）和钢骨的不同加载方向（强轴和弱轴）.研究结果表明：荷载-挠度典型曲线表现为弹性、弹塑性和破坏的三阶段特征;承载力随轴压比的增加而减小,随截面惯性矩的增加而呈现非线性增长;峰值点挠度随轴压比和加载方向的不同没有明显变化;组合柱符合平截面假定,挠度曲线符合正弦半波分布.纤维模型法编制的非线性分析程序与试验结果吻合较好,并采用此程序系统地分析了轴压比、长细比和混凝土强度等参数对压弯构件荷载-变形曲线全过程的影响.%In

order to study the compression-flexural performance of steel tube filled

with steel-reinforced high-strength concrete（STSRHC） members,the

compression-flexural behavior of I shape of STSRHC were studied by

experimental research and non-linear full-range compute program.The

parameters in the study include the ration of axial compression（n=0.5-0.85） and different loading direction of steel-reinforce（major axis and

minor axis）.The results showed that the typical curve of load-deflection

高强钢管混凝土柱研究现状

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谢玉芳

【摘 要】简要介绍了宝钢产高强钢板的性能、特点，对国内外高强钢管混凝土柱的研究现状进行了调研，并对高强箱形钢管混凝土短柱和长柱承载力进行了试验研究和数值分析，指出日本 BRI 方法可用于偏心受压短柱的承载力计算。%The

paper introduces the performance and features of high strength steel

plates produced by Baosteel, investigates the research status of the high

strength steel tubular column, undertakes the experimental research and

numeric analysis of the bearing stress of high strength box steel pipe

concrete short and long columns, and points out BRI method in Japan can

be preferred to the loading stress calculation of the eccentric loading short

column.

【期刊名称】《山西建筑》

【年(卷),期】2014(000)018

【总页数】2页(P40-41)

【关键词】钢管混凝土柱;高强钢;承载力

【作 者】谢玉芳

【作者单位】宝钢工程技术集团有限公司，上海 201900

【正文语种】中 文

【中图分类】TU392.3

0 引言

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。工程中最常用的三种混凝土构件横截面形式主要是圆形、方形和矩形。在钢管中填充混凝土形成钢管混凝土后，钢管约束了混凝土，可延缓其受压时的纵向开裂，而混凝土可以延缓或避免钢管过早发生局部屈曲。两种材料相互弥补了彼此的弱点，充分发挥了各自的长处。钢管混凝土由于具有承载力高、抗震性能好和施工方便等优点，在工程实践中应用越来越广泛。

钢管混凝土异形柱力学性能分析与抗震性概述

钢管混凝土异形柱力学性能分析与抗震性概述

钢管混凝土异形柱力学性能分析与抗震性概述

摘要：钢管混凝土异形柱，是在异形截面钢管柱中浇注混凝土形成的异形柱结构。钢管混凝土异形柱具有良好的抗弯性能、抗剪性能、轴压性能和反复荷载作用下的力学性能，比以前的建筑结构有了较大的改进。而且通过专家学者的抗震性试验研究来看，钢管混凝土异形柱的抗震性能都得到普遍认可，在今后的建筑中将得到普遍重视。

关键词：钢管混凝土 异形柱 力学性能 抗震性

钢管混凝土异形柱，是在异形截面钢管柱中浇注混凝土形成的异形柱结构。简单地说，将混凝土灌入异形钢管中就形成了钢管混凝土异形柱。钢管混凝土柱在竖向上承载力高，能够承担较大的竖向荷载；特别是其中的混凝土核心筒，它的抗侧刚度大，能够有效地抵抗地震影响。外层钢管与内层核心混凝土共同承受着来自不同方向的荷载，同时外层的钢管为核心混凝土提供着强大的约束作用。这种组合方式进而使得钢管混凝土异形柱的抗震性能比传统的普通钢筋混凝土异形柱的抗震性能大为提高。钢管混凝土异形柱由于组合结构力学良好，施工性能较优，被广泛应用于各类工程领域当中。

1 钢管混凝土异形柱的力学性能分析

钢管混凝土异形柱的力学性能研究目前主要集中在静力性能方面（苏忍、刘光烨、杨远龙，2012）。学者们通过多项研究，详细分析了钢管混凝土异形柱的抗弯性能、抗剪性能、轴压性能、偏压性能以及反复荷载作用下的力学性能（赵良、李成玉，2012）。

钢管混凝土异形柱的抗弯性能分析。刘胜兵、徐礼华和温芳（2008）进行了Ｔ形钢管混凝土组合构件的抗弯试验，研究得出T型钢管混凝土组合构件在几种不同的弯曲程度下都表现出了较好的力学性能。徐礼华、刘胜兵和温芳等（2009）对T形柱进行抗弯试验，提出了该类型构件的抗弯极限承载力计算公式。此外，还有不少学者进行了类似的实验研究，也普遍得出，钢管混凝土短柱在遇到偏心压力作用时，由于存在核心的混凝土延缓了钢管过早的局部屈曲，使得弹塑性工作性能较好。

考虑混凝土徐变收缩的超高层偏心核心筒-框架结构水平变形和结构内力分析

考虑混凝土徐变收缩的超高层偏心核心筒-框架结构水平变形和结构内力分析

第 39 卷第 3 期2023 年6 月结构工程师Structural EngineersVol. 39 ， No. 3Jun. 2023

考虑混凝土徐变收缩的超高层偏心核心筒-框架

结构水平变形和结构内力分析

鲁正1，* 周映旻1 王远航2 王超3 张富文3

（1.同济大学结构防灾减灾工程系，上海 200092； 2.中建三局集团第一建设有限责任公司，武汉 266100； 3.上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032）

摘 要 核心筒偏置的框架-核心筒结构在平面上不对称，可能在水平方向产生较大的不利变形。采用混凝土徐变收缩B3模型，在ETABS中对某偏心核心筒-框架结构进行施工分析，计算了结构在不同时期的水平变形，并分析了水平变形对结构内力的影响。计算中考虑了钢管混凝土柱中钢管的环箍效应，以及钢管与混凝土的应力重分布、施工工序等因素。计算结果表明，偏心核心筒-框架结构的水平变形沿结构高度呈“中间大、两头小”分布。研究结果显示徐变和收缩引起的水平变形随时间明显增加，部分幅值在后期大于弹性变形；合理规划施工顺序可有效降低结构构件内力。通过与实测数据的对比，验证了所用模型的准确性。关键词 高层结构， 水平变形， 徐变收缩， 施工分析

Analysis of Horizontal Deformation and Internal Force of Super

High-Rise Frame-Eccentrical Core Tube Structure

Considering Creep and Shrinkage of Concrete

LU　Zheng1，* ZHOU　Yingmin1 WANG　Yuanhang2 WANG　Chao3 ZHANG　Fuwen3

（1.Department of Disaster Mitigation for Structures，Tongji University， Shanghai 200092， China； 2.The First Construction Co.，Ltd.， of China Construction Third Engineering Bureau Group， Wuhan 266100， China； 3.Shanghai Research Institute of Building Sciences Co.，Ltd.， Shanghai 200032， China）