付明春，蘇德利

(大連海洋大學(xué)，遼寧大連116300)

隨著高層、大跨度結(jié)構(gòu)不斷涌出，這使得以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主的結(jié)構(gòu)形式遭遇巨大挑戰(zhàn)。原因在于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在自重大、抗震性能差、易開裂等缺點(diǎn)，無(wú)法有效地應(yīng)用到高層、超高層、大跨度結(jié)構(gòu)。而鋼管混凝土所具有的承載力高、抗震性好等特點(diǎn)都是高層、超高層、大跨度結(jié)構(gòu)建設(shè)所需要的。但目前，我國(guó)對(duì)鋼管混凝土力學(xué)性能的研究較少，這不利于鋼管混凝土的推廣應(yīng)用。為更好地研究鋼管混凝土的力學(xué)性能，采用ANSYS非線性有限元理論，借助比較成熟的鋼筋混凝土理論，建立鋼管混凝土與鋼筋混凝土非線性有限元模型，對(duì)二者的力學(xué)性能進(jìn)行分析比較。

1 概述

1.1 鋼筋混凝土的發(fā)展和研究

對(duì)于鋼筋混凝土而言，主要經(jīng)歷了三個(gè)不同的發(fā)展階段。第一階段，從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)明到20世紀(jì)初期。該階段的鋼筋混凝土屬于初始發(fā)展階段，因此各項(xiàng)指標(biāo)都比較低，尤其是強(qiáng)度等指標(biāo)。第二階段，從20世紀(jì)初期到第二次世界大戰(zhàn)前后。隨著社會(huì)的發(fā)展和對(duì)建筑的需求，技術(shù)人員根據(jù)極限平衡理論，提出了“塑性內(nèi)力重分布計(jì)算方法”，推動(dòng)了鋼筋混凝土的發(fā)展。第三階段，從二戰(zhàn)后到現(xiàn)在。由于計(jì)算理論、設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，鋼筋混凝土的各項(xiàng)性能較好，主要用于高層建筑、大跨橋梁等重要建筑結(jié)構(gòu)中，計(jì)算理論上采用充分考慮混凝土和鋼筋塑性的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論。

1.2 鋼管混凝土的發(fā)展和研究

相對(duì)于鋼筋混凝土，鋼管混凝土主要是在成型的理論上開始發(fā)展的，國(guó)外的研究要比國(guó)內(nèi)早一些，但總體上的差距不大。從國(guó)外看，不少國(guó)家在20世紀(jì)就開始大量的應(yīng)用鋼管混凝土進(jìn)行建設(shè)。例如，1937年蘇聯(lián)列寧格勒采用集束的小直徑鋼管混凝土作為拱肋，建造了橫跨涅瓦河的101 m跨度的下承式拱橋。由于鋼管混凝土的高強(qiáng)度等特性，使用范圍比較廣泛。國(guó)內(nèi)鋼管混凝土的應(yīng)用較晚，20世紀(jì)80年代后期，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到了較大發(fā)展，科研和工程實(shí)踐都有較好的開展。

2 ANSYS非線性有限元理論確定材料本構(gòu)關(guān)系

ANSYS軟件作為多功能有限元通用分析程序能夠更加準(zhǔn)確地分析本構(gòu)關(guān)系、構(gòu)建矩陣等，可以詳細(xì)地進(jìn)行鋼管混凝土和鋼筋混凝土力學(xué)性能分析研究。

2.1 混凝土材料破壞準(zhǔn)則

混凝土破壞準(zhǔn)則是描述混凝土破壞時(shí)其應(yīng)力狀態(tài)或應(yīng)變狀態(tài)滿足的條件。目前，ANSYS軟件主要采用Willam-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則來檢查混凝土開裂和壓碎的參數(shù)。利用此破壞準(zhǔn)則可將混凝土的破壞模型分為以下三種類型:由于壓力而導(dǎo)致的壓碎性破壞、由于豎直剪切力而發(fā)生開裂、由于拉力而導(dǎo)致的開裂破壞。

2.2 混凝土的本構(gòu)關(guān)系

混凝土的抗拉強(qiáng)度較差，其在受拉情況下開裂前后的本構(gòu)關(guān)系差異較大。

(1)開裂前混凝土的本構(gòu)關(guān)系。

由于組成混凝土的材料具有復(fù)雜性，在混凝土開裂前，其各種特性都未發(fā)生變化，利用ANSYS構(gòu)建混凝土的本構(gòu)矩陣可以表示為:

(2)開裂后混凝土的本構(gòu)關(guān)系。

混凝土開裂后混凝土的抗剪切力、應(yīng)力應(yīng)變等都會(huì)發(fā)生變化。此時(shí)，利用ANSYS來構(gòu)建混凝土的本構(gòu)矩陣可以表示為:

(3)混凝土受壓情況下的本構(gòu)關(guān)系。

因?yàn)锳NSYS采用“彈塑本構(gòu)+壓碎模型”來分析混凝土受壓情況下的本構(gòu)關(guān)系，所以混凝土彈塑性本構(gòu)矩陣表達(dá)式分析應(yīng)以屈服準(zhǔn)則、流動(dòng)法則以及硬化法則為基礎(chǔ)，準(zhǔn)確、合理、規(guī)范地進(jìn)行彈塑性本構(gòu)矩陣表達(dá)式計(jì)算。

首先，已知盈利空間中屈服條件表示為空間曲面，即

對(duì)式(1)兩邊進(jìn)行微分處理，得到函數(shù)

其次，增量理論中對(duì)于彈性增量和塑性增量的說明，用函數(shù)表示為:

再結(jié)合虎克定律，彈性應(yīng)變?cè)隽颗c應(yīng)變?cè)隽康年P(guān)系用函數(shù)表示為:

通過以上公式可以得到塑性應(yīng)變?cè)隽?，用函?shù)表示為:

將以上式(3)、式(4)代入式(2)，得到的函數(shù)為:

再將式(5)兩側(cè)分別乘以［D］并移項(xiàng)，得到

將式(6)代入式(3)，得到的函數(shù)為:

此函數(shù)即為彈塑本構(gòu)關(guān)系矩陣。

3 鋼管混凝土和鋼筋混凝土力學(xué)性能比較

鋼管混凝土和鋼筋混凝土的力學(xué)性能探究，主要是對(duì)比鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土柱軸心受壓力學(xué)性能、鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土柱偏心受壓力學(xué)性能，以此來深入地了解鋼管混凝土力學(xué)性能。

3.1 鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土柱軸心受壓力學(xué)性能比較

圖1 鋼筋混凝土柱和鋼管混凝土柱受軸心壓力作用下的曲線變化比較

鋼管混凝土柱軸心受壓時(shí)其核心混凝土的受力特點(diǎn)是:側(cè)壓力是被動(dòng)的，且隨縱向壓應(yīng)力的增大而增大。隨著混凝土應(yīng)力的增加，鋼管混凝土柱的縱向形變系數(shù)也會(huì)隨之增加，達(dá)到一定程度時(shí)，混凝土體積膨脹到極限，鋼管就會(huì)發(fā)生形變，使其遭到破壞。

3.1.1 破壞過程分析

(1)破壞模式比較。鋼筋混凝土的研究資料表明，鋼筋混凝土柱破壞是出現(xiàn)混凝土壓碎脫落現(xiàn)象，鋼筋混凝土柱內(nèi)部破壞程度較大。對(duì)于鋼管混凝土柱，其破壞時(shí)也會(huì)出現(xiàn)混凝土壓碎現(xiàn)象，但由于核心混凝土開裂壓碎產(chǎn)生體積膨脹而側(cè)向壓迫鋼管屈曲外鼓破壞。

(2)軸壓過程比較。兩種柱在軸壓作用下所產(chǎn)生的破壞過程主要有兩個(gè)階段。第一階段，軸壓力最小，鋼筋混凝土柱在軸壓力作用下，其變形增加，但軸力變化較小，相應(yīng)的曲線變化較小，而鋼管混凝土在較小軸壓力作用下，其鋼管受壓程度較小，還具有很大的彈性空間。第二階段，隨著軸壓力的增大，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力下降，鋼筋混凝土柱的混凝土開始脫落，鋼筋受軸壓力的作用，彈性逐漸增大，直到達(dá)到彈性最大值，鋼筋被破壞。而隨著軸壓力的增加，鋼管混凝土柱進(jìn)入彈塑階段，其核心混凝土受壓出現(xiàn)碎裂，但因此產(chǎn)生的體積膨脹可以緩解鋼管受壓程度，使得鋼管抗壓強(qiáng)度增加，鋼管雖有一定的屈曲，但沒有鋼筋混凝土彎曲程度大(見圖1)。鋼管混凝土性能要比鋼筋混凝土性能更加優(yōu)越，軸壓過程充分表明，鋼管混凝土具有較高的抗壓能力和較大的變形能力。

3.1.2 機(jī)理比較

結(jié)合圖1，可以看出混凝土在鋼管的約束下，核心混凝土的強(qiáng)度和抗變形能力增加，使鋼管混凝土柱具有良好的延性，能夠增加鋼管混凝土柱抵抗能力。而鋼筋混凝土是因鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力才結(jié)合到一起的，一旦外力破壞了粘結(jié)力，鋼筋混凝土就會(huì)受到嚴(yán)重的破壞。由此可見，鋼管混凝土在很多方面，均優(yōu)于鋼筋混凝土，并且可以在較多的工程中應(yīng)用，尤其是高層、大跨度橋梁等一些大型工程。

3.2 鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土柱偏心受壓力學(xué)性能比較

3.2.1 建立有限元模型

對(duì)于偏壓下鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土柱有限元模型的構(gòu)建主要是結(jié)合兩類柱的相關(guān)參數(shù)建立的。鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土柱的有限元模型如圖2、圖3所示。

圖2 偏壓下鋼管混凝土柱的有限元模型

圖3 偏壓下鋼筋混凝土的有限元模型

3.2.2 偏壓下鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土柱的破壞過程比較

利用有限元分析法可以得到關(guān)于鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土柱的荷載—撓度曲線圖(見圖4)。

從圖4中可以看出偏壓下鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土柱在彈性階段，荷載—撓度相同，曲線無(wú)變化，兩者進(jìn)入彈塑階段后，因偏心壓力增大，鋼筋混凝土柱受壓一側(cè)很快達(dá)到屈服極限，而鋼管混凝土則可繼續(xù)承載而推遲達(dá)到屈服極限的時(shí)間，顯示出較高的承載力和耐受變形的能力。隨著偏心壓力的作用，在破壞階段，鋼筋混凝土完全被破壞，而鋼管混凝土核心混凝土成為約束混凝土，其強(qiáng)度有較大提高，同時(shí)其在破壞中所產(chǎn)生體積變化可以緩解鋼管受壓，進(jìn)而延遲了鋼管的破壞時(shí)間，提高了承載力和抵抗變形的能力。

圖4 偏壓下鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土柱的荷載—撓度曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

從鋼管混凝土和鋼筋混凝土受力情況下力學(xué)性能比較來看，鋼管混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于鋼筋混凝土的力學(xué)性能。將其合理、有效、規(guī)范地應(yīng)用于建筑工程中，可以有效地解決高層、超高層、大跨度結(jié)構(gòu)問題，從而創(chuàng)造出更多新的結(jié)構(gòu)形式。

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