钢管混凝土组合构件的理论分析.docx

钢管混凝土组合构件的理论分析【摘要】钢管混凝土是一种特殊的组合结构材料，有更复杂的组合本构关系。有限元方法为结构和构件抗震性能的非线性有限元分析创建了便利条件。【关键词】钢管混凝土；本构关系；统一理论；地震波钢管混凝土是在钢管中填充混凝土从而使钢管及核心混凝土共同承受外荷载作用的构件，是近年来的新型结构体系。它能够充分发挥钢材受拉性能高和混凝土受压性能好的优点，具有承载力高，有良好的塑性和韧性，施工方便，耐火性能较好，经济效果好的特点。钢管混凝土框架是一种发展前景广阔的结构形式，对其材料的本构关系，承载性能，节点抗震性能非线性有限元分析等研究也十分重要。一、钢管混凝土结构材料本构关系1、单向荷载下钢材应力-应变关系，由于钢管混凝土构件常采用的钢种多属于低碳软钢。低碳软钢的应力-应变关系曲线进行简化，划分为弹性、弹塑性、塑性、强化、二次塑流段五个阶段。2、对于反复循环荷载下钢材应力-应变关系，模型有：理想弹塑性模型、双线型模型、三线型模型、多面模型、双面塑性模型。针对承受反复循环荷载作用的特点，对钢材的应力和应变关系，采用双线型模型，表述为：当应力强度在到达屈服面以前，材料的应力增量和应变增量（正向和反向）按弹性关系变化；当应力强度在到达屈服面后，材料的应力应变关系按强化规律反应。3、单向荷载下核心混凝土应力-应变关系，混凝土本构关系模型有以下几类：线弹性匀质本构模型；非线性弹性本构模；弹塑性本构模型；塑性-断裂理论；内时理论；连续损伤理论。既能反映混凝土三向受压，又能尽可能多的反应混凝土的实际物理现象。核心混凝土应力-应变关系曲线的特性主要和约束效应系数ξ有关，主要表现在：ξ值越大，受力过程中钢管对其核心混凝土提供的约束作用越强，随着变形的增加，关系曲线下降段出现得越晚，甚至不出现下降段；反之，ξ值越小，钢管对其核心混凝土的约束作用将越小，则关系曲线的下降段将出现得越早，且下降段的下降趋势随各值的臧小而逐渐增强。4、反复循环荷载下混凝土应力-应变关系，认为混凝土的骨架曲线基本上接近于单向加载时的应力-应变曲线，在往复循环荷载作用下，混凝土材料的应力-应变滞回关系骨架曲线可用单向加载时的应力-应变曲线来代替。由于混凝土截面在受拉开裂后重新受压时开裂截面会产生骨料咬合的裂面效应，使开裂面在没有完全闭合的情况下就能传递相当的压应力。因此，在周期性反复荷载作用下，应力-应变曲线方程需考虑裂面效应。同时，由于混凝土微裂缝的发展，混凝土滞回关系曲线上还存在着应变软化段和不同程度的刚度退化现象。5、基于统一理论的钢管混凝土结构材料本构关系中指出：钢管混凝土构件的工作性能随着材料的物理参数、几何参数和截面形式及应力状态的改变而改变，变化是连续的、相关的，计算是统一的。其内容为：把钢管混凝土作为统一的组合材料，用组合性能指标和构件的整体几何特性（全截面面积和抵抗矩等）计算构件的各项承载力。组合性能指标按下列步骤：导出钢材和混凝土在多轴应力状态下的全过程数学表达式；用有限元法计算得到钢管混凝土在各种应力状态下（压拉弯扭等）的荷载、变形全过程关系曲线；根据全过程曲线，确定极限准则，定出承载力组合设计指标。由于本构关系中已包括钢管和核心混凝土间相互作用的紧箍力效应，确定的组合设计指标中也包含这种紧箍效应。当钢管混凝土构件在多荷载作用下，用有限元法计算出几种内力的全过程关系曲线，并导出相关关系曲线的设计公式。二、钢管混凝土轴心受压时核心混凝土的受力特点增大而增大。钢管混凝土受荷初期，钢管和混凝土按刚度比承受外荷载。在此阶段，如果忽略钢管和混凝土之间的粘结作用，可以近似地认为混凝土处于单向受压状态。随着混凝土应力的不断增加，其横向变形系数将不断增大。如果混凝土横向变形系数超过钢材的横向变形系数，由于变形协调钢管和混凝土之间将产生随外荷载大小而变化的紧箍力，使核心混凝土由单向受压发展成为三向受压。如果钢管对核心混凝土提供足够的约束力（即紧箍力），随着变形的增加，混凝土的应力-应变关系曲线不会出现下降段；反之，如果钢管不能对其核心混凝土提供足够的紧箍力，则混凝土的应力-应变关系将出现下降段，且下降段的下降趋势随约束作用的减弱而逐渐增强。三、钢管混凝土非线性假定材料非线性是指材料的物理定律是非线性的，其反映应变-位移关系的几何方程和本构方程具有非线性性质。在钢管混凝土结构中存在着许多非线性因素。应用有限元进行钢管混凝土框架受力性能分析选用计算模型时，分别反映混凝土和钢材的非线性特性。大变形问题与无限小变形问题的本质区别，是在分析几何方程时保留了高阶小量。几何非线性有限元分析也可依照线性弹性有限元法，进行离散化并选取单元插值函数后，按几何方程、本构方程和能量原理，建立以结点位移为基本未知量的非线性有限元方程。钢管混凝土结构中钢管与混凝土的粘结应力，是钢管与混凝土