劲性柱作用逆作法支撑立柱受力性能研究.pptx

1、1考虑劲性柱作用的逆作法支撑立柱受力性能研究2l研究背景1.绪论逆作法施工地下施工从上至下基坑支撑刚度大预防地基下沉节省工期节省工程造价l竖向支承柱宜采用：钢管混凝土柱型钢柱l后期地下结构框架柱施工支承柱已有初应力、初变形3钢管混凝土叠合柱格构式型钢混凝土柱1.绪论l研究现状（1）方套圆（2）方套方 （3）圆套圆 l轴压、偏压：承载力近似按照叠合柱钢管和外侧混凝土相互作用较小l初应力：混凝土加固型钢柱l研究背景1.绪论钢立柱应力历时曲线图（现场实测）钢立柱应力历时曲线图（现场实测）钢立柱测试点布设于B3板顶板下方1m处，每个断面安装四个应变计，钢立柱压应力变化历时曲线见图25。有图可知，钢立柱

2、压应力随继续土方开挖逐渐增大，最大值为40MPa,远小于警报值。二次受力二次受力偏心距偏心距泥泥浆界面影响界面影响钢格构柱或钢管混凝土柱在承受地上结构及先期结构自重及施工荷载同时仍有安全余量。偏安全的，结构柱设计时并不考虑上述余量对结构柱截面承载力提升的有利作用，造成截面配筋过大，材料浪费巨大。l研究背景1.绪论钢管混凝土叠合柱应用技术规程6l研究内容l采用ABAQUS对钢管混凝土叠合柱和格构式型钢混凝土柱进行受力机理分析，考虑支承立柱的初始应力作用并进行参数分析。l对钢管混凝土叠合柱和格构式型钢混凝土柱进行静力加载试验，和有限元分析结果进行对比。l考虑支承立柱初应力作用的钢管混凝土叠合柱和格

3、构式型钢混凝土柱的计算方法研究。1.绪论通过试验和数值模拟，研究负载条件下格构柱或钢管混凝土柱对框架柱截面承载力的提升比例。主要内容1.逆作法钢混组合立柱有限元分析2.逆作法钢混组合立柱力学性能试验7主要内容8n1.1 有限元模型的建立及验证n1.2 钢管混凝土叠合柱受力机理分析n1.3 格构式型钢混凝土柱受力机理分析1.逆作法钢混组合立柱有限元分析9l（1）基本模型参数1.1 有限元模型的建立及验证（1）钢管混凝土叠合柱柱长：2700mm钢管材质：Q345B混凝土强度等级：管内C60、管外C40初应力系数：0.4（2）格构式型钢混凝土柱柱长：2700mm型钢材质：Q345B混凝土强度等级：C

4、40初应力系数：0.410l（2）本构模型1.1 有限元模型的建立及验证（1）钢材、钢筋（2）C40混凝土钢：双折线模型普通混凝土：塑性损伤模型11l（2）本构模型1.1 有限元模型的建立及验证钢：双折线模型普通混凝土：塑性损伤模型钢管内混凝土：韩林海1提出的核心混凝土单轴应力应变曲线（3）核心混凝土1 Han L H,An Y F.Performance of concrete-encased CFST stub columns under axial compressionJ.Journal of Constructional Steel Research,2014,93:62-76.12

5、l（3）约束作用与加载方式1.1 有限元模型的建立及验证钢材与混凝土：法向不能相互穿透，硬接触；切线方向采用库伦摩擦准则，摩擦系数取0.3。钢筋和混凝土：Embedded（嵌入）。边界条件：铰接。加载方式：按照偏心位移加载，偏心距取为27mm有限元模拟初应力：三阶段加载。偏心距为1/400高度+2cm=27mm钢支撑偏心距不宜小于支撑计算长度的1/1000，且不宜小于40mm，考虑到试件按照2:3的缩尺模型。13l（4）有限元模型的验证1.1 有限元模型的建立及验证已发表的叠合柱试验数据：选取康洪震等2的2根钢管混凝土叠合短柱试件CC7、CC9和陈周褶等3的2根叠合柱试件B1-2、D1-1进行

6、有限元验证分析，4根钢管混凝土叠合柱试件截面均为内圆外方。2康洪震,钱稼茹.钢管混凝土叠合柱轴压强度试验研究J.建筑结构,2006,36(S1):913-916.3陈周熠,赵国藩,易伟建等.带圆钢管劲性高强混凝土轴压短柱试验研究J.大连理工大学学报,2005(05):687-691.对比结果：4根试件的极限承载力比值平均值为0.959，标准差为0.054。(a)CC7(b)CC11(c)B1-2(d)D1-114l（1）荷载-轴向位移曲线1.2 钢管混凝土叠合柱受力机理分析0a段：线弹性段。钢管混凝土柱来承担初始荷载ab段：线弹性段。钢管混凝土柱和外层钢筋混凝土共同受力bc段：弹塑性段。部分混

7、凝土进入塑性，外侧混凝土开始出现裂缝。c点时外侧混凝土达到极限承载力cd段：钢管外侧受压区混凝土压溃de段：主要由钢管混凝土承担外部荷载钢管混凝土叠合柱荷载位移曲线15l（2）材料应力分析1.2 钢管混凝土叠合柱受力机理分析管内混凝土钢管混凝土叠合柱荷载位移曲线16l（2）材料应力分析1.2 钢管混凝土叠合柱受力机理分析钢管钢管混凝土叠合柱荷载位移曲线17l（2）材料应力分析1.2 钢管混凝土叠合柱受力机理分析管外混凝土钢管混凝土叠合柱荷载位移曲线外侧混凝土塑性应变18l（2）材料应力分析1.2 钢管混凝土叠合柱受力机理分析（1）钢管应力发展曲线（2）混凝土应力发展曲线初应力对钢管的应力发展影

8、响较小钢管的环向应力在其达到屈服强度之后才开始出现初应力使得管外混凝土的应力发展延迟19l（3）轴力分配1.2 钢管混凝土叠合柱受力机理分析普通叠合柱达到极限承载力时，钢管混凝土柱分配轴力没有达到峰值叠合柱承载力下降的原因在于外侧混凝土受压破坏对钢管混凝土柱施加初应力使得其提前受力，使得叠合柱达到极限承载力时钢管混凝土柱分配到更多轴力钢管混凝土叠合柱轴力分配曲线20l（4）混凝土和钢管相互作用分析1.2 钢管混凝土叠合柱受力机理分析（1）钢管混凝土叠合柱荷载-跨中挠度曲线（2）管内混凝土和钢管的接触应力随挠度的曲线（3）管外混凝土和钢管的接触应力随挠度的曲线钢管内侧的接触应力在叠合柱达到极限承

9、载力之前接近零钢管外侧的接触应力要小很多21l（5）初应力系数参数分析1.2 钢管混凝土叠合柱受力机理分析当初应力从0开始增大时，叠合柱的极限承载力均有不同程度的增加，其提高比例呈现出先增大后减小的趋势不同初应力系数下钢管混凝土叠合柱荷载位移曲线22定义初应力影响系数为：1.2 钢管混凝土叠合柱受力机理分析l（6）初应力影响系数参数分析（1）偏心距（2）约束效应系数（3）纵筋配筋率（4）体积配箍率231.2 钢管混凝土叠合柱受力机理分析l（6）初应力影响系数参数分析钢管混凝土叠合柱中钢管外侧混凝土对钢管混凝土的约束作用很小，在钢管外侧布置栓钉等抗剪连接件可以加强钢管和外侧核心混凝土的组合作用。

10、叠合柱荷载-位移曲线不同栓钉间距下的 曲线241.2 钢管混凝土叠合柱受力机理分析l（6）初应力影响系数参数分析摩擦系数的改变影响可以不考虑不同摩擦系数下的 曲线钢管混凝土叠合柱荷载-跨中挠度曲线管内混凝土和钢管的接触应力随挠度的曲线25l（1）荷载-轴向位移曲线1.3 格构式型钢混凝土柱受力机理分析0a段：线弹性段。格构式型钢柱来承担初始荷载ab段：线弹性段。型钢柱和混凝土共同受力bc段：弹塑性段。部分混凝土进入塑性，外侧混凝土开始出现裂缝。c点时型钢柱外侧混凝土达到极限承载力cd段：型钢柱外侧受压区混凝土压溃de段：主要由型钢柱和内侧的约束混凝土承担残余荷载格构式型钢混凝土柱荷载位移曲线2

11、6l（2）材料应力分析1.3 格构式型钢混凝土柱受力机理分析混凝土格构式型钢混凝土柱荷载位移曲线27l（2）材料应力分析1.3 格构式型钢混凝土柱受力机理分析格构型钢柱格构式型钢混凝土柱荷载位移曲线28l（2）材料应力分析1.3 格构式型钢混凝土柱受力机理分析混凝土应力发展曲线初应力对混凝土的应力发展影响较小内侧混凝土受到格构型钢柱的约束作用，使得峰值应力增大格构式型钢混凝土柱达到峰值承载力时，外侧混凝土的纵向应力已经开始下降29l（3）轴力分配1.3 格构式型钢混凝土柱受力机理分析两者承载力接近，混凝土分担的轴力大于格构型钢柱格构型钢柱存在初应力时，混凝土分担的轴力下降，而格构型钢柱分担的轴

12、力上升格构式型钢混凝土柱轴力分配曲线301.3 格构式型钢混凝土柱受力机理分析l（4）混凝土和型钢相互作用分析角钢内侧的混凝土受到的约束作用最强，接触应力最大正常受力的型钢混凝土柱各点接触应力较大型钢和混凝土不同点的接触应力随跨中挠度的变化曲线荷载-跨中挠度曲线311.3 格构式型钢混凝土柱受力机理分析l（5）初应力系数参数分析各组初应力系数的型钢混凝土柱极限承载力接近。初应力系数增加，格构型钢柱轴力分配增加，混凝土轴力分配减少（1）不同下的荷载位移曲线（2）不同下的型钢轴力分配曲线（3）不同下的混凝土轴力分配曲线321.3 格构式型钢混凝土柱受力机理分析l（6）初应力影响系数参数分析（1）偏

13、心距（2）含钢率（3）纵筋配筋率（4）钢材屈服强度（5）混凝土轴心抗压强度331.3 格构式型钢混凝土柱受力机理分析l（6）初应力影响系数参数分析摩擦系数的改变影响较小不同摩擦系数下的 曲线不同点的接触应力随跨中挠度的变化曲线荷载-跨中挠度曲线主要内容34n2.1 试件设计与制作n2.2 试验过程n2.3 试验结果与分析n2.4 试验结果和有限元对比2.逆作法钢混组合立柱力学性能试验35l（1）试件设计2.1 试件设计与制作编号号试件尺寸（件尺寸（mm）偏心距偏心距（mm）支承立柱支承立柱初初应力力系数系数体体积配箍率配箍率（%）纵筋配筋率筋配筋率（%）S1400400270027/0.191

14、.57S2400400270027钢管混凝土柱/0.252.05S3400400270027钢管混凝土柱0.40.252.05S4400400270027格构式型钢柱/0.191.57S5400400270027格构式型钢柱0.40.191.57S1S2S3S4S536l（2）试件制作过程2.1 试件设计与制作（1）支承立柱制作（2）绑扎钢筋网（3）支承立柱施加预应力（4）浇筑混凝土l（2）试件制作过程2.1 试件设计与制作38l（1）材性试验2.2 试验过程混凝土试块（150150150mm)钢材试样钢筋试样强度等度等级弹性模量性模量E/MPaC3049.733.232790C4071.14

15、7.635623钢材材类型型弹性模量性模量E/MPa21910钢管管282.11601444.820172908角角钢357.61923475.1202732008缀板板321.91872465.420904C20钢筋筋495.92151688.921863C8钢筋筋458.02623623.621405混凝土材性试验结果代表值钢材性试验结果代表值39l（2）施加预应力2.2 试验过程支承立柱预加荷载为各自预估承载力的40%支承立柱预加荷载考虑各项预应力损失，预应力损失按照混凝土结构设计规范第10.2节计算支承立柱支承立柱预估承估承载力力/kN预应力力损失失计算算/kN钢管混凝土柱管混凝土柱1

16、632.1187.81045.5840.6格构格构钢柱柱1257.980.3725.7583.540l（2）施加预应力2.2 试验过程采用公称直径32mm，级别为PSB1080的预应力高强螺纹钢筋。预应力张拉设备采用YDC1000-200型穿心式千斤顶。预应力加载装置在张拉预应力开始前至卸载张拉端荷载后的一段时间，采用应变采集仪持续采集支承立柱关键点的应变变化来预估实际的预应力损失。41l（2）施加预应力2.2 试验过程（1）钢管混凝土柱（2）格构型钢柱随后较长时间段内主要的预应力损失为预应力钢筋应力松弛引起的损失：支承立柱支承立柱预估承估承载力力/kN实际预加加荷荷载/kN实际初初应力系数力

17、系数 钢管混凝土管混凝土柱柱1632.11045.5840.6356.413.4470.80.29格构格构钢柱柱1257.9725.7583.5189.19.3385.10.31l（3）偏压试验2.2 试验过程试验在上海应用技术大学城建学院试验中心微机控制电液伺服大型多功能结构试验机上进行本试验采用偏心加载，通过支座的设计保证偏心，边界条件为两端铰接构件安装时通过红外线使得上下加载中心对中（1）加载装置（2）支座（3）对中43l（3）偏压试验2.2 试验过程加载方案：预加载：预加载的荷载值为300kN，并检查加载面和构件端部是否接触良好以及应变片、位移计是否工作正常正式加载：当荷载小于试件预估

18、极限承载力的70%时，采用荷载分级加载制 度，每 一 级 荷 载 为 试 件 预 估 极 限 承 载 力 的 10%，加 载 速 度 为150kN/min，两级荷载之间持荷2min，当所加荷载达到试件预估极限承载力的70%时，采用位移加载制度，加载速度为0.2mm/min，当构件的承载力达到极限承载力时，继续加载直至承载力下降至极限承载力的80%时停止加载。44l（3）偏压试验2.2 试验过程在试件的偏心两侧2000mm内分别布置位移计用于量测构件在偏心两侧的轴向变形，在试件中部截面和上下1/4截面处各布置位移计用于量侧构件的挠曲线。位移计布置五根试件45l（1）普通钢筋混凝土柱S12.3 试

19、验结果与分析1/6h截面距偏心点较近一侧的应变为同一截面的最大值。纵筋屈服，混凝土受压破坏。S1应变片布置46l（1）普通钢筋混凝土柱S12.3 试验结果与分析试件破坏形态4/6h截面2/6h截面3/6h截面5/6h截面47l（2）普通钢管混凝土叠合柱S22.3 试验结果与分析纵筋屈服，混凝土受压破坏。钢管在3/6h5/6h截面处靠近偏心一侧的位置达到了屈服。5/6h截面S2应变片布置48l（2）普通钢管混凝土叠合柱S22.3 试验结果与分析3/6h截面1/6h截面2/6h截面4/6h截面试件破坏形态49l（3）预压力作用的钢管混凝土叠合柱S32.3 试验结果与分析纵筋屈服，混凝土受压破坏。钢

20、管在1/6h截面处靠近偏心一侧的位置达到了屈服。1/6h截面S3应变片布置50l（3）预压力作用的钢管混凝土叠合柱S32.3 试验结果与分析试件破坏形态4/6h截面2/6h截面3/6h截面5/6h截面51l（4）普通格构式型钢混凝土柱S42.3 试验结果与分析受压侧纵筋首先屈服，随后混凝土受压侧受压破坏，同时角钢在受压侧有部分区域进入屈服状态。5/6h截面S4应变片布置52l（4）普通格构式型钢混凝土柱S42.3 试验结果与分析3/6h截面1/6h截面2/6h截面4/6h截面试件破坏形态53l（5）预压力作用的格构式型钢混凝土柱S52.3 试验结果与分析受压侧纵筋首先屈服，随后混凝土受压侧受压

21、破坏，同时角钢在受压侧有部分区域进入屈服状态。1/6h截面S5应变片布置54l（5）预压力作用的格构式型钢混凝土柱S52.3 试验结果与分析试件破坏形态4/6h截面2/6h截面3/6h截面5/6h截面55l（6）试验结果分析2.3 试验结果与分析试件破坏时均有混凝土的应变达到极限压应变且钢筋达到屈服，钢管和角钢部分屈服结合破坏部位，考虑到支座挡板的横向剪切作用试件件编号号实测尺寸尺寸/mm钢骨形式骨形式S14004002700/3987.52.67S24094012700钢管混凝土/6263.02.67 S34024012700钢管混凝土470.85213.04.19 S44014022700

22、格构型钢柱/5843.53.15 S54094022700格构型钢柱385.15681.53.13（1）荷载-轴向位移曲线（2）荷载-跨中挠度曲线56l（6）试验结果分析2.3 试验结果与分析试件件编号号实测尺寸尺寸/mm钢骨形式骨形式S14004002700/3987.52.67S24094012700钢管混凝土/6263.02.67 S34024012700钢管混凝土470.85213.04.19 S44014022700格构型钢柱/5843.53.15 S54094022700格构型钢柱385.15681.53.13 预应力格构式型钢混凝土柱S5由于施加预荷载导致的预应力钢筋产生的轴向位

23、移为:S5极限承载力对应的位移为3.13mm，对应的钢格构柱的预压力为：57l（6）试验结果分析2.3 试验结果与分析断面切割S3的承载力较低的原因可能为对中时S3的实际偏心距要大于S2试件的实际偏心距或S3过早出现局部屈曲钢管混凝土叠合柱S2预应力钢管混凝土叠合柱S3型钢混凝土柱S4预应力型钢混凝土柱S5S3 1/6h截面S2 5/6h截面2.4 试验结果和有限元对比选择实测的构件尺寸和材性试验结果建立有限元模型S1S2S3S4S5有限元模拟S3试件管内混凝土部分区域脱空n有限元和试验结果吻合良好主要结论595根构件的破坏特征均为受压侧混凝土受压破坏，钢筋受拉屈服的压弯破坏；相比钢筋混凝土柱

24、，逆作钢管组合立柱承载力提高30%；格构柱组合立柱承载力提高42%相比标准组合立柱，逆作钢管组合立柱承载力提高16.7%；格构柱组合立柱承载力提高2.8%结论：结构柱设计时可按照钢组合柱进行设计计算，钢管或格构柱立柱的作用可乘以0.6-0.7。主要结论605根构件的破坏特征均为受压侧混凝土受压破坏，钢筋受拉屈服的压弯破坏；相比钢筋混凝土柱，逆作钢管组合立柱承载力提高30%；格构柱组合立柱承载力提高42%相比标准组合立柱，逆作钢管组合立柱承载力提高16.7%；格构柱组合立柱承载力提高2.8%结论：柱结构设计时可按照钢组合柱进行设计计算，钢管立柱的作用可乘以0.6-0.7。谢谢！请各位专家批评指正！61